带附加空气室空气弹簧垂向刚度有限元分析

空气弹簧系统的结构和垂向特性研究作者：张配来源：《时代汽车》2020年第17期关键词：空气弹簧系统组成工作原理垂向特性1 引言随着我国动车组运行速度的提高，人们对列车运行安全性的要求也越来越高。

保障动车组行车安全的最关键技术为高速动车组转向架，其在列车运行中具有承载、导向、牵引、制动等作用，直接影响轮轨作用力与车辆的运行品质，而转向架的动力学性能直接取决于悬挂系统。

目前，动车组采用的悬挂系统由一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，如图1 所示。

其中，一系悬挂系统由钢弹簧和油压减振器组成，初步隔离轮轨之前的高频振动传向转向架;二系悬挂由空气弹簧系统组成，阻止了高频振动由转向架传向车体，使乘客乘坐舒适性明显提高。

所以研究空气弹簧系统的结构特点和垂向特性尤为重要。

2 空气弹簧系统的组成空气弹簧系统由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀和差压阀等组成，如图2所示。

两个空气弹簧分别坐落在构架左右两侧的侧梁上，对于无揺枕的转向架，构架的测梁或者横梁的部分密闭空腔用作附加空气室，扩大空气弹簧内容积。

高度控制阀安装在车体和转向架之间，主要是用来控制空气弹簧的高度，从而调整車体的高度。

它有三个通气孔，分别和空气弹簧、大气、列车管相通。

差压阀安装在两空气弹簧之间，当两空气弹簧的压差达到150Kpa 时，差压阀内部通道自动打开。

2.1 空气弹簧本体的结构空气弹簧本体由橡胶气囊和应急橡胶弹簧组成，橡胶气囊内的空气因为可压缩性可实现车体的减振效果，应急橡胶弹簧和实现车体的缓冲效果。

空气弹簧有三种结构类型：囊式、约束膜式、自由膜式。

囊式和约束膜式的性能较差，主要应用在低速列车上。

自由膜式的具有较低的垂向、横向、纵向刚度，并且具有较大的抗扭转变形能力，因此，国内动车主要采用自由膜式，自由模式的结构如图3 所示。

2.2 高度控制阀的结构高度控制阀一般由高度控制结构、进排气机构和延时机构等三部分组成，如图4 所示。

高度控制机构主要包括连杆套筒、连杆和主轴等组成，主要完成进排气的控制作用。

2019-3-4国家重点研发计划资助（项目编号：2017YFB1201200）陈戈（1994-），女，浙江金华人，中南大学硕士，研究方向：车辆结构强度、车辆系统动力学。

鲁寨军（1975-），男，湖南醴陵人，中南大学教授、博导，研究方向：车辆结构强度、车辆系统动力学。

［收稿日期］［基金项目］［作者简介］陈戈1，鲁寨军1，孔风2，方聪聪1（1.轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙，410075；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春，130062）基于ABAQUS 的动车组空气弹簧垂向静刚度特性有限元分析［摘要］动车组空气弹簧的力学特性往往具有较强的非线性与耦合性，涉及到几何非线性、材料非线性和接触非线性等问题，给计算分析带来了较大的困难。

为了准确获得动车组空气弹簧在工作过程中的垂向静力学特性，本文使用有限元软件ABAQUS 建立了动车组空气弹簧非线性力学仿真模型。

基于该模型对空气弹簧垂向静态刚度试验进行模拟，分析了初始内压、振幅、帘线角度和帘线间距对空气弹簧垂向静刚度的影响。

［关键词］空气弹簧；刚度特性；有限元；ABAQUS ［中图分类号］U266.2［文献标识码］A［文章编号］1671-5004（2019）02-0001-05Finite Element Analysis on Vertical Statics RigidityCharacteristics of EMU Air Spring Based on ABAQUSCHEN Ge 1,LU Zhaijun 1,KONG Feng 2,FANG Cong 1(1.Key Laboratory of Traffic Safety on Track,Ministry of Education,Changsha 410075,Hunan;Zhongche Changchun Railway Bus Co.,Ltd.,Changchun 130062,Jilin)［Abstract ］The mechanical characteristics of air spring of EMU often have strong nonlinearity and coupling,whichinvolves geometric non-linearity,material non-linearity and contact non-linearity,and brings great difficulties to calculation and analysis.In order to accurately obtain the vertical static characteristics of the air spring of EMU in the working process,the mechanical simulation model of the air spring of EMU is established by using the non-linear finite element software ABAQUS.Based on this model,the vertical static rigidity test of air spring is simulated,and the effects of initial internal pressure,amplitude,cord angle and cord spacing on the vertical static rigidity of air spring are analyzed.［Key words ］air spring;rigidity characteristics;finite element;ABAQUS引言空气弹簧是动车组悬挂系统的关键部件，能够保障车辆运行安全的稳定性，提高旅客乘坐的舒适度。

浅谈地铁车辆转向架二系悬挂方式摘要：对现代城市地铁车辆转向架二系悬挂采用空气弹簧的优势进行了分析，空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。

关键词：地铁车辆转向架空气弹簧优势1.概述现代城市地铁车辆不断地朝着高速化、轻量化以及低噪音方向发展，空气弹簧悬挂系统具有诸多钢制螺旋弹簧不具备的优点，因此在地铁车辆转向架中日益广泛地采用空气弹簧作为二系悬挂装置。

与空气弹簧相比，钢弹簧由于具有线性刚度特性，使其在地铁车辆上的应用受到限制，这主要有两方面的原因：1.1.在城市轨道交通领域钢弹簧不能够大幅度提高车辆悬挂系统静挠度以降低车体的自振频率，尤其是车辆的载客量较大时；1.2.城市地铁车辆的载客量大而且要求地板高度在不同载客量时基本不变，钢弹簧不具备这种特性。

总之，空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。

一般来讲，地铁车辆对空气弹簧的采用可以分为三个阶段：1.2.1.利用空气弹簧的垂向特性，提高车辆系统的垂向运行平稳性；1.2.2.空气弹簧的垂向和横向特性并用，取消转向架二系悬挂装置中的摇枕，简化转向架结构；1.2.3.充分利用大变位（包括扭转）、低横向刚度空气弹簧的三维特性，取消摇枕，彻底实现转向架二系悬挂装置的轻量化，同时使抗蛇行运动减振器的采用成为可能，可更好地协调转向架蛇行运动稳定性和良好的曲线通过性能之间的矛盾。

空气弹簧悬挂系统主要由空气弹簧、附加空气室、高度控制装置、差压阀等组成。

该系统的工作原理为：车辆静载荷增加时，空气弹簧被压缩使空气弹簧工作高度降低，这样高度控制阀随车体下降，由于高度调整连杆的长度固定，此时高度调整杠杆发生转动打开高度控制阀的进气机构，压力空气由列车风源通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧和附加空气室，直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时，空气弹簧伸长使空气弹簧的工作高度增大，高度控制阀随车体上升，同样由于高度调整连杆的长度固定，高度调整杠杆发生反向转动打开高度控制阀的排气机构，压力空气由空气弹簧和附加空气室通过高度控制阀的排气机构经排气口排入大气，直到高度调整杠杆回到水平位置。

空气弹簧刚度的精确仿真与解析计算研究
空气弹簧刚度的精确仿真与解析计算研究是一个非常复杂的工程问题,涉及到材料力学、流体力学、热力学和控制系统等多个学科。

目前,随着计算机技术的发展,基于数值模拟和计算流体力学(CFD)的方法已经成为研究空气弹簧刚度的最佳选择。

在数值模拟方法中,通常使用有限元分析(FEA)或数值模拟(DNS)等方法来模拟空气弹簧的刚度。

有限元分析是一种基于有限个单元进行计算的方法,DNS则是一种基于时间域模拟的方法。

这两种方法都可以用来计算空气弹簧的刚度,但结果可能会有很大的差异。

在解析计算方法中,可以使用方程求解器来求解牛顿第二定律和流体力学方程,从而获得空气弹簧的刚度。

然而,这种方法需要对空气弹簧的结构非常熟悉,并且需要处理复杂的非线性方程,因此一般适合于对空气弹簧的结构和应用有很深入的了解的情况下使用。

对于空气弹簧刚度的精确仿真和解析计算,可以采用多种方法进行研究。

首先,需要确定空气弹簧的结构和材料,并使用适当的数值模拟和解析计算方法来模拟空气弹簧的性能和行为。

其次,需要对不同的数值模拟和解析计算方法进行比较和分析,以确定哪种方法更适合特定的研究问题和数据。

最后,需要对所得结果进行验证和测试,以验证方法和结果的可靠性和精度。

总之,空气弹簧刚度的精确仿真和解析计算研究是一个复杂的工程问题,需要综合运用多个学科的知识和方法,才能够获得可靠的结果和深入的理解。

空气弹簧刚度计算空气弹簧是一种常用的弹簧形式，由于其具有结构简单、体积小、自重轻、刚度可调等优点，被广泛应用于工业生产和科研实验中。

空气弹簧的刚度计算是评估其性能和设计的重要步骤。

本文将从空气弹簧的基本结构、弹簧刚度计算公式、刚度影响因素等方面进行介绍。

一、空气弹簧的基本结构空气弹簧是由柔性材料制成的空腔，常用的材料有橡胶、聚氨酯等。

弹簧通过气体充填或排放来调节其刚度。

空气弹簧一般由两个折皱的圆柱形膜片组成，通过螺纹连接器连接形成一个闭合的腔体。

当气体进入空气弹簧时，膜片会受到气体压力的作用而扩张，从而增大空气弹簧的刚度。

当气体被排放时，膜片会收缩，降低空气弹簧的刚度。

二、空气弹簧刚度计算公式k=(P1-P2)/Δh其中，k为空气弹簧的刚度，P1和P2分别为气体进入和排放时的压力，Δh为膜片变形的位移。

三、刚度影响因素1.压力差（P1-P2）：气体充入或排放的压力差越大，弹簧的刚度越大。

2.膜片变形位移（Δh）：膜片的变形位移越大，弹簧的刚度越大。

3.弹簧的结构参数：包括膜片的直径、厚度、材料等。

膜片直径越大，弹簧刚度越大；膜片厚度越大，弹簧刚度越小；膜片材料的刚度越大，弹簧刚度越大。

4.环境温度：环境温度的变化会影响气体的体积变化，从而影响弹簧的刚度。

一般来说，温度升高，空气弹簧的刚度会下降。

四、实际应用空气弹簧的刚度计算可以通过实验测量得出。

通常，可以通过加载不同的压力和测量弹簧变形来获得刚度值。

此外，还可以通过数值模拟方法进行计算。

数值模拟可以采用有限元方法，将空气弹簧模型建立为一个弹性体模型，通过施加不同的载荷和观察弹簧的变形来获得刚度。

在实际应用中，空气弹簧的刚度会影响到各种机械装置的性能。

例如，空气弹簧可以用于减震系统，通过调节空气弹簧的刚度来实现减震效果。

空气弹簧还可以用于振动隔离系统，通过调节刚度来减小振动的传递，从而减少机械设备的损坏。

总结：空气弹簧的刚度计算是评估其性能和设计的重要步骤。

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。

带附加空气室空气弹簧垂向刚度有限元分析作者：胡维,魏道高,李宏玲,屠德新来源：《汽车科技》2011年第03期摘要：利用非线性有限元软件Abaqus建立带附加气室空气弹簧模型，通过理论计算和有限元分析，讨论节流孔径等对空气弹簧的垂直静刚度的影响。

研究结果表明：增加附加气室有利于降低系统刚度；节流孔小于5 mm，附加气室基本不起作用，大于20 mm，再增大孔径，弹簧静刚度影响不大。

关键词：Abaqus；附加气室；垂向刚度；空气弹簧中图分类号：U463.33+4.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）03-0015-05Finite Element Analysis for Vertical Siffness of Air Spring with Auxiliary ChamberHU Wei，WEI Dao-gao，LI Hong-ling，TU De-xin（School of Machinery and automobile engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）Abstract:A FEA model of air spring with auxiliary chamber was established with non-linear FEA software.Through theoretical calculation and finite element analysis，the influence of vertical static stiffness was discussed about the air spring of throttle orifice.The results of the study indicate that the system stiffness was reducing when it increased auxiliary chamber.when the diameter of orifice was less than 5mm，the auxiliary chamber was useless；When the diameter of orifice was more than20mm，it was little influence on the vertical stiffness of air sping.Key words:abaqus；auxiliary chamber；vertical stiffness；air spring带附加气室的空气弹簧就是在普通空气弹簧的基础上增加一附加气室，同时在下活塞上开一节流孔，当空气弹簧受到激励时，气囊和附加气室中的气体在压力差的作用下发生交换［１］。

基于有限元法空气弹簧参数对其垂向刚度的影响王海波;陈无畏;张良;吴宏攀【摘要】空气弹簧成为汽车悬架系统之中弹性元件,以其优良的减振性能在汽车、高速列车等悬挂系统中得到越来越广泛的应用.考虑其橡胶材料的非线性、气囊分层的非线性以及接触非线性等问题在ansys中建立空气弹簧有限元模型,并进行了垂向刚度静载荷模拟分析,通过了实验数据比较验证,然后对影响弹簧垂向刚度的参数一气囊内压、帘线角、帘布层厚度,帘布层层数进行分析,为空气弹簧性能的研究及新产品开发提供了一种较好的、经济可行的途径.%Air spring,which is an elastic component of suspension system has been widely applied in the suspension vf high-speed trains,automobiles because of its ascendant characteristics,air spring.Con-cerning the nonlinearity ofrubber ,nonlinearity of layered air spring as well as nonlinearity of the contact,a FEM model of the air spring was built with ANSYS.Then analysis is carried out in simulating static load of vertical stiffness of air spring, and validated through comparing with experimental data.Parameters influencing vertical stiffness of the spring such as inner pressure,cord angle,thickness of fiber layer as well as layers of the fiber layer are analyzed,which provides an economic and feasible method for the study of air spring performance and new product development.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)008【总页数】3页(P52-54)【关键词】空气弹簧;垂向刚度;气囊参数;有限元法【作者】王海波;陈无畏;张良;吴宏攀【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH16;U463.331 前言空气弹簧是在柔性封闭容器中冲入空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧[1]。