带附加气室空气弹簧动刚度影响因素的试验研究

带附加气室空气弹簧动刚度影响因素的试验研究

空气弹簧是利用空气的压缩收缩来实现弹性的秦汉弹簧。由于其良好的工作特点，如变刚性、高可逆性、长寿命等，它已被广泛应用于车辆悬吊、座椅悬吊、精密仪器隔声等领域。为了进一步降低弹簧的刚度,可增设一附加气室,用管路和节流孔将空气弹簧与附加气室相连构成带附加气室空气弹簧系统。振动过程中,因压力差的作用使空气经管路和节流孔在两气室之间流动,由于总气室容积的增大以及节流孔对流经气体的限制作用使得空气弹簧的振动特性也会发生变化。带附加气室空气弹簧是一复杂的非线性动力学系统,其理论依据是空气热力学和空气动力学,近年来,国内外学者主要利用理论分析、试验、以及有限元等方法来研究此系统的非线性特性,并取得了一些有价值的结论[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。空气弹簧动刚度是指弹簧在动载荷下抵抗变形的能力,即引起单位振幅所需要的动态力,它是反映弹簧振动性能的重要指标。为了揭示带附加气室空气弹簧动刚度的影响因素,本文利用试验的方法对其进行研究分析,并探讨其影响机理,为带附加气室空气弹簧悬架的设计和控制提供理论依据和技术支持。1试验系统的建立和试验计划的设计1.1空气弹簧动刚度试验试验选择美国Firestone公司生产的1T15M-2型膜式空气弹簧作为研究对象,工作高度为240mm,工作高度下空气弹簧容积为10.6L。附加气室由无缝钢管与钢板焊接加工而成,6个气室容积分别为空气弹簧工作容积的0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、3倍和4倍;为了方便布置,空气弹簧与附加气室之间用内径为Φ25mm的金属软管连接,软管与附加气室接口之间设有不同孔径的节流阀片。为获取弹簧动刚度,试验中须测取弹簧的动载荷与变形。为此,在试验系统中将弹簧顶端固定,弹簧底端与能产生正弦激励的振动台相连,振动过程中分别利用拉压力传感器和位移传感器采集弹簧的动载荷和变形;用气压传感器测取弹簧内的气压大小。由传感器测取获得的气压、位移和拉压力信号经多通道数据采集卡传输到PC机。在Labview环境下开发了专用测试系统软件,用于试验过程的控制及数据的采集、显示与存储。试验系统结构如图1所示。1.2激励振幅试验为了分析空气弹簧动刚度的影响因素,分别将空气弹簧的振动频率、振幅、气室内初始气压、节流孔开度、附加气室容积等五个水平因素作为可变参数进行循环试验。激励振幅的设置和激励频率的改变可分别通过调节振动试验台偏心轮和变速电机的转速来实现,频率范围选择0.5Hz～8Hz,每次试验间隔0.5Hz,激励振幅设定为10mm和15mm。分别选择0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa(表压)作为弹簧初始工作气压,由空气压缩机经气阀充、放气来控制;附加气室容积大小和节流孔的开度大小分别通过更换容积大小不等的刚性容器及不同尺寸圆形孔径的节流阀片来实现。各试验因素水平值如表1所示。2试验结果及影响因素分析2.1弹簧动刚度的测定由于弹簧顶端固定,弹簧底端与产生正弦激励的振动台相连,所以弹簧的变形即为振幅固定的正弦振动,在各试验参数确定的前提下,所测得的动载荷亦为正弦周期信号,分别用位移传感器和拉压力传感器采集得到弹簧变形信号及动载荷信号并进行滤波处理,将处理后的动载荷最大值和最小值之差比上弹簧位移最大值与最小值之差即得到弹簧动刚度,每次试验得到一组试验因素下的一个动刚度值。图2、图3为某一组试验因素下(P=0.4MPa,f=1HzA=10mmd=10mmVa/Vs=1.5)测得的空气弹簧位移信号(由平衡位置弹簧底端向上压缩时为负值,向下拉伸时为正值)和动载荷信号的时间历程。2.2节流孔有效作用频率区间图4为弹簧初始气压等于0.3MPa(表压),容积比为1.5,节流孔直径为8mm,激励振幅分别为10mm和15mm时的弹簧动刚度随激振频率变化的曲线。由图可看出,在大约1Hz～4Hz频率区间,弹簧的动刚度随频率的增大而增大,当频率低于和高于这段频率区间时,弹簧动刚度分别保持最低和最高值基本不变,称这段频率区间为节流孔有效作用频率区间。由于弹簧振动频率会影响空气流过节流孔的流速,当频率较高时,节流孔口处气体流速加快而发生壅塞,流经节流孔的气体会减少或气体来不及通过,附加气室的作用不能发挥,所以弹簧的动刚度较大;而在较低频率下,气体流经节流孔时发生壅塞的机会就减少,气体能在主、附加气室间充分交换,弹簧动刚度降低。对于不同振幅下,在节流孔有效作用频率区间1Hz～4Hz内,较大振幅(15mm)所对应的动刚度要大于较小振幅(10mm)所对应的动刚度,而在节流孔作用频率区间之外,两者所对应的动刚度相差不大。弹簧振幅对弹簧动刚度的影响机理等同于激励频率对弹簧动刚度的影响,在相同频率下,振幅加大时流经节流孔的气体流速也相应增大,气体在节流孔口处发生壅塞的机会也增多,所以弹簧的动刚度变大。2.3激振频率对空气弹簧动刚度的影响图5描述了附加气室容积为空气弹簧工作容积1.5倍,节流孔直径为10mm,弹簧初始气压分别为0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa(表压)下空气弹簧动刚度随激振频率的变化曲线。由图可以看出,在各激振频率下,弹簧在较高初始气压下的动刚度明显高于较低初始气压下弹簧的动刚度。这是由于弹簧内压的升高会导致气体密度加大,气体分子间的作用力也增大,使得弹簧变形的难度加大,从而引起弹簧动刚度的增加。弹簧的初始气压实际上对应簧上静载荷,所以在保持弹簧工作高度不变的情况下,增加簧上初始载荷会使弹簧的动刚度增大。2.4振动频率的影响图6(a)、图6(b)两图均描述了不同节流孔开度下空气弹簧动刚度的变化规律。由图可知,节流孔对弹簧动刚度的影响主要体现在两个方面:首先,增大节流孔开度有利于降低弹簧动刚度,节流孔全闭合所对应的动刚度最大,随节流孔开度的增大,弹簧动刚度不断降低,为了更直观地描述这一规律,针对某一固定频率,绘出弹簧动刚度随节流孔开度的变化曲线[图(b)],可以看出,弹簧随节流孔开度的增大逐渐由最大动刚度降低到最小动刚度,之后基本保持不变。这种变化规律还受振动频率的影响,频率为1.5Hz时,随着节流孔开度的增大,弹簧动刚度逐渐降低,在节流孔直径大约为10mm处降到最小值;而频率为3Hz时,随节流孔开度的增大动刚度下降得更为缓和,在孔径约为15mm处降到最小值。第二方面是节流孔开度对节流孔有效作用频率区间的影响,在节流孔有效作用频率区间内,随着频率的增大,弹簧动刚度由最小动刚度逐渐趋向最大动刚度,弹簧动刚度开始上升时及到达最大值分别对应的振动频率均决定于节流孔开度,在图6(a)中,节流孔直径为3mm和6mm时,所对应的这段作用频率区间分别为0.5Hz～1.5Hz和1Hz～3.5Hz左右,当节流孔直径增大到10mm和15mm时,所对应的作用频率区间分别为1.5Hz～5Hz和2.5Hz～7Hz。节流孔开度较小时,弹簧动刚度开始升高的最小振动频率和到达最高动刚度的最大频率均较小,而节流孔开度较大时,这两个临界频率均变大。根据空气动力学理论,气体在流过节流孔时,其通流能力受到压力差、流速、节流孔形状、尺寸等多个因素的影响,同一激振频率下,节流孔孔径较小时,气体在节流孔口处更容易发生流动壅塞,所以弹簧动刚度也相对较高;而气流在较大节流孔口处受阻以至发生壅塞所需要的频率则更高些,因此节流孔开度增大所对应的有效作用频率区间也较高。当节流孔足够大时,节流孔对所流经气体基本没有阻碍作用,气体在两气室间能够完全交换,此时弹簧动刚度最小。2.5容积随容积变化的变化图7是节流孔直径为10mm、激振频率为1.5Hz、振幅为10mm条件下,空气弹簧动刚度在三种不同气压下随附加气室容积的增大的变化曲线。很显然,随着附加气室容积的增大,弹簧动刚度逐渐降低,但其变化率在附加气室容积较小时更为明显,随着附加气室容积的增大,曲线的下降率变得缓和,当附加气室大于弹簧工作容积2倍以上时,弹簧的动刚度便基本保持不变。因此,附加气室容积的设计可在空气弹簧容积2倍的范围内考虑,超过此范围,附加气室的变化对降低系统动刚度的作用不再明显。3带附加气室空气弹簧动刚度的影响因素建立了带附加气室空气弹簧振动试验系统,试验研究了空气弹簧动刚度的影响因素,由试验结果及分析得出如下结论:(1)弹簧振动频率和振幅、空气弹簧初始气压、节流孔开度和附加气室容积均是影响带附加气室空气弹簧动刚度的因