帶附加空氣室空氣彈簧的振動(dòng)響應(yīng)特性研究

空氣懸掛法受到了良好的衰減和衰減性能的廣泛應(yīng)用，并被用于客車和重型卡車的重復(fù)使用。空氣懸掛系統(tǒng)的特性對(duì)車輛的舒適性和操縱性有很重要的影響。空氣彈簧作為空氣懸架的關(guān)鍵部件之一,對(duì)空氣彈簧特性的研究有著重要意義。采用帶附加空氣室空氣彈簧的懸架可以調(diào)節(jié)其垂向剛度和阻尼,即在空氣彈簧(主氣室)的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)附加空氣室(副氣室),在主、副氣室之間設(shè)置一個(gè)節(jié)流閥,通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的流通面積的大小調(diào)節(jié)彈簧的剛度和阻尼。但是空氣彈簧的垂向動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜,因此,開(kāi)展空氣彈簧的垂向剛度和阻尼特性的研究有著非常重要的意義。國(guó)外對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,國(guó)內(nèi)在這方面也開(kāi)展了許多研究。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1振動(dòng)系統(tǒng)的剛度、阻尼比和阻尼帶附加空氣室空氣彈簧和質(zhì)量m組成的振動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為由并聯(lián)的彈簧和阻尼器支撐的單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng),如圖1所示,設(shè)系統(tǒng)的激勵(lì)為h=A0sin(ωt+α),則振動(dòng)系統(tǒng)的振幅傳遞率為:β=Z0A0=1+(2ζλ)2(1?λ2)+(2ζλ)2?????????√(1)β=Ζ0A0=1+(2ζλ)2(1-λ2)+(2ζλ)2(1)式中:Z0為響應(yīng)的幅值;A0為激勵(lì)的幅值;ζ為阻尼比;λ為激勵(lì)圓頻率ω與系統(tǒng)固有頻率ω0之比。如果激勵(lì)圓頻率ω與固有頻率ω0相等(即λ≈1),則質(zhì)點(diǎn)的響應(yīng)振幅達(dá)到最大,用下列公式可分別求出振動(dòng)系統(tǒng)的剛度、阻尼比和阻尼。K=ω2002m=(2πf)2m(2)式中:m為質(zhì)量;f為固有頻率,可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行FFT變換得到。ζ≈12β2max?1√(3)ζ≈12βmax2-1(3)C=2ζmK????√(4)C=2ζmΚ(4)1.2空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)與激振臺(tái)的連接圖2所示為測(cè)試系統(tǒng)示意圖。由帶附加空氣室空氣彈簧、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)組成。其中空氣彈簧為美國(guó)凡士通(Firestone)公司生產(chǎn)的1T15M-2型膜式空氣彈簧,附加空氣室為圓柱形,容積為22L;空氣彈簧與附加空氣室分置,并通過(guò)內(nèi)徑為1英寸的金屬軟管相連,節(jié)流閥在金屬軟管與附加空氣室的聯(lián)接處,其內(nèi)徑也為1英寸。調(diào)節(jié)節(jié)流閥芯的轉(zhuǎn)角可調(diào)節(jié)節(jié)流孔流通面積大小。節(jié)流閥由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。節(jié)流閥閥芯在0°～90°之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),節(jié)流孔從完全關(guān)閉至完全打開(kāi)之間變化。試驗(yàn)臺(tái)為自行研制的機(jī)械式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),加在空氣彈簧上端的質(zhì)量塊共計(jì)1.254T,在直線導(dǎo)軌的作用下,作垂直振動(dòng)。空氣彈簧底端與激振臺(tái)連接,激振臺(tái)以不同的頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。測(cè)試系統(tǒng)為基于虛擬儀器的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),質(zhì)量塊振動(dòng)的位移信號(hào)通過(guò)端子板,數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)。測(cè)試系統(tǒng)的軟件用LabVIEW編寫(xiě),通過(guò)虛擬儀器面板控制數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)。2空氣彈簧振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)影響空氣彈簧垂向剛度和阻尼的主要因數(shù)有空氣彈簧的結(jié)構(gòu)和容積、附加空氣室的形狀和容積、連接管的結(jié)構(gòu)形狀、空氣彈簧的內(nèi)壓以及節(jié)流孔的大小?？紤]到所研究的空氣彈簧主要用于客車,空氣彈簧的結(jié)構(gòu)和容積、附加空氣室的形狀和容積以及連接管的結(jié)構(gòu)形狀由客車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與對(duì)懸架系統(tǒng)振動(dòng)特性參數(shù)的要求確定,試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)為常數(shù)?？諝鈴椈傻膬?nèi)壓用空載時(shí)的壓力表示,取3種不同的氣壓,分別為0.225MPa、0.25MPa和0.275MPa,其中中間值0.25MPa為空氣彈簧的正常工作壓力。按照節(jié)流孔等效流通面積的按一定規(guī)律逐步增大的原則,把節(jié)流孔的等效面積劃分成15等份。在節(jié)流孔的等效面積較小范圍變化時(shí)劃分較細(xì),等效投影面積按大約11mm2遞增,分成10等份;在節(jié)流孔的等效面積較大范圍變化時(shí)劃分較粗,等效面積按大約76mm2遞增,分成5等份。設(shè)定步進(jìn)電機(jī)每次步進(jìn)若干步數(shù),共步進(jìn)15種不同狀態(tài),從而獲得15種大小不同的節(jié)流孔徑。實(shí)驗(yàn)將對(duì)這15種節(jié)流孔面積狀態(tài)下,空氣彈簧的垂向剛度和阻尼進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中,讓激振臺(tái)以幅值5mm,頻率0.1Hz至10Hz(在0.1Hz至3Hz,以0.1Hz遞增;在3Hz至10Hz,以1Hz遞增)作正弦振動(dòng),用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),并用式2、3、4分別計(jì)算計(jì)算空氣彈簧的剛度、阻尼比和阻尼。對(duì)應(yīng)每個(gè)孔口面積進(jìn)行1組實(shí)驗(yàn),每組進(jìn)行37次激振實(shí)驗(yàn)(對(duì)應(yīng)37種激振頻率);對(duì)15種節(jié)流孔面積進(jìn)行15組實(shí)驗(yàn);以上實(shí)驗(yàn)再分別進(jìn)行兩次,(對(duì)應(yīng)另外兩種內(nèi)壓),總共進(jìn)行1665次實(shí)驗(yàn)。圖3和圖4分別為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的空氣彈簧內(nèi)壓為0.25Mpa,激振臺(tái)簡(jiǎn)諧激振時(shí),系統(tǒng)的位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨激振頻率和節(jié)流孔面積的變化規(guī)律圖。從圖中可以看出,振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值隨著激振頻率的增大都基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)激振頻率從0.1Hz～0.5Hz之間變化時(shí),無(wú)論節(jié)流孔口如何變化,位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅與激振源的振幅基本相等,振幅放大率都約為1;加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值近似為零。此時(shí),節(jié)流孔面積的大小對(duì)位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值基本沒(méi)有影響。當(dāng)激振頻率從0.5Hz～2Hz之間變化時(shí),隨激振頻率的增加,振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值都先迅速增大,后逐漸減小,響應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)峰值,空氣彈簧振動(dòng)系統(tǒng)在該頻率段內(nèi)出現(xiàn)共振,此時(shí),節(jié)流孔面積的變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)影響很大,當(dāng)節(jié)流孔從完全關(guān)閉至完全打開(kāi)時(shí),振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的峰值都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),出現(xiàn)一個(gè)波谷。當(dāng)節(jié)流孔關(guān)閉時(shí),振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅峰值都達(dá)到最大值,振幅放大率達(dá)到了約11.1;加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值約為5.3m/s2,此時(shí),上工作臺(tái)位移和加速度的共振頻率都約為1.5Hz。隨著節(jié)流孔面積的增大,振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)共振幅值逐漸減小,在節(jié)流孔面積為78mm2時(shí),兩者的峰值都達(dá)到最小值,振幅放大率為2.7,位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值與最大的振幅峰值相比,減小了3倍多;加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值約為1.4m/s2,與最大的加速度響應(yīng)峰值相比,減小了3倍多,此時(shí),位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的共振頻率約為1.4Hz;隨著節(jié)流孔面積的繼續(xù)增大,振幅放大率和加速度響應(yīng)幅值又逐漸增大,當(dāng)節(jié)流孔面積增大至263mm2時(shí),振幅放大率增大到一個(gè)穩(wěn)定的值,當(dāng)節(jié)流孔面積繼續(xù)增大時(shí),振幅放大率基本不再變化,與節(jié)流孔完全打開(kāi)(節(jié)流孔面積為491mm2)時(shí)的峰值基本相等,振幅放大率約為4.2,加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值約為2.2m/s2,此時(shí),兩者的共振頻率都約為1.1Hz。當(dāng)激振頻率繼續(xù)增大,從2Hz～10Hz之間變化時(shí),位移穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅逐漸減小,直至趨向于0,即振幅放大率趨向于0,此時(shí),上工作臺(tái)振幅很小;節(jié)流孔面積對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)有微弱的影響,即隨著節(jié)流孔面積的增大,振幅放大率略有減小。而加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值變化規(guī)律與位移響應(yīng)有所不同。當(dāng)激振頻率從2Hz～3Hz之間變化時(shí),加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值有所減小,但減小量不大;當(dāng)激振頻率繼續(xù)增大,從3Hz～10Hz之間變化時(shí),加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值又逐漸增大。空氣彈簧內(nèi)壓減小(0.225MPa)或者增大(0.275MPa)時(shí),振幅放大率和加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化規(guī)律與0.25MPa時(shí)基本一致,所不同的是,內(nèi)壓為0.225MPa時(shí),振幅放大率的最小值、最大值都較0.25MPa時(shí)的小,分別為2.4、10,加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)峰值的最小值、最大值都較0.25MPa時(shí)的1.4m/s2和5.3m/s2小,分別為1.3m/s2和5.2m/s2,而內(nèi)壓為0.275MPa時(shí),振幅放大率峰值的最小值和最大值較0.25MPa時(shí)大,分別為3.2和12.4,加速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)峰值和均方根值的最小值和最大值都較0.25MPa時(shí)的大,分別為1.6m/s2和6.3m/s2。圖5所示為3種氣壓下帶附加空氣室空氣彈簧剛度隨節(jié)流孔面積變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,對(duì)3種氣體壓力,空氣彈簧剛度隨節(jié)流孔孔徑變化的規(guī)律基本一致。當(dāng)節(jié)流孔面積小于57mm2時(shí),空氣彈簧的垂向剛度基本上為常數(shù),與節(jié)流孔完全關(guān)閉時(shí)的空氣彈簧的垂向剛度值相等,表明附加空氣室基本不起作用;當(dāng)節(jié)流孔面積由57mm2逐漸增大到78mm2時(shí),主、副空氣室之間的空氣流動(dòng)增強(qiáng),空氣彈簧的垂向剛度值迅速減小。節(jié)流孔面積繼續(xù)增大時(shí)空氣彈簧的垂向剛度值基本保持不變,對(duì)應(yīng)0.225MPa的垂向剛度值從106.2kN/m逐漸減小到38.2kN/m,減小了約64%;對(duì)應(yīng)0.25MPa的垂向剛度值從120.9kN/m減小到57.1kN/m,減小了約53%;對(duì)應(yīng)0.275MPa的垂向剛度值從120.9kN/m減小到79.8kN/m,減小了約34%;從圖中還可以看出氣壓對(duì)垂向剛度的影響,對(duì)三種氣體壓力,空氣彈簧的垂向剛度基本隨空氣彈簧氣囊中氣體壓力的增大而增大。圖6所示為3種氣壓下阻尼隨節(jié)流孔面積變化的關(guān)系曲線。3種氣體壓力下空氣彈簧阻尼隨節(jié)流孔面積變化的規(guī)律也基本一致。當(dāng)節(jié)流孔完全關(guān)閉時(shí),3種氣壓下的阻尼值相差不大,此時(shí),空氣彈簧的阻尼為橡膠氣囊在活塞底座上撓曲運(yùn)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)變形阻尼和橡膠氣囊與活塞底座相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻尼,處于小阻尼狀態(tài);隨著節(jié)流孔面積的增大,空氣彈簧的阻尼值急劇增大,至孔口面積為57mm2附近時(shí),空氣彈簧的阻尼值達(dá)到最大值:對(duì)應(yīng)0.225MPa的最大阻尼值為4.3kNs/m,較節(jié)流孔關(guān)閉時(shí)的阻尼值1.15kNs/m增大了2.7倍;對(duì)應(yīng)0.25MPa的最大阻尼值為3.9kNs/m,較節(jié)流孔關(guān)閉時(shí)的阻尼值1.12kNs/m增大了2.5倍,對(duì)應(yīng)0.275MPa的最大阻尼值為2.82kNs/m,較節(jié)流孔關(guān)閉時(shí)的阻尼值1.00kNs/m增大了1.8倍;隨著節(jié)流孔面積的增大,阻尼值逐漸減小,直至187mm2時(shí),阻尼值減小的趨勢(shì)減緩,到節(jié)流孔面積為263mm2時(shí),阻尼值與節(jié)流孔完全打開(kāi)時(shí)的阻尼值基本一致,表明節(jié)流孔的阻尼作用已經(jīng)很微弱。從圖中還可以看出氣壓對(duì)阻尼的影響,總體來(lái)說(shuō),氣壓越低,空氣彈簧的阻尼值越大。圖7所示為阻尼比隨節(jié)流孔面積變化的關(guān)系曲線,其變化趨勢(shì)與阻尼的變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)節(jié)流孔孔口面積為57mm2附近時(shí),空氣彈簧的阻尼比達(dá)到最大值:對(duì)應(yīng)0.225MPa的最大阻尼比為0.24,達(dá)到最大值,較節(jié)流孔孔徑為0(主、附氣室關(guān)閉)時(shí)的阻尼比0.05增大了3.8倍;對(duì)應(yīng)0.25MPa的最大阻尼比為0.2,較節(jié)流孔孔徑為0時(shí)的阻尼比0.05增大了3倍;對(duì)應(yīng)0.275MPa的最大阻尼比為0.16,較節(jié)流孔孔徑為0(主、附氣室關(guān)閉)時(shí)的阻尼比0.04增大了3倍,此時(shí)阻尼對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的衰減作用比較明顯。當(dāng)節(jié)流孔面積大于263mm2時(shí),空氣彈簧的阻尼比相對(duì)較小。本實(shí)驗(yàn)采用激振法所測(cè)得的空氣彈簧系統(tǒng)的剛度和阻尼與用自由衰減振動(dòng)法測(cè)得的帶不同節(jié)流孔閥片的空氣彈簧系統(tǒng)的剛度和阻尼的變化趨勢(shì)基本一致。由于激振法中節(jié)流孔的開(kāi)度是由節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)的,其結(jié)構(gòu)和圓形節(jié)流孔不一致,并且增加了一根柔性管,導(dǎo)致空氣彈簧系統(tǒng)總的氣體體積略有增大,所以僅對(duì)節(jié)流孔完全打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)的剛度和阻尼進(jìn)行比較。當(dāng)空氣彈簧中氣壓分別為0.225MPa、025MPa和0.275MPa時(shí),節(jié)流孔完全關(guān)閉時(shí),激振法與自由衰減振動(dòng)法測(cè)得的空氣彈簧的剛度的誤差分別為1%、-9%和2%,阻尼的誤差分別為12%、12%和31%;節(jié)流孔完全打開(kāi)時(shí),激振法與自由衰減振動(dòng)法測(cè)得的空氣彈簧的剛度的誤差分別為19%、15%和18%;阻尼的的誤差分別為-8%、-34%和-39%,激振法測(cè)得結(jié)果與自由衰減振動(dòng)法測(cè)得的結(jié)果有所偏差。分析其原因,一方面由于用激振法測(cè)空氣彈簧系統(tǒng)的固有頻率時(shí),認(rèn)為空氣彈簧的固有頻率與有阻尼共振頻率近似相等,導(dǎo)致計(jì)算得到的剛度和阻尼值都為近似值;另一方面,考慮到兩實(shí)驗(yàn)所用節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和空氣彈簧系統(tǒng)總的氣體體積略有不同,兩實(shí)驗(yàn)測(cè)的剛度和阻尼結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致略有不同。但是兩實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)仍然基本一致,誤差也在一定范圍之內(nèi),并且激振法考慮了不同激振頻率對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)剛度和阻尼的影響,所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果既是對(duì)自由衰減振動(dòng)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證,也是補(bǔ)充。但是不當(dāng)采用不同的激振幅值和不同體積的附加空氣室時(shí),對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)的剛度和阻尼仍有影響,下面需要進(jìn)一步細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究,并且針對(duì)不同節(jié)流孔大小對(duì)空氣彈簧剛度和阻尼的影響進(jìn)行理論研究,配合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到更有設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義的結(jié)論。3空氣彈簧的剛度和阻尼隨結(jié)構(gòu)的變化,有以下通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:1)改變附加空氣室與空氣彈簧之間節(jié)流孔流通面積大小可以顯著改變空氣彈簧的垂向剛度。當(dāng)節(jié)流孔面積小于57mm2時(shí),空氣彈簧的垂向剛度基本上為常數(shù),與節(jié)流孔完全關(guān)閉時(shí)的垂向剛度值相等,為大剛度狀態(tài);當(dāng)節(jié)流孔面積由57mm2增大到78mm2時(shí),空氣彈簧的垂向剛度值迅速減小,節(jié)流孔面積大于78mm2時(shí),主、附氣室等同于完全相通,空氣彈簧的垂向剛度值基本保持不變,為小剛度狀態(tài)。2)改變附加空氣室與空氣彈簧之間節(jié)流孔流通面積大小可以顯著改變空氣彈簧的阻尼。當(dāng)節(jié)流孔面積小于11mm2時(shí),阻尼與節(jié)流孔完全關(guān)閉時(shí)的阻尼相等,為小阻尼狀態(tài);當(dāng)節(jié)流孔面積在11mm2～263mm2之