三维刚度弹簧（精选6篇）
三维刚度弹簧 篇1
1 引言
圆柱螺旋弹簧是应用最广泛的一种弹性零件。作为弹性零件, 弹簧的工作载荷和切应力是人们首要关注的参数。但弹簧刚度 (载荷增量d F与变形增量df之比, 即产生单位变形所需的载荷) 及切应力计算公式较为繁琐, 不经常使用这两个公式的人难以记住, 往往要查《机械设计手册》等资料进行计算, 给实际工作带来很大的不便。
针对以上问题, 笔者研究了一种非常简单的计算方法, 该计算方法是把公式中的代数式赋予一定的含义, 通过假想的以材料直径、中径尺寸为边长的正方体体积和长方形面积计算, 使得枯燥的公式变成生动、形象的三维立体计算。
2 弹簧刚度计算
式中, p:弹簧的刚度;G:弹簧材料的切变模量;d:弹簧材料的直径, mm;D:弹簧的中径, mm;n:有效圈。
一般弹簧钢的切变模量G=7.88×104MPa, 则
我们可以把式 (2) 中的d4写成d·d3, 则式 (2) 可以写成
这样就可以把刚度看成与两个因素有关:一个是材料的直径d, 另一个是1000个以d为边长的正方体体积与若干个 (有效圈n) 以中径D为边长的正方体体积的比值, 把两者相乘即为弹簧的刚度。
3 切应力计算
式中, τ:切应力, kg/mm2;K:曲度系数 (静载荷可以取1) ;F:弹簧载荷, kg;d:材料直径, mm;D:弹簧中径, mm。
式中, p:弹簧的刚度, kg/mm;f:弹簧变形量, mm。
把式 (2) 和式 (5) 带入式 (4) 并简化得到
这样就可以把圆柱螺旋弹簧的切应力看成与两个因素有关, 一个是2546个以材料直径d和弹簧变形量f为边长的长方形面积, 另一个是若干个 (有效圈n) 以中径D为边长的正方形面积, 两者相除即为切应力。
因为正方体体积和正方形面积的计算是我们非常熟悉的。在弹簧刚度和切应力计算公式中引入体积、面积的概念使记忆变得容易, 计算快捷、方便。
4 结语
圆柱螺旋弹簧的刚度计算公式可以概括成一句话:即弹簧的刚度等于材料直径乘以1000个以材料直径为边长的正方体体积与n (有效圈) 个以弹簧中径为边长的正方体体积之比。
圆柱螺旋弹簧的切应力也可以概括为一句话:即圆柱螺旋弹簧的切应力等于2546个以材料直径和弹簧变形量为边长的长方形面积与n个 (有效圈) 以弹簧中径为边长的正方形面积之比。
需要指出的是, 一般弹簧钢的切变模量G=7.88×104MPa, 而不锈钢、铜等材料的切变模量比普通弹簧钢的切变模量小, 计算时应具体查看相应的参数。
参考文献
[1]汪曾祥, 魏先英, 刘祥至.弹簧设计手册[M].上海:上海科技文献出版社.1986.
[2]成大先.机械设计手册 (第1版) [M].北京:化学工业出版社, 2004:127-128.
斜力弹簧刚度分析 篇2
圆柱螺旋弹簧在工作中若受到的载荷方向与其轴线不一致, 不仅会引起弹簧轴向的位移变形, 还会导致弹簧有横向的位移变形, 形成一定的斜向位移。为探究斜力弹簧的刚度情况, 选取一端固定的圆柱螺旋弹簧结构为研究对象, 分析其在斜向载荷作用下的变化。
2 斜力弹簧刚度分析
如图1所示, 将力F正交分解可得:
轴向分力Fa=Fcosα;横向分力Ft=Fsinα
将弹簧在力F作用下产生的位移λ也正交分解可得:
轴向位移λa=λcosβ;横向位移λt=λsinβ
其中, α是载荷角, β是位移角。
对相应的刚度进行分析可得:
轴向刚度Ka=Fa/λa;横向刚度Kt=Ft/λt;
弹簧刚度K=F/λ= (Fa/λa) (cosβ/cosα)
据前式可推知:Ka/Kt= (Fa/Ft) (λt/λa) =cotαtanβ
将此式代入弹簧的刚度关系式可得:
考虑其它影响因素, 有刚度关系式:
式中, D2是中径;d是钢丝直径;H是计算高度;
旋绕比C=D2/d≥4;工作圈数n≥2;
切变模量G≈8×104MPa;H/D2≤3.5
使m=Kt/Ka, 据结构和功能的一般要求, 通常有0.0667
由图2~图7可见, 曲线整体上都是下降的, 基本是呈现两个阶段。m值较小时, 先陡降后缓降;m值较大时, 先缓降后陡降。m值很小时, 曲线向坐标轴渐近靠拢;m值很大时, 曲线趋向直线。
3 结语
由斜力弹簧的刚度关系式可知, C值对其影响较大, 在其它条件一定时, C值越小, 刚度越大, 但弹簧的内、外侧应力差会变大而使得卷制工艺复杂, 材料的利用率也会降低, 并且易在工作时引起较大的扭应力。另外, 一些表征弹簧结构和本身材质特性的参量也会直接或间接地导致刚度发生变化, 如D2、n、d、G等参量会有较为明显的作用。在工作条件下, 若载荷角α不大, 当横向刚度和轴向刚度的量值接近时, 弹簧较硬, 刚度稳定, 承载能力较强。
摘要：通过分析一端固定的圆柱螺旋弹簧在斜向载荷作用下的刚度情况, 建立起以载荷角为自变量的函数关系式, 并结合其具体关系曲线探究主要的影响因素。
关键词：螺旋弹簧,刚度,载荷角
参考文献
[1]邱宣怀, 郭可谦, 吴宗泽, 等.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 1989.
三维刚度弹簧 篇3
关键词：空气弹簧,有限元分析,垂直刚度特性
0 引言
作为重要的汽车弹性元件,空气弹簧采用夹有帘线的橡胶气囊内压缩空气的反力作为弹性恢复力,在载重车辆和高速客车中有着广泛的应用。在空气弹簧的相关特性中,垂直刚度特性对汽车整车性能的影响特别显著[1,2,3]。空气弹簧橡胶气囊的初始压力、帘线角和帘线层数是空气弹簧的三个重要参数,对空气弹簧的刚度特性有着重要的影响[4]。本文以某品牌的商用车自由膜式空气弹簧为例,通过ADINA非线性有限元分析软件对其静态垂直刚度特性进行了仿真分析,并对影响空气弹簧垂直刚度特性的各种主要参数进行了详细分析,得到一些有意义的结论。
1 空气弹簧的垂直刚度特性[5,6]
空气弹簧的支承和弹性作用的大小主要取决于空气弹簧内的压缩气体密度,因此空气弹簧的承载力F可表示为:
通过承载力F对弹簧行程s求导可得空气弹簧刚度k。
空气弹簧工作时其内部气体满足气体状态方程,即
将式(3)两边对弹簧行程s求导,得
公式(4)中“-”表示空气弹簧内气体压力与其容积成反向变化,在计算刚度时取其绝对值,其中。将公式(4)代入到公式(2)中,可得空气弹簧刚度的一般表达式为:
式中:k为空气弹簧刚度;pi为空气弹簧内气体工作压力;po为大气压力;n为气体的多变指数;Ae为空气弹簧有效承压面积;V为空气体积。
由公式(5)可知,影响空气弹簧垂直刚度特性的主要因素有空气弹簧的初始压力、分子运动过程、有效承压面积、底座的形状、辅助气室等。
2 FEA分析方法
本文采用ADINA软件进行有限元分析,ADINA作为通用的模拟计算工具,能分析应力、位移等复杂的非线性问题。大量的复杂问题都可以通过选项块的不同组合模拟出来[7]。采用ADINA进行有限元分析的基本步骤如下:
步骤1:使用前处理系统ADINA-AUI定义空气弹簧有限元模型;
步骤2:应用ADINA,ADINA-T,ADINA-F等求解器对空气弹簧模型实施数值计算;
步骤3:运行ADINA-AUI对上述计算结果进行处理。
3 基于有限元的垂直刚度特性分析
3.1 有限元模型的建立
首先,建立空气弹簧整体三维几何模型,对材料特性定义、单元组定义、网格划分、接触的定义、约束的定义、载荷的定义以及定义载荷的时间函数、时间步和步长,最后得到膜式空气弹簧的静特性有限元模型,如图1所示。
3.2 垂直刚度的有限元分析
3.2.1 不同初始压力下的空气弹簧垂直刚度特性
对自由膜式空气弹簧的模拟工况为:空气弹簧压缩到-10mm位移时,对有限元模型腔内分别设定0.3MPa和0.4MPa的初始压力,研究不同初始压力对空气弹簧垂直刚度特性的影响,应力和应变的云图如图2图5所示。
步骤1:外径分析
通过有限元分析计算获得空气弹簧橡胶气囊外径参考点处位移和最低参考点的计算数值,计算数值如表1所示。
由表1可知,空气弹簧橡胶气囊的外径与初始压力进行同向变化,即:其轴向变化量随着初始压力的增加而增大,这与空气弹簧实际的工作状态相一致。
步骤2:应力应变分析
在不同初始压力下,通过对空气弹簧产生的应力和应变的云图分析,橡胶气囊最大应力值和最大应变值如表2。
由表2可知,空气弹簧橡胶气囊的应力值和应变值与初始压力同向变化,这与空气弹簧实际的工作状态一致。且其理论变形情况与空气弹簧的实际变形情况相吻合,即建立的模型是正确的。
3.2.2 不同帘线角的空气弹簧垂直刚度特性
当自由膜式空气弹簧中的气体达到一定压力后,橡胶气囊在横向、纵向将产生相应的变化。另帘线角度分别为0°、45°、65°和90°时,研究橡胶气囊外径和轴向伸长量在不同帘线角度时的变化情况。
步骤1:外径分析
在相同初始压力、相同位移的情况下,随着帘线角的变化,通过有限元分析计算获得空气弹簧橡胶气囊外径参考点处位移和最低参考点的计算数值,计算数值如表3所示。
由表3可知,当帘线角度由45°增加65°时,在相同的初始压力和位移下,橡胶气囊外径变化为0,轴向变化量逐渐减小,弹簧垂直刚度逐渐增加。这说明了,当帘线角度发生变化,而帘线层的其它几何参数不变时,橡胶气囊外径的伸缩量变化不大。
步骤2:应力应变分析
通过对空气弹簧产生的应力和应变的云图分析,橡胶气囊最大应力值和最大应变值如表4。
由表4可知,当帘线角度由45°增加65°时,在相同的初始压力和位移下,橡胶气囊的最大应力值逐渐减小,其垂直承载能力逐渐增加,垂直刚度也在逐渐增加。
3.2.3 不同帘线层数的空气弹簧垂直刚度特性
在相同初始压力、相同位移和相同帘线角的情况下,以1层帘线层为研究对象与2层帘线层作比较。
步骤1:外径分析
通过对不同帘线层数对空气弹簧外径变化量和轴向伸长量的曲线图的分析,空气弹簧橡胶气囊外径参考点处位移和最低参考点的变化曲线如图6图9所示。
计算获得空气弹簧橡胶气囊外径参考点处位移和最低参考点的计算数值,计算数值如表5所示。
由表5可知,当帘线层的1层和2层处于压缩状态时,空气弹簧的外径变化量逐渐减少,即空气弹簧的垂直刚度逐渐增加,这与空气弹簧在工作状态下的实际变形情况一致。
步骤2应力应变分析
通过对空气弹簧产生的应力和应变的云图分析,橡胶气囊最大应力值和最大应变值如表6.
从表6可知,在同一工作行程下,橡胶气囊所受应力随着帘线层数的增加而减小,即:帘线层数的增加,空气弹簧的垂直刚度也随之增加。根据车辆使用性能的要求,在橡胶气囊制造过程中采用不同帘线层数会获得不同的弹性特性。在相同的初始压力下,2层帘线层的应力值比1层帘线层的应力值小。因此,空气弹簧气囊满足强度要求时,其帘线层数一般选2层。
4 结论
本文通过ADINA有限元分析软件对空气弹簧的静态垂直刚度特性进行了数值模拟。讨论了空气弹簧垂直刚度特性在不同的初始压力、帘线角度和帘线层数的情况下变化的趋势,得出如下结论:1)当初始压力和位移不变,帘线角度增加时,橡胶气囊外径基本保持不变,轴向变化量、最大应力值都逐渐减少,即:空气弹簧的垂直刚度逐渐增加,且橡胶气囊外径变化不明显,满足橡胶气囊的使用强度。2)在同一工作行程下,随着帘线层数的增加,橡胶气囊所受应力逐渐减小,即:空气弹簧的垂直刚度逐渐增大。因此,空气弹簧气囊满足强度要求时,其帘线层数一般选2层。
参考文献
[1]陈灿辉,等.汽车悬架用空气弹簧的非线性有限元分析[J].汽车工程,2004,26(4):468-471.
[2]王福天,等.康迪泰克空气弹簧系统及其在铁道车辆上的应用[J].铁道车辆,2002(11):11-14.
[3]方瑞华,等.空气悬架理论及其关键技术[J].同济大学学报,003,31(9):1072-1076.
[4]李芾,等.车辆空气弹簧动力学参数特性研究[J].中国铁道科学,2003(10):91-95.
[5]何锋,等.商用车空气悬架关键技术分析[J].农机化研究.2005,(2):236-240.
[6]何锋,等.商用车空气悬架的研究现状及关键技术[J].机械制造,2005,4.
三维刚度弹簧 篇4
1 理论分析
从板弹簧弯曲刚度计算公式B=b×h3×E÷12可知：弹簧刚度B与弹性模量E和板料宽度b成正比，与板料厚度h立方成正比。由此可见影响弹簧刚度的决定因素是板料厚度。
以板厚h=5mm为例，GB709-88中板厚公差为+0.20/-0.50，假设其弹性模量E和板料宽度b均在理想状态(无偏差)情况下：板厚在上差5.2mm时，刚度B超过名义刚度值12.5%;板厚在下差4.5mm时，刚度B低于名义刚度值27.1%。弹簧刚度要求为：名义刚度值±10%。由此可见，板料厚度的偏差是弹簧刚度不合格的主要原因。
2 数据分析
分析弹簧刚度不合格的原因首先应从测量弹簧刚度和板料厚度着手。逐批逐件测量板簧厚度，分组分批测量弹簧刚度。
弹簧刚度要求为：名义刚度值±10%;
实际刚度最大误差：-30%;
实际刚度平均误差：-17.5%(超下差7.5%)。
板簧厚度测量结果见表1。
表1数据是由34炉热处理板弹簧逐件测量值总结而出。从中可以看出弹簧的实际板厚多数处于或低于标准的下偏差，这与刚度70%不合格相一致。弹簧料为热轧高温合金板材。
通过对汽封弹簧长期进行逐件测量板厚，再按板厚分组测量弹簧刚度，发现：汽封弹簧厚度小于5mm，实际板厚公差在+0.05/-0.10;汽封弹簧厚度大于5mm，实际板厚公差在+0.10/-0.20的弹簧刚度均合格。
3 结论
由上述分析可见，汽封弹簧刚度不合格的主要原因就是弹簧板厚误差过大所致;将弹簧板厚磨至名义厚度±0.05mm，可保证弹簧刚度合格。
摘要：阐述了影响汽轮机组中拱形汽封弹簧的刚度不合格的主要原因。经过理论分析和大量试验数据积累, 总结出确保刚度合格的板厚公差范围。
三维刚度弹簧 篇5
机械设计中常采用优化设计方法,既可减轻机械设备自重、降低材料消耗与制造成本,又可提高产品质量与工作性能,还能大大缩短产品设计周期。弹簧是机械设备中常用的弹性元件,其性能直接影响机械装置及机构。目前在机械设计尤其汽车制造业中常用到非线性弹簧即变刚度弹簧。变刚度弹簧主要有:变螺距、变直径、变螺距变直径的双变弹簧等。
本文仅分析第一种情况:变螺距螺旋弹簧,也即螺旋角变化的弹簧,如图1所示。工程上常用的变螺距螺旋弹簧如气门弹簧一般由两段或三段不同参数的等螺距螺旋弹簧构成,功能等同于若干等螺距弹簧的串联。目前汽车上很多弹簧如悬架弹簧、气门弹簧等都是采用变螺距弹簧,对其进行优化设计研究,具有重要的实际意义。
本文运用VB和MATLAB软件对一般变螺距螺旋弹簧进行了多目标优化分析,并将优化结果传递至UG/Grip实现了该弹簧的参数化实体建模,为弹簧的后续分析如有限元分析等提供条件。
2 建立变刚度圆截面螺旋弹簧优化设计数学模型
2.1 确定设计变量
取弹簧丝直径d、弹簧中径D和螺距不同的每段弹簧的工作圈数n1为最优化设计的设计变量。
其中j为螺距不同的弹簧段数,一般为2或3段。
2.2 建立目标函数[1,2]
实际的工程优化问题大多数是多目标优化问题,在弹簧设计中,除了要求满足一些基本的功能外,还希望其使用寿命长,不产生永久变形,满足质量轻、体积小等要求,这是典型的多目标优化。本文以疲劳安全系数尽可能大和质量尽可能小为设计目标,拟利用MATLAB优化工具箱中多目标优化函数来解决该问题。
目标函数为:
式(1)和式(2)中:
ni为i=0时为弹簧总支承圈数,i=1,…,j时为该弹簧螺距不同的每段弹簧的圈数;ρ为弹簧钢丝材料密度;τmax为最大应力,,Fmax为弹簧所受最大轴向工作载荷,为曲度系数;τmin为最小应力;τ0为弹簧材料的脉动疲劳极限。
2.3 确定约束条件
约束条件根据弹簧的实际需要来确定,本模型假设螺旋升角αi≤9°,建立以下约束[1,2]:
[τ]:许用切应力。
(3)刚度约束:在弹簧出现并圈前,相当于j根不同刚度的弹簧串联,即:
其中第i段:,G为材料剪切模量。
(4)疲劳强度约束:
Sp:许用安全系数。
(5)最大变形量约束:
大部分弹簧都要承受周期性载荷,因此如果载荷的频率和弹簧的自振频率相重合或接近时,就会产生共振,从而使应力急剧增加。变螺距螺旋弹簧由于其刚度变化,对消除和减缓共振尤其是振颤很有效,所以对此类弹簧不另施加共振约束。
3 变刚度圆截面螺旋弹簧多目标优化设计的实现
在VB中开发人机交互界面进行弹簧参数的输入,实现对弹簧相关数据的查询与管理,将数据传递至利用MATLAB优化工具箱开发的多目标优化程序spring.m,调用由其生成的可执行程序实现优化,优化结果保留至文本文件中,UG/Grip调用优化设计结果进行参数化实体建模。系统框图如图2所示。
弹簧的多目标优化是通过调用MATLAB的多目标优化函数x=fgoalattain(fun,x0,goal,weight,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon)来实现的,其参数weight=[Wi],Wi(i=1,2)为加权因子,2个优化目标重要程度的不同可由加权因子的取值决定,用户可以根据自己的实际需要进行调整。
系统部分程序如下:
主函数:
function fgoal
……
%调用MatLAB多目标优化函数[3]
%优化结果保存至.dat文件中供UG实体建模调用。
其中ff为目标函数:
nonfun为约束函数:
将fgoal.m用以下命令生成VB中可直接调用的可执行文件fgoal.exe,
运行优化程序后,计算出的设计变量是连续型的,为了使之成为实用最优解,有必要对优化结果进行圆整,圆整后对其进一步计算,得到各参数最优值。
4 变刚度螺旋弹簧参数化实体建模
4.1 正确传递数据
4.2 参数化实体建模[4]
实体建模的关键是首先构造出整个弹簧的螺旋线,然后用两个长方体与之在正确位置相减,即可得到需要的弹簧实体模型。
弹簧活圈螺旋线的程序实现:
5 应用实例
图1所示为某摩托车进气门弹簧,由两段螺距不同的弹簧组成,弹簧钢丝材料为55CrSi钢丝,工作行程δ=7.65mm,Kmin=42.75N/mm,Kmax=45.75N/mm,有效圈数,支撑圈数n0=2,最大载荷Fmax=550N,初始载荷Fmin=200N,第一段螺距t1=4.2mm,第二段螺距t2=5.8mm,喷丸处理。现按质量尽可能小和安全系数尽可能大设计该弹簧,要求弹簧中径10≤D≤25,弹簧钢丝直径2≤d≤5。
在图3所示界面将已知数据依次输入,通过对材料的选取,程序根据已经建立的数据库文件自动获得该类材料的相关数据。
调用已经生成为可执行程序的优化程序,得到优化结构。可见该弹簧设计达到了质量减少,安全系数增大的目的。如表1所示。
通过UG/Grip读取优化后的弹簧参数,在UG中得到该弹簧的实体建模。
6 结论
(1)应用VB的界面友好及数据管理功能,开发出该优化系统的主界面,实现了数据的输入与管理;完成了优化程序和实体参数化建模程序的调用。
(2)利用MATLAB优化工具箱,实现了变刚度螺旋弹簧多目标优化。其方法简单易用且设计效率和质量都有较大的提高,可以帮助设计人员有效地提高设计水平,缩短设计周期。
(3)在UG中利用UG/Grip语言二次开发实现了该变刚度螺旋弹簧的参数化实体建模,为弹簧的有限元分析等提供了前提条件。
参考文献
[1]汪曾祥,魏先英,刘祥至.弹簧设计手册[M].上海:上海科学技术文献出版社,1986.
[2]成大先.机械设计手册(单行本)弹簧起重运输件五金件[M].北京:化学工业出版社,2004.
[3]王正林,刘明.精通MATLAB7[M].北京:电子工业出版社,2006.
[4]王庆林.UG/open GRIP.实用编程基础[M].北京:清华大学出版社,2002.
[5]郑小军,徐新,王涛.基于MATLAB软件的减振弹簧多目标优化设计[J].轻工机械,2009,27(2):60-61.
三维刚度弹簧 篇6
关键词：空气弹簧,附加气室,动刚度
1 引言
野战条件下,伤员运输车辆在前沿抢救运送伤病员时路况恶劣,车辆在行驶过程中因路面不平度的变化等各种内外激励作用,极易产生整车和局部的强烈振动。为尽量减少路面不平度所造成的振动和冲击,将车辆的振动控制在最低水平,提高伤病员的乘卧舒适性和救治效率,对固定担架的支架进行适当的二次减振非常重要。传统的担架支架减振装置主要由橡胶、塑料等制成的普通元件组成,难以实现较低的固有频率,并且刚度不可调节。空气弹簧是一种在柔性密闭橡胶气囊中冲入压缩空气(≤0.7 MPa),利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件,具有缓冲、隔振、降噪、行程控制和动作执行等功能[1,2,3,4]。空气弹簧的振动固有频率较低,且不同载荷下几乎保持不变。作为减振元件,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;可承受轴向载荷和径向载荷,具有相对较好的缓冲减振效果;还具有安装高度低、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。为了揭示带附加气室空气弹簧动刚度的影响因素,本文通过试验对其进行研究,并分析其影响机理,为带附加气室空气弹簧在伤员运输车辆上的运用提供理论依据和技术支持。
2 带附加气室空气弹簧动刚度特性
空气弹簧动刚度是指弹簧在动态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。动态刚度的改变影响到车体振动的衰减特性,从而影响到簧上担架的舒适性。带附加气室空气弹簧的动刚度近似计算公式为[5]:
式中,p为空气弹簧工作时的相对气压,MPa;pa为大气压力,取0.1 MPa;V为空气弹簧工作时的容积,m3;Vf为附加气室的容积,m3;m为多变指数(车辆运行时1
由(1)式可看出,当增加附加气室后,空气弹簧的动刚度会随之减小,增大附加气室容积与减小初始气压均会降低其动刚度。空气弹簧受激励作用发生振动时,空气弹簧内的气体容积发生变化,引起压力的变化。气囊与附加气室之间产生的压力差迫使气体通过节流孔进行流动。当气囊压缩时,气体由气囊流向附加气室;当气囊拉伸时,气体由附加气室流向气囊,这均会有效降低振动时空气弹簧的刚度[6,7,8,9]。式(1)中说明了空气弹簧动刚度随初始气压、附加气室大小、气囊体积与受力面积的变化率之间的关系。但影响其动刚度的因素并不止此,以下通过试验研究初始气压、激振频率、激振振幅、节流孔径对带附加气室空气弹簧动刚度的影响。
3 试验研究
3.1 试验装置及方案设计
采用振动试验台为长春试验机研究所研制的SDS-20型,其技术指标为:最大动负荷:±20 kN,负荷精度:±1%,额定位移:±100 mm,位移精度:±1%F.S,试验最小稳定速度:0.000 34 m/s,试验最大峰值速度:1.5 m/s。
空气弹簧通过夹具与振动试验台相连,通过导管与附加气室相通,并在两气室间设有节流孔。空气弹簧的工作高度限制在60 mm,其顶部与试验台上夹头连接固定,底部随试验台作不同频率(1~8 Hz)、不同振幅(5~11 mm)的正弦振动。空气弹簧动载荷由负荷传感器测量,振动台的位移由位移传感器测量。在空气弹簧的主、附气室分别安装了气压计,用来监控主、附气室的压力变化。所有的测试信号经A/D转换、数字滤波后存入计算机。现场试验装置图如图1,试验装置原理图如图2。
3.2 实验过程
将空气弹簧与附加系统连接充气至初始气压后,断开气源;振动台对空气弹簧施加不同频率、振幅下的正弦位移激励,然后改变初始气压重复试验,最后改变节流孔径,记录在不同节流孔径(4、5、6、7 mm)、初始气压(0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 MPa)、振幅(5、7、9、11 mm)、频率(1、2、3、4、5、6、7、8 Hz)下的力和位移信号,得到力—位移曲线。
3.3 动刚度计算
由试验获得力—位移曲线后,可求得带附加气室空气弹簧的动刚度,其计算方式为[10]:
式中,Kd为空气弹簧的动刚度,kN/m;2P0为载荷跨度,kN;2X0为最大变形量,m;为变形为零时的载荷差,kN。
图3为由力——位移曲线计算动刚度的原理图。
3.4 试验结果分析
图4为当节流孔孔径为5 mm、激振频率为2 Hz时,不同振幅下空气弹簧动刚度随初始气压的变化曲线。由图可看出,随着气压增大,空气弹簧的动刚度随之增大,并且在相同气压下,随着振幅的增加,其动刚度也随之增大。这是因为空气弹簧初始气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。振幅加大时,流经节流孔的气体流速也相应增大;由于节流孔较窄导致气体在气囊与附加气室间流动不充分,空气弹簧的动刚度也变大。
图5为当节流孔孔径为5 mm、初始气压为0.2 MPa时,在不同振幅下空气弹簧动刚度随激振频率的变化曲线。由图可看出,随着激振频率的增大,空气弹簧的动刚度随之增大,但在8 Hz附近时,曲线接近平缓,表明动刚度变化不大。而随着振动幅值的增大,其动刚度也随之增大。在低频(1 Hz左右)及高频(8 Hz左右)时,各振幅下的动刚度增量不大。由于弹簧激振频率会影响空气流过节流孔的流速,当激振频率较小时,空气弹簧容积变化缓慢,压力变化较小,气囊与附加气室之间气体交换比较充分,空气弹簧动态刚度较低;当频率较高时,节流孔口处气体流速加快而导致流经节流孔的气体会减少或气体来不及通过,气囊与附加气室间气体交换不充分,所以弹簧的动刚度较大。
图6为在不同孔径下动刚度随初始气压变化图。在同振幅、频率时,节流孔径的增大(由4 mm增大至7 mm)会导致动刚度的减小。节流孔的增大会导致单位时间内气体的流量增大,即由气囊与附加气室之间的气体交换速度加快,气体交换更加充分,空气弹簧动刚度随之减小。
4 结论
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(8 Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。在节流孔孔径4~7 mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小。通过各试验结果图表,明显可以看出,带附加气室的空气弹簧动刚度较小,尤其是在低频时,动刚度处于较低水平。因此,若在伤员运输车上安装带附加气室的空气弹簧减振装置,将大大提高伤员搭乘的舒适性,具有较好的应用前景。
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