空气弹簧动力学特性分析
高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式
使用维护高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式刘志贺(上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海201306)摘要:在我国高速铁路发展的过程中，动车的使用原来越广泛，其使用的安全性成为了当前中国铁路致力研究的问题。
在研究的过程中，空气弹簧悬挂系统成为了主要研究的装置之一，能够有效提高动车组的动力学性能，但是在应用中也显示出了一些问题。
据此，主要对其特性及故障模式下的运行展开探讨。
关键词:高速动车；空气弹簧动力学；故障模式随着我国经济的发展，高速铁路网日益的密集对高速列车运营的质量提出了更加严格的要求，人们出行次数的增加也对高速列车的舒适感提出了更高的要求。
在高速动车的运行装置中，在悬挂系统中应用空气弹簧能够有效提升动车运行的安全性和舒适性,研究其故障模式有利于进一步提升高速动车组的可靠性。
1高速动车组空气弹簧动力学特性空气弹簧是一种有弹性作用的非金属弹簧，它的弹性主要是通过在橡胶气囊里空气的可压缩性来实现的。
其应用在动车组的悬挂系统中，很大程度上提高了动车运行的质量,在实际使用中显示出了以下特性:(1)高度调整阀对空气弹簧进行充气和排气的工作，维持空气弹簧在工作时一定的高度，能够使高速动车组不管在什么载荷情况下都能保持车体和轨道面一定的距离。
(2)由于空气弹簧的垂向柔性较大，因此能够使高速动车的二系悬挂系统保持较低的固有频率，空气弹簧的作用类似于低通滤波器,能够隔离转向架较高频率的振动。
(3怪气弹簧具有垂向刚度,能够在载荷增加的时候也随之增加，帮助高速动车组在不同载荷的情况下都保持固有的频率，从而提升动车组的动力学性能。
(4：)空气弹簧的振动是以气体作为媒介的，气体对高频振动的吸收效果较好個此能减小动车运行的噪音，保证乘客乘坐动车的舒适感。
(5)空气弹簧在和附加空气室交换气体时产生的阻力能够在一定情况下代替垂向液压减振器，能够节省动车的结构空间，降低制造成本。
(6怪气弹簧X较低的水平刚度，保证了较大的横移量，因此在高速动车组的转向架中，可以取消摇动台装置,简化转向架的结构，减轻车辆自身的重量。
空气弹簧的分类及特点.
空气弹簧的分类及特点近年来，非线性课题一直是各学科的研究前沿，在隔振领域也不例外。
随着隔振设计中对隔振系统各种性能指标要求的提高，迫使人们不断探索新型的隔振器。
非线性隔振器能够自动避开共振，有效抑制振动幅值、隔离冲击，因而受到广泛的关注。
线性隔振器却不能自动避开共振。
非线性隔振器的刚度是随隔振器变形量的不同而变化的，因而由非线性隔振器组成的隔振系统其固有频率与振动幅值有关。
如果隔振器是非线性硬特性的，固有频率随振幅的增加而上升；如果隔振器是非线性软特性的，固有频率随振幅的增加而下降。
当设备在启动过程中经过共振点时，被隔振设备的振动幅值将出现峰值，高出静态位移许多倍。
随着振幅的迅速增长，由非线性隔振器组成的隔振系统其固有频率将上升或下降，从而避开共振频率。
对于线性隔振器，其刚度值是不变的，只能通过阻尼作用控制共振振幅。
但是过了共振点之后，隔振器的隔振效率因为阻尼的作用而下降。
此外非线性隔振器还能有效防止冲击。
对于非线性硬特性的隔振器其刚度随变形量的增加而上升，遇到冲击时，簧上载荷的加速度随变形量的增加而增大，因而在较小的变形下冲击速度迅速降低。
对于非线性软特性的隔振器其刚度随变形量的增加而降低，因而能够起到缓冲作用，但隔振器的变形量较大。
在很多情况下不允许有太大的变形量，就应该选择非线性硬特性隔振器来防止冲击。
根据上述分析，空气弹簧是一种理想的隔振元件。
空气弹簧是在柔性密闭容器中加入压力空气，利用空气压缩的非线性恢复力来实现隔振和缓冲作用的一种非金属弹簧。
它具有优良的非线性硬特性，因而能够有效限制振幅，避开共振，防止冲击。
空气弹簧隔振系统的固有频率可以设计得很低，甚至达1Hz 以下，而橡胶隔振器的自振频率一般为5-7 H z 。
所以空气弹簧的隔振效率比起其它隔振元件高得多，而且能够隔离低频振动。
特别是因为空气弹簧隔振系统容易实施主动控制，作为一种具有可调非线性静、动态刚度及阻尼特性的隔振元件，空气弹簧的应用越来越广泛。
囊式空气弹簧力学特性分析与研究
囊式空气弹簧力学特性分析与研究佟雪峰;陈克;王新芳;张中生;贺鹏【摘要】空气弹簧是空气悬架的关键部件,空气弹簧的力学性能对空气悬架的影响很大.空气悬架具有变刚度非线性阻尼特性,可改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性,其特征曲线可设计成符合车辆振动规律的理想特性曲线.本文根据气体状态方程,推导囊式双变角型空气弹簧刚度与形状系数、内压、容积的关系表达式,建立空气弹簧的数学模型,仿真分析空气弹簧刚度与几何形状系数、弹簧内压、弹簧容积的变化关系.为空气弹簧的设计提供参考和依据.%Air spring is the key component of the air suspension. The mechanical properties of air spring play a great role in air suspension. The air suspension has the characteristics of nonlinear variable spring rate. To improve vehicle handling stability and ride comfort, the characteristic curve can be designed to comply with the vehicle vibration. According to the basic theory of mechanics, the geometric shape factors and spring rate of dual variable angle air spring is derived, the mathematical model of dual-angle-type air springs is established, the geometric shape factor, the relationship between the air spring stiffness and spring pressure and the spring volume are simulated and analyzed. As a result a reference and basis for the air spring design are obtained.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2011(030)005【总页数】5页(P63-67)【关键词】空气弹簧;弹簧刚度;力学特性;弹簧容积;弹簧内压【作者】佟雪峰;陈克;王新芳;张中生;贺鹏【作者单位】沈阳理工大学汽车与交通学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学汽车与交通学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学汽车与交通学院,辽宁沈阳110159;中国北方车辆研究所,北京100072;大连交通大学软件学院,辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】TB533+.2空气弹簧作为空气悬架中重要的弹性元件具有良好的弹性特性，用于车辆悬架装置中可明显改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。
高速车辆空气弹簧悬挂系统动力学及故障影响分析
高速车辆空气弹簧悬挂系统动力学及故障影响分析高速车辆空气弹簧悬挂系统动力学及故障影响分析悬挂系统是汽车的重要组成部分，对于车辆的行驶安全和舒适性有着重要的影响。
在高速行驶中，悬挂系统的性能尤为重要，一旦出现故障将对车辆的操控性产生重大影响。
其中，空气弹簧悬挂系统因其调节性能好、适应性强等特点，在高速车辆中得到广泛应用。
本文将对高速车辆空气弹簧悬挂系统的动力学特性和故障影响进行分析。
首先，我们需要了解空气弹簧悬挂系统的工作原理。
空气弹簧通过车辆悬挂系统上的气囊进行支撑，通过增减气囊内气体的压力来调节悬挂系统的硬度。
当车辆在高速行驶中遇到颠簸路面时，空气弹簧可以根据路况变化实时调节气囊内的气压，从而使车身始终保持在合适的高度和位置，提供良好的悬挂效果。
对于空气弹簧悬挂系统的动力学分析，我们首先需要关注的是其固有频率。
固有频率是指车辆在悬挂系统中自然振动的频率。
当车辆行驶在高速公路等平坦路面时，由于路面的接触和车辆的惯性作用，会产生上下颠簸的振动，此时悬挂系统的固有频率能够使车辆进行稳定的自然振动，提供舒适的行驶体验。
然而，假如固有频率与路面不匹配，就会产生共振效应，导致车辆失去稳定性，甚至发生“跳跃”现象，给驾驶员的操控带来极大困扰。
因此，对于高速车辆的悬挂系统来说，保持合适的固有频率至关重要。
当空气弹簧悬挂系统发生故障时，其对车辆的影响主要包括：车高异常、悬挂系统僵硬或过软、悬挂系统失去调节能力等。
首先，当悬挂系统发生故障导致车高异常时，会影响到车辆的操控性和稳定性。
例如，空气弹簧气囊漏气或气囊过度膨胀，会导致车身降低或抬高，使得车辆的重心位置发生变化，影响到车辆的行驶稳定性。
其次，当悬挂系统僵硬或过软时，悬挂系统无法对车身的上下振动进行适当的调节，使得车辆在行驶过程中容易受到路面的影响，给驾驶员带来不稳定感。
再次，当悬挂系统失去调节能力时，无法根据路况变化时实时调节气囊内的气压，使得车身无法保持合适的高度和位置，影响到车辆的悬挂效果和行驶安全性。
空气弹簧失效对车辆动力学性能的影响
空气弹簧失效对车辆动力学性能的影响摘要：空气弹簧作为二系悬挂的主要部件，它不但起着隔离和衰减二系振动的作用，而且还起着支撑车体的作用。
空气弹簧的橡胶囊一旦发生大的破裂将会造成空气弹簧的支撑作用瞬间消失，应急弹簧开始代替空气弹簧起作用，由于空气弹簧失气的过程十分短暂，导致二系悬挂系统的刚度瞬间发生剧烈的变化，二系悬挂力也会随着发生较大的改变，造成对车体和构架产生大的冲击。
这不仅影响到车辆的运行品质，还会危机到车辆的运行安全。
所以对空气弹簧失效对车辆动力学性能影响的研究是十分重要的。
关键词：轨道车辆；空气弹簧；动力学性能；失效分析1.前言目前，铁道客车二系悬挂大部分采用空气弹簧，国内外学者对空气弹簧的刚度特性和减振特性进行了大量的研究，在以往的动力学计算中假设空气弹簧在正常工作范围内的刚度为线性，采用线性弹簧和阻尼模拟空气弹簧。
一些学者也采用了有限元法和气体状态方程建立空气弹簧模型等方法研究空气弹簧的动态特性。
但这些研究是基于空气弹簧正常工作状态下的，目前对空气弹簧失效的研究还很少，因此空气弹簧失效后对车辆动力学性能影响的研究十分必要。
2.空气弹簧失效的动力学模型空气弹簧既是二系悬挂系统的主要部件，同时也是二系悬挂系统中的易损件。
空气弹簧的故障有很多种，比如高度调节阀故障、差压阀故障以及橡胶囊出现故障等。
其中橡胶囊破裂是最常见的故障，由于橡胶囊的破裂会使空气弹簧内的空气瞬间释放出去，空气弹簧失去支撑车体的能力，车体开始支撑于应急弹簧上面。
因为空气弹簧中气体释放的时间非常短暂，导致二系悬挂系统的刚度发生剧烈的变化，同时二系悬挂系统中的悬挂力也随之发生剧烈的变化，当车辆在较差的线路上行驶时轮轨间会产生较大的横向和垂向冲击，危及到了车辆运行的安全性，本文中研究的是空气弹簧橡胶囊破裂时完全失效的情况。
由于空气弹簧失效后，二系悬挂系统中的横向和纵向的定位作用大大减弱。
当空气弹簧中的应急弹簧开始起作用后，车体的垂向有应急弹簧起支撑作用，横向和纵向由应急弹簧和上下磨耗板共同起着定位的作用。
空气弹簧动力学特性参数分析
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新型长方体形囊式空气弹簧垂向动态特性研究
第37卷第7期振动与冲击JO U RN AL O F V IBR A TIO N A N D SH O C K V ol.37N o.7 2018新型长方体形囊式空气弹簧垂向动态特性研究徐国敏$’2,周炜$’2,何琳$’2,帅长庚$&2(1.海军工程大学振动与噪声研究所，武汉430033; 2.船舶振动噪声重点实验室，武汉430033)摘要：空气弹簧是一种刚度可变，同时固有频率基本不随载荷变化的非线性隔振元件。
在狭长空间中，长方体形空气弹簧比回转体空气弹簧具有更高的空间利用率。
在现有回转体空气弹簧动态特性理论研究基础上，考虑了系统振动频率对多变指数与垂向动态特性的影响，建立了空气弹簧非线性刚度模型，推广了垂向刚度计算公式，并提出概念绝热频率阈值。
设计了一种新型长方体形囊式空气弹簧并进行了试验研究，结果与理论预测符合良好。
同时通过与商用空气弹簧的动态特性对比，展现了该设计承载能力大、空间适用性高的优点。
关键词：空气弹簧;垂向刚度;多变指数;有效面积中图分类号#O328 文献标志码：A DOI:10.13465/ki.0s.2018.07.037V e r tic a l d y n a m ic c h a ra c te ris tic s o f c u b o id ty p e a ir sp rin g sXU Guomin1,2 ’ ZHOU Wei^’2 ’ HE Lin1,2 ’ SHUAI Changgeng1,2(1.I n s t i t u t e o f Noise and Vibration’Naval U n i v e r s i t y o f Engineering’Wuhan430033 ’China；2.N a t i o n a l Key Lab or atory〇n Ship V i b r a t i o n& Noise’Wuhan430033 ’China)Abstract:Air springs are nonlinear vibration iso lat ors with variable s t i f f n e s s and natural frequency unvarying with loads.Cuboid ai r springs have a higher space-utilizing rate than conventional rotator a i r existing theoretical studies on dynamic characteristics of rotator air springs’considering influences of system natural frequency on polytropic exponent and vertical dynamic characteristics’a nonlinear s t i f f n e s s model of air springs was established and the ver tical s t i f f n e s s calculation formula was extended.The conceptual adiabatic proposed.A new cuboid a i r spring was designed and tested.Test results agreed well with those of theoretical prediction. Compared w i t l i the dynamic features of commercial air springs’i t was shown that t l i e advantages of a larger load-bearing a b il ity and a higher space-utilizing rate.Key words:a i r spring;vertical stiffness;polytropic exponent;effective area空气弹簧作为一类非线性隔振器，承载能力大，固有频率低，并且其固有频率在载荷变化时几乎保持不 变，与橡胶隔振器相比性能优势明显。
空气弹簧特性研究
空气弹簧特性研究本文旨在研究空气弹簧特性。
空气弹簧是指一类由流体或液体运动而成的减震器，它是运用空气体压学学理论设计出来的，其主要功能是调节前后轮的动态刚度，有效的减少振动。
一、空气弹簧的原理1、原理介绍：空气弹簧是一种利用气体动力学原理制造的减震器，空气弹簧包括活塞、减震器壳体、活塞棒及其它附件组成。
空气弹簧利用空气体压计理跳动，当空气体压降低时，空气弹簧能够吸收前轮和后轮受力之间的差异，从而改变车辆胎压，使振动减小。
2、构造特点：活塞和减震器壳体之间可以进行伸缩，可以有效的减小振动，维持车辆的行驶稳定，提高乘员的乘坐舒适性。
空气弹簧的优点是可以简单调节，采用空气压力控制，当低车辆行车振动，增加有效行车通过空气弹簧即可调整车辆的高度，实现简单的调节。
二、空气弹簧特性1、减振性能：空气弹簧具有良好的减振性能，承受较大的负载，耐磨性强，在恶劣环境下仍能发挥很好的效果，对车辆路面振动变化有良好的配合能力。
2、稳定性：空气弹簧具有较高的稳定性，采用液压设计，可以提高车辆的稳定性，以保持车辆行驶的稳定性。
3、调节灵活性：空气弹簧采用气体原理，有较高的可调性，可以根据需要随时调节出发和力度较大的减振效果，以保持驾驶安全和舒适。
三、空气弹簧研发应用1、柴油机：柴油机可以采用空气弹簧减震，可以在柴油机设备上安装一个小型空气弹簧减震器，空气弹簧可以更好的表现柴油机的稳定性，提高机器的耐用性和安全性。
2、汽车行驶：由于空气弹簧可以增加行车减振效果，汽车可以在行驶中增加平稳性，提高乘员的舒适性，以及车辆的稳定性，降低不良路况对车辆行驶的影响。
3、机器工业：机器工业可以采用空气弹簧减震技术，减少机器运转时的噪音和感和误差，确保机器发挥最大的功能，提高工业机械的使用效果。
综上所述，空气弹簧具有良好的减振性能，稳定性和可调性，因此应用前景广阔。
汽车空气弹簧动静刚度特性分析
汽车空气弹簧动静刚度特性分析刘国漪;张少波;周劲松【摘要】针对某一膜式空气弹簧,运用非线性有限元软件ABAQUS建立有限元模型.首先通过模拟空气弹簧静特性试验,得出了空气弹簧在给定位移和一定初始气压情况下的静刚度特性曲线,其次改变空气弹簧的物理参数,分析初始气压、帘线加强层的角度和各层间的距离对空气弹簧垂向静特性的影响,最后建立动刚度模型,研究在特定工作气压下振动频率对动刚度的影响.计算结果表明,该膜式空气弹簧的帘线层角度、帘线层间距的改变对其静刚度会产生相应的影响;不同频率下,空气弹簧的动刚度也将发生相应改变以适应不同工况.【期刊名称】《海南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(036)002【总页数】6页(P197-202)【关键词】空气弹簧;非线性;有限元分析;动静刚度特性【作者】刘国漪;张少波;周劲松【作者单位】同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;海南大学机电工程学院,海南海口570228;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】U468.4空气弹簧利用胶囊内部的压缩空气承受载荷，主要用于车辆的悬架及驾驶室座椅等，具有变刚度、自振频率低、高度可控及良好的降噪和隔振性能等特点，在改善乘坐舒适性、车辆行驶平顺性和对道路的保护方面，相比刚性弹簧和板簧等具有明显的优越性，目前已得到了广泛应用[1].空气弹簧的物理参数影响其力学性能，为了提高汽车动态性能和平稳性，有必要开展关于空气弹簧物理参数对其刚度特性影响的研究.例如刘青峰[2]等对空气弹簧的横向刚度的影响因素进行了研究，张建振[3]研究了活塞形状与橡胶囊结构对其刚度的影响.为了丰富空气弹簧刚度特性的研究，笔者将着重于探讨影响空气弹簧垂向特性的因素.基于有限元非线性理论，采用非线性有限元软件ABAQUS，对某空气弹簧进行动静刚度特性分析，研究垂向静载荷、垂向静刚度随着充气压力、帘线层角度和帘线层间距的变化规律；在动刚度方面，通过改变振动频率，分析振动频率对空气弹簧动刚度的影响，从而为产品的开发设计提供参考.图1 膜式空气弹簧结构1 空气弹簧有限元模型的建立1.1 膜式空气弹簧的结构空气弹簧主要由上盖板、橡胶气囊和下盖板(或底座)组成，如图1所示，在其内部充入一定量的压缩气体.上盖板和活塞底座主要是将弹簧固定在车身和车架之间，也起到支撑作用，材料一般由铝合金或者不锈钢铁制成.1.2 模型分析空气弹簧在工作过程中多方面都涉及到非线性问题，主要有几何非线性、边界条件非线性和材料非线性.1.2.1 几何非线性橡胶气囊由外覆层、帘线层、内覆层组成，橡胶气囊壁厚设定为4 mm.空气弹簧根据承受的载荷方向不同会呈现拉伸或压缩的状态，在整个过程中由于幅度变化大，属于大变形问题，此时线性理论不再适用.因此在求解该类问题应采用几何非线性方程[4].在ABAQUS中采用全拉格朗日法求解，表示为(KO+Kσ+KL)δq=F+T+P，(1)其中，KO为切线刚度矩阵，Kσ为几何刚度矩阵，KL为大位移刚度矩阵，δq为节点坐标增量矢量，F为体载荷矢量，T为面载荷矢量，P为应力在节点上的等价合力矢量.1.2.2 边界条件非线性本文的接触问题是一种边界非线性问题.接触状态和边界条件会随着气囊的形变而改变，当发生大幅度的位移和变形时尤为明显.由于金属的弹性模量远远大于橡胶气囊，在接触分析时可以简单地将底座和上盖板视为不可变形的刚体部件并设成接触主面，气囊设置为接触从面.边界接触协调条件可以表示为[5](2)其中，Cj=nj，n为接触单元局部坐标的单位矢量，下标为边界单元沿切向方向与法向的局部坐标，Δk为k处的材料重叠矢量，上标(i)为迭代次数；接触分析的控制方程(3)其中，D阻尼方程，M为质量方程，F为体单位应力矢量，T为面单位应力矢量，P(i)为每次迭代的合力矢量，KT，R，Δλ，Δq，Δ为接触引起的附加项.式(3)是一个对称的非线性方程组，而且每次迭代未知数系数矩阵都会随接触状态变化而变化.1.2.3 材料非线性气囊部分采用复合材料，由橡胶和尼龙帘线层复合组成的聚合物PA-66.橡胶属于超弹性材料，在受到拉力或压力而形变时也是非线性问题.在有限元分析中，橡胶的力学特性使用Mooney-Rivlin模型[6]U=C10(I1-E)+C01(I2-3)，(4)其中，U为应变能，C10和C01为与温度有关的材料参数，I1和I2是应变不变量.帘线加强层是气囊承压的核心部分.建模过程中，采用壳单元来模拟橡胶气囊壁.采用Rebar钢筋层单元模拟橡胶材料的帘线层，通过嵌入的方式设置在壳单元上. 在Rebar要赋予4个几何特性：1) Rebar的横截面积；2) Rebar与Rebar间的距离(帘线层间距)；3) Rebar的帘线角(帘线与气囊轴向的夹角)；4) Rebar到中性面的距离.1.3 建立有限元模型采用四节点的壳单元模拟橡胶层，对应到ABAQUS单元类型为S4R.帘线层的参数设置如表1，帘线层的弹性模量为1 450 MPa，泊松比为0.002 59.超弹性橡胶材料输入Mooney-Rivlin参数C10为3.2e6，C01为8e5.上盖板和活塞底座采用三节点壳单元S3R和四节点壳单元S4R，同时通过设定刚体约束设置成刚体.上板盖、底座与气囊上下口圈上接触的点采用绑定约束，连接3个部件.摩擦设定为有限滑移，摩擦系数设定为0.2.表1 空气弹簧帘线增强层的基本参数横截面积/m2帘线层间距/mm帘线角/(°)中性面距离/mm 2.043e-70.78541.5流体腔的设定当中，选择封闭曲面内任意一点为参考点，封闭面积选择由气囊、上下刚体所围成的封闭曲面.在计算过程中，气囊壁上形成静流体单元 (F3D4，F4D4)，每一个组成节点都与相同位置的气囊壳单元节点相同.因此气囊壁上流体单元的位移或形变与对应气囊的壳单元相同，从而实现气固耦合.设定气体常数为8.314 J/(mol·K).基于ABAQUS/CAE建立的空气弹簧有限元模型如图2所示.图2 空气弹簧有限元模型1.4 静态垂向特性有限元分析根据《汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊》(GB/T 13061-1991)[7]的试验方法，在ABAQUS中设定3个分析步计算空气弹簧静刚度.第1步对上板盖和底座的6个自由度进行约束，往气囊充入0.1 Mpa气体；第2步释放上板盖垂向位移的约束，并移动至工作高度，充入初始工作气压0.3 Mpa；第3步对上板盖施加±100 mm的垂向位移.通过获取上板盖参考点位移的变化和底座所受到的反作用力的数据，便可得出空气弹簧的静刚度特性.空气弹簧工作时应力云图见图3，图3a为充气后压缩100 mm状态，图3b为充气后拉伸100 mm状态.图3 空气弹簧充气0.3 Mpa时应力云图2 静态垂向特性影响因素探究2.1 初始气压对垂向弹性特性的影响空气弹簧的气囊内充入气体量的不同，影响其承压能力.在标准高度的位置，分别对气囊充入0.15 Mpa，0.2 Mpa，0.3Mpa，0.4 Mpa的初始气压，标准高度285 mm，其余参数不变，设定相同的分析步.不同初始工作气压下位移-刚度曲线如图4所示.图4 不同初始气压时空气弹簧位移-刚度曲线从图4可知，气囊腔内在上板盖同一位移下承受的刚度都随着气压的增大而增大.在拉伸过程至标准高度区间，刚度变化不明显，只在工作气压0.3 Mpa以上有微弱的增加.2.2 帘线角对垂向弹性特性的影响保持初始工作气压0.3 Mpa不变，设定不同帘线层角度47 °，54 °，60 °，计算空气弹簧底座随着上盖板位移变化的载荷.图 5为不同帘线角空气弹簧的位移-刚度曲线.图5 不同帘线角的空气弹簧的位移-刚度曲线由图5可知，当帘线角增加时，空气弹簧的刚度在小位移行程(小于±50 mm)时略微增加，在大位移行程(大于±50 mm)时，刚度增加明显.帘线加强层角度增加时，垂向载荷投影至帘线增强层垂直方向的载荷量增加，使帘线层承受的压力增大，在压缩小行程阶段，各层之间仍存在间隙，所以此变化相对不明显.2.3 帘线层间距对垂向弹性特性的影响保持初始工作气压0.3 Mpa不变，设定间距分别为1 mm、3 mm和5 mm，研究各层间的距离对弹性特性的影响.图6为不同帘线层间距的空气弹簧的位移-刚度曲线.由图6可知，在压缩位移较小阶段(小于50 mm)至拉伸阶段，帘线增强层间的距离对刚度的影响有限，在标准高度附近，基本没有影响.从整体来看，各层间距越大，刚度的变化曲线更加缓和.在压缩行程量较大的阶段，不同间距所承受的载荷也基本相同，但是间距较小的刚度在此阶段增大明显，由于各层之间的距离较小，在压缩阶段相互作用愈加明显，表现为刚度增加.图6 不同帘线层间距的空气弹簧的位移-刚度曲线3 空气弹簧动态垂向特性探究静态特性的模拟忽略了材料在动态过程中的应变迟滞现象.此迟滞应力所产生的阻尼作用，使空气弹簧在循环往复运动工作过程中需要克服内在摩擦，消耗内功.在动态特性仿真中，施加简谐位移变化，模拟空气弹簧在工作状况下的变化情况.振动频率的不同，影响迟滞应力作用，间接影响橡胶气囊的阻尼作用[8].研究动态特性的模型与静态特性的模型大致相同，在几何方面不做改动.关于接触的设定，稍作简化，将模型的所有接触设定为全局的普通接触.流体属性中设置摩尔定压热容为30 J/(mol·K).流体腔的气固耦合设置与静态特性的模型一致.设定橡胶密度1 000 kg·m-3，尼龙密度1 150 kg·m-3.动态特性的求解使用ABAQUS/Explicit模块，选取设计常用工作气压0.4 Mpa作为初始气压，简单探讨频率与动刚度之间的关系.选取5～35Hz频率，加以正弦周期位移.一般情况下频率高时的振动位移较小，因此较高的频率可以选择较小的幅值[9].表2为频率与对应幅值的选择.表2 正弦激励频率与对应幅值频率/Hz幅值/m10、15、180.02520、25、280.02030、32、350.010图7 在标准高度下刚度与频率关系曲线在正常的工作过程中，空气弹簧一般在标准高度上下浮动.拉伸和压缩的量不同，动刚度也不一样，为了探究动态刚度与振动频率之间关系，选取标准高度下的刚度进行比较.图7为动刚度与频率关系曲线.由图7可知，低频率时，动刚度基本保持不变.在25～30Hz之间存在最小刚度，之后刚度值随频率的增加急剧增加.在汽车行驶过程中，低频率的行驶相当于慢速行驶，此时刚度大小适中且基本维持不变，车辆的高度较为稳定而且也有良好的吸振效果.当较高速行驶时，振动频率增加，此时空气弹簧的刚度也随之增加，保证了高速行驶时的稳定性.在相同变形量下，空气弹簧刚度大时，吸收振动的能力也增加.4 小结借助非线性有限元软件ABAQUS建立了研究膜式空气弹簧静、动态特性的有限元模型，分析不同因素对空气弹簧垂向特性的影响，得到以下结论1) 空气弹簧处于标准工作高度时，增大气囊内压缩空气的压力，可也提高空气弹簧的垂向刚度；2) 气囊帘线层的物理参数变化对静刚度也会产生相应影响，帘线层角度增加会使空气弹簧的静刚度增加，且在大位移行程比较明显；帘线层间距增大使静刚度减小，在压缩大位移时变化比较明显；3) 在某一初始气压不变的情况下空气弹簧的动刚度随着振动频率发生改变，以适应不同的车况.【相关文献】[1] 朱敬娜,赵倩. 空气弹簧的应用现状及发展趋势[J]. 电子制作,2013(24):76-77.[2] 刘青峰,张治国,谢基龙. 空气弹簧非线性横向特性的有限元计算[J]. 铁道学报,2015,37(3):29-34.[3] 张建振. 空气弹簧活塞形状对悬架特性的影响[D].长春：吉林大学,2005.[4] 陈灿辉,谢建藩,陈娅玲. 汽车悬架用空气弹簧的非线性有限元分析[J]. 汽车工程,2004(4):468-471.[5] 任彦莎. 空气弹簧静态接触的三维非线性有限元分析[D].北京：北京化工大学,2004.[6] 张丽霞. 快速货车橡胶减振元件静、动态特性分析[D].成都：西南交通大学,2013.[7] 中国标准出版社.GB/T 13061-1991, 汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊[S].北京：中国标准出版社，1991.[8] 王艳. 空气弹簧力学特性仿真分析与试验研究[D].成都：西南交通大学,2015.[9] 李美. 带附加气室空气弹簧系统动态特性机理的研究[D].镇江：江苏大学,2012.。
动车组空气弹簧系统的组成及其特性分析
动车组总体题目：动车组空气弹簧系统的组成及其性能分析姓名：谭兆利学号：EMU 2015007 成绩：二〇一五年一月摘要：铁路机车车辆上采用弹簧装置来缓冲冲击，使列车平稳运行，改善机车横向运动性能和曲线通过性能。
随着高速铁路的发展，传统的弹簧装置已经不能满足高速列车性能的要求，现在多采用圆弹簧、橡胶弹簧及空气弹簧。
圆弹簧和橡胶弹簧经常被用作一系悬挂，而空气弹簧则被广泛运用于二系悬挂。
本文主要介绍空气弹簧的组成及其各部件性能的分析。
关键字：空气弹簧；高度调整；差动阀1.系统组成。
主要有空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀、差压阀和滤尘器等组成（见图1）。
2.压力空气传递过程（见图1）压力空气由列车主风管1→T形支管2→截断塞门3→滤尘止回阀4→空气弹簧储风缸5→主管→连接软管6→高度控制阀7→附加空气室10和空气弹簧本体8。
3.高度调整阀工作原理。
为了保持车体距轨面的高度不变，在车体与转向架之间装有高度调整阀，以调节空气弹簧橡胶囊中的压缩空气，使车辆地板面不受车内乘客的多少和分布不均匀的影响，基本保持水平。
3.1调节过程（见图2）：在正常载荷位置，及H h =时，充气通路L V →和放气回路E L →均被关闭； 当车体载荷增加时，此时H h <，阀动作，使L V →通路开启，压缩空气向空气弹簧充气，直至地板上面上升到标定高度为止。
当车体载荷减少时，此时H h >，阀动作，使E L →通路开启，空气弹簧向大气排气，直至地版面下降到标定高度为止。
3.2高度调整阀装置结构。
不同动车组所使用的高度调整装置结构有所区别，这里以2CRH 和3CRH 动车组所采用的高度调整阀装置为例来加以说明。
2CRH 的结构如图3 所示。
该高度调整阀内使用的工作油特性如下：种类：硅油；黏度：25,/1023s m -℃；温度系数：0.6.；流动点：-50℃以下。
高度调整阀工作过程分进气过程和排气过程，具体如图4，图5当然，上述调整只是在静态时进行，不能影响车体与转向架间的正常震动。
空气弹簧的工作原理及性能
空气弹簧空气弹簧的基本结构空气弹簧是一种由橡胶、网线贴合成的曲形胶囊，俗称气胎、波纹气胎、气囊、皮老虎等。
胶囊两端部需用两块钢板相连接，形成一个压缩空气室。
橡胶与网线本身不提供对负荷的承载力，而是由充入胶囊内的压缩空气来完成。
其曲囊数通常为1~3 曲囊，但根据需要也可以设计制造成4 曲或5 曲以上，还可以在一定条件下将两个空气弹簧叠加使用。
空气弹簧按照性能与特点又称为橡胶空气冲程调节器和橡胶空气隔振体。
现有的曲囊式空气弹簧的端部结构，根据联接方式可以分为三大类：一类为固定式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸和曲囊最大外径相等或略小一些，钻若干个孔后用法兰环和端板紧固联接；另一类为活套式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸比曲囊最大外径小得多，无须钻孔，用一个特制的法兰环和一个普通端板紧固联接；第三类为自密封型，不用法兰联接，压入端板，充入压缩空气则自行密封。
空气弹簧端部与连接板的法兰密封形式有：LHF 型、JBF 型、GF 型、HF 型、ZF 型五种结构形式。
参考网址：（详见空气弹簧端封形式选择及装配结构）空气弹簧端封形式选择及总装配结构1、弹簧高度、承载能力和弹簧刚度的选择：设计时，可彼此独立地,范围相当广泛地选择弹簧高度，承载能力和弹簧刚度，可获得极其柔软的弹簧特性。
弹簧高度：使用高度控制阀，可根据使用要求适当控制空气弹簧的高度，在簧上载荷变化的情况下保持一定高度。
承载能力：对于相同尺寸的空气弹簧，改变内压，可得到不同的承载能力，承载能力大致与内压成正比。
这便达到了同一种空气弹簧可适应多种载荷要求。
弹簧刚度：在设计空气弹簧的刚度时，可以依靠改变弹簧内压而加以选择，刚度与内压大致成正比，因此，可以根据需要将刚度选得很低，对于一个尺寸既定的空气弹簧，刚度是可变的，它随载荷的改变而变化，因而在任何载荷下自振频率几乎不变，所以它能使被支承系统具有几乎不变的性能。
2、固有的振动频率较低空气弹簧与附加空气室相连，可是空气弹簧装置的固有振动频率降低到0.5∽3Hz。
空气弹簧特性分析
结构设计
优化空气弹簧的结构设计， 使其具有更好的刚度、阻 尼和稳定性。
制造工艺
采用先进的制造工艺，确 保空气弹簧的质量和性能。
未来发展趋势
智能化
随着智能化技术的发展， 空气弹簧有望实现智能化 控制，进一步提高其性能 和稳定性。
环保化
随着环保意识的提高，环 保型的空气弹簧将越来越 受到关注和应用。
定制化
随着个性化需求的增加， 定制化的空气弹簧将更加 普及和流行。
THANKS
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3
焊接工艺
将金属部件焊接在一起，形成完整的空气弹簧结 构。
03
空气弹簧的动态特性
刚度特性
总结词
空气弹簧的刚度特性是指其抵抗变形的能力。
详细描述
空气弹簧的刚度特性主要取决于其内部气压和结构尺寸。随着内部气压的增加，空气弹簧的刚度也会相应增大， 使其更难以发生变形。此外，不同结构的空气弹簧具有不同的刚度特性，例如，膜片式空气弹簧的刚度相对较低， 而钟罩式空气弹簧的刚度则相对较高。
自适应特性
总结词
自适应特性是指空气弹簧在不同工作条件下能够自动调整自 身高度和刚度的能力。
详细描述
由于空气弹簧内部气压的可调性，使其能够在不同的负载和 温度条件下自动调整自身的高度和刚度，以保持稳定的工作 状态。这种自适应特性使得空气弹簧在各种工业领域中得到 了广泛应用。
使用寿命
总结词
使用寿命是衡量空气弹簧性能的重要指标之一，它反映了空气弹簧能够持续工作的时长。
工作原理
原理
通过向气囊内充入不同压力的气体， 使空气弹簧产生不同的变形和刚度， 从而起到支撑、减震和隔振的作用。
工作过程
当受到外部载荷时，空气弹簧发生变 形，内部气体受到压缩或扩张，产生 反作用力抵抗外部载荷，实现减震和 隔振效果。
空气弹簧研究综述
空气弹簧研究综述1.3 空气弹簧研究综述1.3.1 国内外空气弹簧发展简史空气弹簧的发展仅有五十多年的时间。
美国自1947年，在普尔曼车上首先采用空气弹簧，后来在意大利、英国、法国等许多欧洲国家对空气弹簧做了大量研究工作，装有空气弹簧的转向架相继出现。
1955年，日本国家铁路技术研究院机车车辆动力试验室，对在车辆上安装的空气弹簧进行了系统的研究，为设计空气弹簧提供了宝贵的基本数据；同时，对装有空气弹簧的车辆进行了一系列的试验工作。
目前，日本不仅在铁路客车上成功地装用了多种型式的空气弹簧，而且在货车上也予以采用。
在日本，装有空气弹簧的转向架，不仅数量多，而且型式多样。
空气弹簧绝大多数用于中央悬挂，轴箱弹簧为螺旋钢弹簧。
起初只安装三曲囊式空气弹簧，用以改善车辆的垂向振动性能，横向复原仍采用摇动台。
为了取消复杂、笨重的摇动台结构，于是研制出了约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧，这类空气弹簧不仅能承受垂向振动，而且可以利用其具有良好的横向刚度的优点来承受横向振动；同时，可以与牵引拉杆两端部的弹性元件共同作为横向复原装置。
牵引拉杆一端连接摇枕，另一端连接在构架（对心盘支重的转向架）上，或连接在车体（对旁承支重的转向架）上。
牵引拉杆两端弹性元件的横向复原力，对空气弹簧来说，是比较小的。
1957年，我国第一机械工业部汽车研究所，对空气弹簧做了大量的试验研究工作，并装在汽车上试用，积累了一些经验。
1958年，沈阳机车车辆厂在试制的“东风号”客车上，首先装用空气弹簧，即由天津车辆段和天津橡胶研究所共同研制出一种双曲囊式空气弹簧（图），其有效直径为460mm时，高度为184mm，最大外径为520mm。
这种空气弹簧曾先后在天津车辆段、北京车辆段，装在101型、201型和202型转向架上，以代替叠板弹簧。
实践证明：这种空气弹簧的垂向振动性能具有良好的运行品质。
但是，由于没有采用高度控制阀，在列车返段时，只好采用人工加气；同时，泄漏问题也没有得到很好的解决，所以没有继续应用。
空气弹簧动力学特性分析
空气弹簧动力学特性分析担架支架是伤员运送车辆在行驶途中承载、固定卧姿伤病员担架的主要设备。
担架支架的隔振系统设计在很大程度上决定了伤病员在运送途中的乘卧舒适性。
性能优异的担架支架隔振系统能有效提高伤员运送车辆的运送能力。
空气弹簧是较为合适的可用于担架支架系统的隔振器,它是利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件。
作为隔振元件,空气弹簧具有非线性变刚度特性,通过内压的调整,可以得到不同的承载能力;承受轴向载荷和径向载荷,可产生相对较好的缓冲隔振效果;还具有结构简单、安装高度低、更换方便、工作可靠、质量轻、单位质量储能量高等优点。
将空气弹簧增加附加气室能显著降低空气弹簧的刚度及固有频率。
本文对应用于急救车担架支架装置的空气弹簧隔振器的动态特性进行了理论分析、实验测试、实验建模等方面的研究,为今后进一步研究半主动控制的空气弹簧隔振系统提供了参考依据。
本文首先介绍了空气弹簧的研究与发展现状,对空气弹簧的性能和优缺点进行了比较。
并对空气弹簧的动力学特性进行研究,推导了空气弹簧动刚度计算公式,分析了其动力学特性的影响因素,建立了带附加气室与不带附加气室空气弹簧的力学模型。
其次做了空气弹簧的动力学特性实验,得到如下结论:不带附加气室时,当初始气压、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加;当激振频率增加时,空气弹簧的动刚度随之减小。
空气弹簧的固有频率几乎保持不变。
而带附加气室空气弹簧在节流孔孔径4-7mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小;当初始气压、激振频率、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加。
在高频(8Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。
在低频率时,带附加气室能显著降低空气弹簧的动刚度,而在较高频率时,带附加气室会使空气弹簧的动刚度增加。
最后对带附加气室空气弹簧力学模型进行了简化,通过实验数据运用最小二乘法对模型参数进行了识别,并用四个指标对模型拟合精度进行了评价。
分析结果表明误差较小,模型能够比较准确的反映出应用空气弹簧隔振器的力学特性。
空气弹簧特性分析
4.3 分析结果
1、不同帘线角度：
2、不同帘线间距：
3、不同的帘线层数：
4、不同的充气气压：
5、不同的附加气室的影响
4.4 结论
通过对不同参数空气弹簧弹性特性进行分析， 得到：帘线角度、充气气压和附加气室对空 气弹簧的弹性特性影响比较大。其他的参数 对空气弹簧的弹性特性影响不大。
一、空气弹簧概念
空气弹簧的工作原理是利用橡胶气囊内部压 缩的空气，空气弹簧的支撑和弹性作用主要 取决于弹簧内的压缩气体。 橡胶气囊是空气弹簧的重要部件，一般由内 橡胶层、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈硫 化（交联）而成。
二、空气弹簧分类
根据橡胶气囊的变形方式，空气弹簧的结构形式主 要分为囊式和膜式两大类，如下图所示：
囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠曲获得弹性变形 膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形
三、空气弹簧特性
1、空气弹簧的刚度随载荷的变化而改变，因而在 任何载荷下自振频率几乎不变。 2、空气弹簧具有非线性弹性特性，可以将其特性 曲线设计成理想形状。 3、与金属弹簧比较，空气弹簧寿命较长。 4、空气弹簧质量轻，内摩擦极小，对高频振动有很 好的隔振、消声能力。 5、对于同一空气弹簧，当充气压力改变时，可以得 到不同的承载能力。
5.2.2 附加气室的添加
<1>现在所添加的附加气室是在不考虑节流孔作用 和通气管路的影响，直接建立附加气室。
<2>考虑节流孔的情况，在附加气室与空气弹簧囊 体之间建立节流孔，但是节流孔的设置问题没有解 决，改变节流孔的大小弹性曲线没有改变，节流孔 没有起作用，怎么设置参数？？？？
四、空气弹簧的特性分析
采用编写inp文件，来分析空气弹簧的弹性 特 性。
第三节 空气弹簧
④ 自由膜式空气弹簧的横向刚度Ｋ1的计算式为
Ｋ1＝bpＡ1＋Ｋ1′
式中ｂ一空气弹簧形状系数，其值为:
（６一４６）
Ｋ1′ ——橡胶囊本身的横向刚度，通过试验决定。在小帘线角 时可近似取为５０千牛／米左右。 由上式看出，空气弹簧的横向刚度由两部分组成。第一 部分与空气弹簧的几何参数和内压力有关，对于一定型式的 空气弹簧而言，这一部分横向刚度是基本的；而后者则主要 与橡胶囊本身的材质和结构有关。
自由膜式空气弹簧的横向刚度试验结果示于图６—２１
⑤ 若采用熟知的单摆概念，可将空气弹簧的横向刚度换算为摇动台的当 量吊杆长度Ｌ，则
（6-47）
⑥ 例子
以我国某客车为例，每个空气弹簧的簧上载荷为：空车时P1=52.5干牛，重 车时P2=90千牛，其有效承压面积Ａ1=1936厘米2，帘线角为450，则相应的空气 弹簧内压力p1=2.67巴，p2=4.58巴。由相应于该型空气弹簧的图6—22可知，其 横向刚度分别为：Ｋ11=370千牛，Ｋ12=530千牛／米。而按式（６—47）计算得 当量吊杆长度分别为L1=142毫米，Ｌ2=170毫米。其平均值Ｌ=156毫米，显然， 这一当量吊杆长度太小。因此，应进一步降低空气弹簧的横向刚度。试验表明， 空气弹簧的帘线角对横向刚度有重要影响（图６—２２）。帘线角愈小，则横向 刚度愈小。当帘线角为零时，空气弹簧横向刚度的试验值与由式（６一46）（不 考虑第二项Ｋ1′）求得的计算值基本一致。而当帘线角为450时，两者相差较大。 根据试验结果，自由膜式空气弹簧帘线角可取５0～８0。
(2) 静平衡位置时的刚度 ① 刚度公式 将上式对位移ｈ求导并经过适当变换后可得静平衡位置时的刚度公式：
(6-44) 式中Ａ0为橡胶式空气弹簧在静平衡位置的有效承压面积，通常采用的空 气压力p0为３～５巴。 ② 公式分析 由式（6—44）看出，橡胶式空气弹簧的刚度是由两项组成的，第一 项和套筒式空气弹簧的刚度计算式（6—34）一样，但活塞面积Ａ用有效 承压面积Ａ0代替了；而第二项是有效承压面积变化率dA1/dh， dA1/dh越 大的橡胶囊的刚度越大， dA1/dh越小刚度也越小。另外，空气弹簧总容 积V0越大．其刚度越小，但V0仅影响刚度计算式的第一项，而与第二项 无关。
车辆空气弹簧参数对动力学性能的影响
积、附加气室体积和节流孔直径在一定范围内可使
车辆运行平稳性达到最佳
[４]
ꎮ
本文将基于气体热力学和流体力学在 ＡＭＥＳｉｍ
平台建立包括空气弹簧本体、附加气室、节流孔、差
式中ꎬｑ ｄ 为气体从附加气室通过差压阀流到另一侧
附加气室的流量ꎮ
１. ２. ３
节流孔
参数对横向运行平稳性影响甚微ꎮ
关键词:空气弹簧 ＡＭＥＳｉｍ 车辆动力学 运行平稳性
中图分类号:Ｕ２７０. １ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００２－６８８６(２０２１)０２－００２０－０５
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｉｒ ｓｐｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ
ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ. Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ ｗａｓ ｏｖｅｒ ５０ Ｌꎬ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｌｉｔｔｌｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｔ ｌｅａｓｔ ５０ Ｌ. Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ
运行平稳性的影响ꎮ 仿真计算结果表明:非线性空气弹簧要比线性弹簧更接近实际且在低频时非线性特性较为明
显ꎮ 橡胶气囊体积和节流孔直径在允许范围内越大ꎬ垂向运行平稳性越好ꎬ附加气室体积的增大对垂向运行平稳性
呈先增大后减小的趋势ꎬ大于 ５０ Ｌ 后对垂向运行平稳性影响不大ꎬ应保证附加气室体积至少为 ５０ Ｌꎻ空气弹簧结构
车辆空气弹簧失效对动力学性能的影响分析
车辆空气弹簧失效对动力学性能的影响分析作者：刘洪阳王寿辰官贺周通来源：《汽车世界·车辆工程技术（中）》2019年第06期摘要：在高速动车组中，通常使用空气弹簧作为辅助悬挂系统。
空气弹簧极大地抑制了从车架到车身的高幅度振动，从而使车辆乘坐感受更加良好。
但是，空气弹簧也是车辆悬架系统中最容易损坏的部件。
如果车辆高速行驶，空气弹簧破损会造成危险。
在本文中，我们分析了空气弹簧破裂后的车辆行驶性能以及诸如车辆出轨系数和轮轨侧向力等安全因素。
结果表明，在空气弹簧上直线行驶的车辆的平稳性和稳定性大大降低，并且在弯道行驶时存在脱轨的风险。
关键词：轨道车辆;空气弹簧失效;平稳性;安全性目前，高速动车组一般采用空气弹簧装置进行二次悬挂，主要由空气弹簧体，附加气室，高度调节阀和压差阀组成。
空气弹簧装置极大地提高了车辆的能动性，提高了车辆的乘坐舒适性，并易于维持和修理。
空气弹簧不仅支撑车身，而且还从车轮和导轨中分离并衰减了动态激励，因此该组件的故障严重影响了车辆系统的安全性能。
空气弹簧故障有几种类型，例如气门故障，高度调节气门故障和橡胶囊破裂。
其中，最为常见的损坏是橡皮囊破裂。
橡胶气囊中的气体立即完全消失，应急橡胶堆支撑车身。
整个过程很短。
影响车身和结构变化的刚度，严重影响安全性能。
因此，有必要分析空气弹簧制动器对车辆动态性能的影响。
空气弹簧是非金属弹性元件，可将压缩空气添加到柔性密封橡胶气囊中，并通过压缩空气运行。
内部空气压缩的反作用力增加了弹性恢复力，有效压缩面积随变形而增加。
它具有反作用力，并具有缓冲，减振和降噪功能。
空气弹簧可以同时承受三向载荷，横向和纵向刚度低，并且可以承受较大的扭转变形。
合理确定从空气弹簧体到附加气室的节流孔的尺寸，在振动过程中获得必要的车辆阻尼，获得所需的振动阻尼，并用复杂的结构和相对较早的结构代替垂直液压。
为了确保车辆的安全运行，在空气弹簧下方安装了一个橡胶垫。
如果空气弹簧出现故障，则车身将由橡胶堆栈支撑。
空气弹簧动态特性拟合及空气悬架变刚度计算分析_陈燎
第46卷第4期2010年2月机械工程学报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.46 No.4Feb. 2010DOI:10.3901/JME.2010.04.093空气弹簧动态特性拟合及空气悬架变刚度计算分析*陈燎周孔亢李仲兴(江苏大学汽车与交通工程学院镇江 212013摘要:为深入研究车辆空气悬架的性能,在悬架系统动力学模型的建立和仿真计算过程中,需要考虑空气弹簧的刚度随弹簧载荷和工作高度改变而变化的特点。
根据空气弹簧的动态特性试验数据构成一簇有规律曲线的特点,分别以弹簧工作高度和初始载荷为自变量进行两次曲线拟合,用非线性曲线拟合方法代替气体状态方程,得到空气悬架使用条件下空气弹簧的刚度工作曲线方程。
在悬架半车离散状态空间模型仿真的每个计算步长开始时,随悬架动挠度的实时状态来确定模型中空气弹簧的刚度计算数值,从而达到对空气悬架进行变刚度仿真分析的目的。
采用此方法计算的某客车空气弹簧气压瞬态响应与滚下法悬架固有频率试验时测到的空气弹簧气压曲线更接近,提出的空气弹簧变刚度特性拟合处理和悬架模型变刚度仿真方法有效。
关键词:车辆空气悬架空气弹簧刚度仿真曲线拟合中图分类号:U270.14Dynamic Characteristics Fitting of Air Springs and Numerical Analysis ofAir Suspensions with Variant StiffnessCHEN Liao ZHOU Kongkang LI Zhongxing(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013Abstract:For studying vehicle air suspension more accurately, the variant stiffness of air springs should be considered in the process of building dynamic models of vehicle suspension and simulation of the models. Based on the test data of dynamic characteristics of air spring, the numerical stiffness equations of air springs used in the air suspension of vehicle are obtained by means of nonlinear curve fitting according to the loads and equilibrium heights of air springs. In the beginning of every simulation step of discrete state space model of half vehicle, the value of air spring stiffness is changed and determined according to the dynamic deflection value of the suspension. In comparison with the experimental air spring pressures during the suspension step tests, the pressure difference between calculation and test is reduced greatly, which shows the effectiveness of the proposed method of dynamic characteristics fitting of air spring and nonlinear simulation of suspension models.Key words:Vehicle Air suspension Air spring Stiffness Simulation Curve fitting0 前言空气悬架车辆利用空气弹簧及其工作过程中的变刚度特点,不仅能提高车辆的行驶平顺性和几何通过性等性能,而且能显著降低车身零部件、乘员或货物所受的冲击载荷。
CRH2动车组空气弹簧垂向力学性能分析
CRH2动车组空气弹簧垂向力学性能分析空气弹簧属于具有自适应性弹性元件，刚度可随载荷的变化而适当调节。
目前随着铁道车辆轻量化、高速化发展，空气弹簧发展与应用前景更为广阔了。
我国的CRH系列动车组也均采用了空气弹簧作为二系悬挂。
在以往的研究中往往将胶囊内的气体压力简单处理为胶囊内壁压力，本文在计算过程中采用空气单元模拟胶囊内空气。
研究以CRH2动车组空气弹簧为研究对象，采用ABAQUS有限元软件分析其垂向刚度。
1 空气弹簧非线性成分分析1.1 橡胶材料计算模型空气弹簧的胶囊是空气弹簧的主要承载部件，是由交叉的多层帘线层和橡胶层组成的复合材料结构，是典型的非线性材料。
空气弹簧中的下座橡胶堆部分和胶囊部分都采用了橡胶材料。
在计算过程中假设空气弹簧系统中橡胶材料的体积是不可压缩的，并且在实际情况下胶囊和橡胶堆的橡胶材料实际变形不是很大，故可采用Mooney-Rivlin模型。
（1）1/ 5（2）（3）式中：C10，C01为超弹性材料参数；I1，I2为第1和第2应变常量；λ1，λ2，λ3为3个主拉伸方向的伸长量。
1.2 帘线的处理研究空气弹簧胶囊铺层中的帘线层数为2层。
帘布层作为空气弹簧的主要承载部分，采用高强度的纤维尼龙材料。
在本文分析模型中，胶囊模型采用壳体单元，帘线层采用rebar单元，帘线层相对于胶囊子午线方向分别成8°和-8°布置，帘线层厚度为1mm，帘线横截面面积为1mm2，在壳体内的间距为3.5mm，rebar单元材料选取16Mn钢，杨氏模量为0.21Mpa，泊松比0.3。
1.3 气体单元在动车组实际运行中，簧上质量的变化改变了胶囊的形状，进而改变了胶囊内部气体的压力，从而实现支反力和载荷的动态平衡，保证了乘坐舒适性。
在本文研究中，假设胶囊内的气体为理想气体，并且温度是恒定不变的，即等温变化。
由理想气体方程：（4）式中，P-气压，V-容积，n-摩尔数，R-气体常数，T-温度。
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空气弹簧是一种在柔性密闭橡胶气囊中冲入压缩空气,利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件,它的的振动固有频率较低,且不同载荷下几乎保持不变,是一种隔振性能优良的隔振器。
担架支架是伤员运送车辆在行驶途中承载、固定卧姿伤病员担架的主要设备。
担架支架的隔振系统设计在很大程度上决定了伤病员在运送途中的乘卧舒适性。
性能优异的担架支架隔振系统能有效提高伤员运送车辆的运送能力。
空气弹簧是较为合适的可用于担架支架系统的隔振器,它是利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件。
作为隔振元件,空气弹簧具有非线性变刚度特性,通过内压的调整,可以得到不同的承载能力;承受轴向载荷和径向载荷,可产生相对较好的缓冲隔振效果;还具有结构简单、安装高度低、更换方便、工作可靠、质量轻、单位质量储能量高等优点。
将空气弹簧增加附加气室能显著降低空气弹簧的刚度及固有频率。
本文对应用于急救车担架支架装置的空气弹簧隔振器的动态特性进行了理论分析、实验测试、实验建模等方面的研究,为今后进一步研究半主动控制的空气弹簧隔振系统提供了参考依据。
本文首先介绍了空气弹簧的研究与发展现状,对空气弹簧的性能和优缺点进行了比较。
并对空气弹簧的动力学特性进行研究,推导了空气弹簧动刚度计算公式,分析了其动力学特性的影响因素,建立了带附加气室与不带附加气室空气弹簧的力学模型。
其次做了空气弹簧的动力学特性实验,得到如下结论:不带附加气室时,当初始气压、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加;当激振频率增加时,空气弹簧的动刚度随之减小。
空气弹簧的固有频率几乎保持不变。
而带附加气室空气弹簧在节流孔孔径4-7mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小;当初始气压、激振频率、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加。
在高频(8Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。
在低频率时,带附加气室能显著降低空气弹簧的动刚度,而在较高频率时,带附加气室会使空气弹簧的动刚度增加。
最后对带附加气室空气弹簧力学模型进行了简化,通过实验数据运用最小二乘法对模型参数进行了识别,并用四个指标对模型拟合精度进行了评价。
分析结果表明误差较小,模型能够比较准确的反映出应用空气弹簧隔振器的力学特性。