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空氣彈簧產品模型分析與研究進展

發布時間:2020-09-14 09:26人氣:

空氣彈簧產品是由內外層橡膠、簾線層和鋼絲圈,經硫化工藝牢固粘合在一起的橡膠金屬復合物,其結構型式主要包括囊式和膜式。
 
針對空氣彈簧的理論研究主要有3 類模型:多物理參數化模型、等效參數化( 或力元) 模型和有限元分析模型,第4 類黑箱模型研究相對較少。實驗研究主要測試空氣彈簧的垂向或橫向靜剛度特性、垂向動剛度和阻尼系數的頻變特性等,測試結果往往用來驗證理論模型的正確性以及進行空氣彈簧模型或參數的辨識。理論與實驗研究結果用來明確各種材料、結構參數對空氣彈簧技術性能的影響,并指導空氣彈簧的設計與制造。
 
1) 多物理參數化模型:多物理參數化模型基于壓縮空氣的熱力學定律和流體力學定律,涉及包含氣體壓力、體積、密度、多變指數、彈簧作用面積、節流孔尺寸和流量系數,以及各種傳熱參數在內的整個氣動系統的物理參數,涉及空氣彈簧本體、附加氣室、節流孔、管路等各部件的建模,整個模型具有較強的非線性,早期Quaglia 等[14] 和Docquier 等[15-16] 的工作具有代表性。
 
空氣彈簧帶附加氣室的目的是進一步降低彈簧剛度,相當于兩個空氣彈簧通過節流孔串聯,理論上對節流孔進行調節,可以獲得更為寬的剛度變化范圍。Liu[17] 等建立了帶附加氣室、節流孔的空氣彈簧多物理參數化模型,研究了激振頻率、節流孔面積和附加氣室容積對動剛度的影響,臺架試驗驗證了模型的正確性。
 
在帶附加氣室的空氣彈簧中,節流孔有一定程度的耗能作用,但這不能是它的主要功用,并且節流孔不能被高頻調節,否則動剛度特性將會變差。因此,現代ECAS 在工程應用上,往往對液壓減振器進行阻尼連續調節,對空氣彈簧采取有級簡單調節。事實上,由于空氣彈簧本身就具有剛度自適應性,再加上2 到3 級的基點剛度變化,已經足夠獲得寬廣的剛度變化范圍了。
 
在空氣彈簧多物理參數化建模、實驗驗證和參數影響研究領域,同類研究還包括Lee[18]、Zargar[19] 等對汽車空氣彈簧和Li 等[20-21]、Gao 等[22] 對列車空氣彈簧開展的研究。
 
2) 等效參數化模型:該模型采用剛度、阻尼、慣性、摩擦等標準力學單元構建,含有參數較少,物理意義明確,因此更適合用于車輛動力學的仿真研究。
 
圖2 所示是幾種常見的空氣彈簧等效參數化模型,雖然它們主要用于列車空氣彈簧建模,但在很大程度上值得借鑒。圖2a 是一種彈簧-阻尼等效模型,將空氣彈簧簡化為一個線性剛度K 和一個線性阻尼C 的并聯。圖2b 稱為Nishimura 模型[23],模型中K1、K2、K3分別為由于氣體壓縮產生的剛度、附加氣室剛度和有效作用面積變化產生的剛度,λ 是氣囊與附加氣室的容積比,C 為氣體流經節流孔時產生的阻尼系數,C 可以是線性阻尼或者是與速度成二次方[24] 規律的非線性阻尼。圖2c 是多體動力學軟件Vampire 中空氣彈簧的主要模型,K1、K2、K3、C 的意義與圖2b 中的一樣,K4 是串聯橡膠堆的剛度;M 是排氣管內的可變空氣質量,其受空氣彈簧有效作用面積與排氣管截面積之比n 的放大作用。圖2d 是Berg 三維模型[25] 中的垂向模型,該模型將空氣彈簧描述為彈性力元、摩擦力元和阻尼力元的疊加,還包括管路空氣流動產生的非線性慣性因素。模型中包含7 個參數:彈性力元的等效剛度Kez,摩擦力元的最大值Ffz-max 和位置參數Z2(參數|圖片),阻尼力元的等效剛度Kvz、等效阻尼系數Czβ 和速度指數β,管路空氣質量M。

Facchinetti 等[26] 對以上不同空氣彈簧模型進行了對比,并研究了采用不同模型進行計算時對車輛動力學的影響,結果表明采用簡化的空氣彈簧模型,如圖2a 所示的彈簧-阻尼等效模型會造成較大誤差。
 
Mazzola 等[23] 和Alonso 等[24] 則采用了實驗方法對比,評估了以上模型的精確性,結果表明彈簧-阻尼等效模型和線性Nishimura 模型不適合于研究3 Hz 以上的振動,Vampire 模型和Berg 模型具有較高的預測精確度。
 
3) 有限元分析模型:空氣彈簧有限元(finiteelement analysis, FEA) 分析模型主要基于有限元建模理論、材料力學理論和接觸力學理論獲得。由于空氣彈簧剛度特性跟其結構、材料特性息息相關,因此通過FEA 建模和分析可以獲得更為直接的影響參數和靈敏度結果。Lee 等[27] 對某汽車膜式空氣彈簧進行了FEA數學建模,建模中考慮了尼龍纖維增強橡膠的正交各向異性、大變形幾何非線性以及氣囊與鋼絲圈的接觸特性,基于所建FEA 模型重點研究了簾線層角度對空氣彈簧變形和靜剛度特性的影響。近些年,許多國內學者也直接運用有限元商業軟件開展了一些應用研究[28-29],內容包括分析氣壓、簾線層角度和層數、附加氣室容積等參數對空氣彈簧靜剛度特性的影響。
 
從空氣彈簧產品角度來看,由于國內橡膠技術起步早且具有較好的工業基礎,加上改革開放后巨大的市場推動,到現在中國大陸車用( 汽車、列車) 空氣彈簧產品的研發、原材料、制造工藝、試驗驗證技術已經基本成熟,形成了較完整的產品系列。但從產品的實際應用效果上看,國產空氣彈簧還是在耐久性、可靠性方面與國外產品存在差距,國內公司也一直在致力于這些方面的研究、開發和試驗工作。

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