1、前言

當(dāng)前，我國(guó)正大力發(fā)展高速鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，對(duì)空氣彈簧無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量上都提出了很高的要求?？諝鈴椈墒氰F道車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的部件，它的力學(xué)性能極大的影響著列車(chē)運(yùn)行的舒適性。

本文瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)選取適用于運(yùn)行時(shí)速在160 ~ 200km的高速客車(chē)上的D580空氣彈簧為研究對(duì)象，采用CAD技術(shù)和非線性有限元分析技術(shù)，對(duì)該空氣彈簧進(jìn)行了較全面的靜態(tài)力學(xué)性能分析，討論了通過(guò)改變影響空氣彈簧力學(xué)性能的幾個(gè)主要參數(shù)，找出空氣彈簧力學(xué)性能的變化規(guī)律。從與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出本文采用的分析方法是切實(shí)可行的，并可為新型空氣彈簧的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2、CAD模型和有限元模型

本文所分析研究的D580空氣彈簧是在國(guó)外類(lèi)似產(chǎn)品基礎(chǔ)上，由鐵道部科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所自行開(kāi)發(fā)的自由膜式空氣彈簧。

該D580空氣彈簧主要由4部分組成，分別為上蓋板、支撐橡膠堆、本體橡膠膠囊和附加空氣室。圖1為其CAD模型，第一幅圖為空氣彈簧的本體總裝圖，第二幅為沿軸向剖開(kāi)后的示意圖?？諝鈴椈傻谋倔w通過(guò)管道連接到附加空氣室。

圖1 D580空氣彈簧CAD模型以及剖面圖

由于空氣彈簧的有限元分析比較特殊，涉及了有限元力學(xué)分析中的各類(lèi)非線性問(wèn)題。并要對(duì)空氣彈簧中的氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪M，這樣才可能得到有價(jià)值的結(jié)果?？紤]到本問(wèn)題的特殊性，所使用的有限元分析軟件必須是能很好的處理各類(lèi)非線性問(wèn)題，并且應(yīng)該有豐富的單元類(lèi)型來(lái)模擬復(fù)雜的模型，經(jīng)過(guò)慎重的篩選，本文采用了當(dāng)前國(guó)際廣泛應(yīng)用的ABAQUS有限元分析軟件。

因?yàn)榭諝鈴椈赡Ｐ途哂休S對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本文主要研究空氣彈簧的垂向和橫向力學(xué)特性，所以將空氣彈簧沿軸向剖開(kāi)，取一半建立有限元模型。

圖2 D580空氣彈簧的有限元模型

3、D580空氣彈簧ABAQUS計(jì)算模型

將空氣彈簧的模型分為四部分：膠囊部分，橡膠堆部分，流體部分，上、下蓋板剛體部分。具體見(jiàn)圖3

1. 流體單元部分，2.橡膠囊，3.上、下剛體蓋板，4.下座橡膠堆

圖3D580空氣彈簧ABAQUS計(jì)算模型

4、空氣彈簧的有限元計(jì)算結(jié)果與分析

圖4為附加氣室容積為70升，膠囊簾線排列角度為8°，空簧工作高度為210mm。膠囊內(nèi)壓500KPa的工況下，計(jì)算得到的空氣彈簧垂向位移-載荷計(jì)算結(jié)果。

圖4 垂向位移作用下的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力Von Mises云圖

當(dāng)膠囊內(nèi)壓從200~600Kpa時(shí)，相應(yīng)的載荷-位移變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 橫向位移作用下的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力Von Mises云圖

從圖5可知，垂向的位移和載荷大致成正比關(guān)系。隨膠囊內(nèi)壓的變化，垂向剛度不斷增大，所以，D580空氣彈簧的垂向性能是比較穩(wěn)定的，適應(yīng)載荷變化的范圍比較大。

相應(yīng)的對(duì)D580空氣彈簧的模型也進(jìn)行橫向的力學(xué)性能分析。圖5為計(jì)算得到的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力Von Mises云圖。計(jì)算得到的空氣彈簧橫向位移-載荷計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)的變化曲線如下，

圖6 橫向位移-載荷計(jì)算結(jié)果曲線

從圖6可以看到D580空氣彈簧的橫向力學(xué)基本性質(zhì)：隨著橫向位移的增大，空氣彈簧的反作用力加大，當(dāng)位移在50mm以下時(shí)，基本呈線性。但是，當(dāng)橫向位移超過(guò)50mm時(shí)，空氣彈簧的橫向剛度開(kāi)始減小。另外，當(dāng)膠囊內(nèi)壓增大時(shí)，空氣彈簧的橫向剛度也增大，這是與垂向性能一致的，從圖7中可以看出，空氣彈簧的垂向剛度隨膠囊內(nèi)壓的變化不大。

5、計(jì)算結(jié)果和分析

垂向力學(xué)性能計(jì)算和相應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果，具體工況為膠囊內(nèi)壓300 kPa、工作高度210 mm。

相同工況下橫向力學(xué)性能計(jì)算和相應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，所以分析的方法是合理的。在此基礎(chǔ)上，本文考慮了幾個(gè)空氣彈簧力學(xué)性能的主要參數(shù)對(duì)它的影響，希望作為設(shè)計(jì)新型空氣彈簧的理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)相同模型簾線角度的改變，得到了6和圖7中的曲線。

圖7簾線角對(duì)橫向剛度的影響

D580上蓋板裙邊的角度對(duì)空氣彈簧橫向力學(xué)性能有較大的影響。

當(dāng)有支撐橡膠堆時(shí)，垂向剛度為474 kN/m，橫向剛度為341.8 kN/m；當(dāng)沒(méi)有支撐橡膠堆時(shí)，垂向剛度為494 kN/m，橫向剛度為385.8 kN/m?？梢钥闯鱿鹉z堆對(duì)空氣彈簧的垂向和橫向剛度的影響分別達(dá)到了4.2 %和12.9 %。

從計(jì)算的結(jié)果并可以看出，膠囊簾線角度、上蓋板裙邊角度、附加氣室的容積和支撐橡膠堆是影響空氣彈簧力學(xué)性能的幾個(gè)主要因素。

6、結(jié)論

本文對(duì)空氣彈簧的非線性有限元分析主要有以下結(jié)論：

空氣彈簧處于正常工作高度時(shí)，膠囊內(nèi)壓增大，空氣彈簧橫向和垂向的反作用力也加大，其橫向和垂向的剛度也同時(shí)加大。

裙邊的角度從小到大時(shí)，空氣彈簧的垂向剛度會(huì)很緩慢地變小，而橫向剛度會(huì)急劇的增大，因此調(diào)整上蓋板裙邊角度是改變空氣彈簧橫向力學(xué)性能的非常有效的途徑。

空氣彈簧附加氣室的容積對(duì)垂向剛度有較大影響，而對(duì)橫向剛度影響較小。當(dāng)附加氣室容積比較小時(shí)，垂向剛度隨附加氣室容積的增大而減小得很劇烈，但隨著氣室容積的增大，其影響就變得越來(lái)越不明顯了。

空氣彈簧膠囊的簾布夾層簾線的方向、粗細(xì)、排列密度和簾布的層數(shù)一起決定了簾布夾層的力學(xué)性能。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)簾線角度從0°到45°時(shí)，橫向剛度不斷減小，垂向剛度不斷加大。

D580空氣彈簧的支撐橡膠堆對(duì)空氣彈簧的性能也是很關(guān)鍵的。一方面，橡膠堆與空氣彈簧膠囊耦合成串連彈簧，通過(guò)合理選擇兩者剛度可以為車(chē)體提供理想的懸掛剛度，尤其是空氣彈簧的橫向剛度。另一方面，橡膠堆還有安全保護(hù)功能，當(dāng)空氣彈簧膠囊破裂或產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏等意外情況時(shí)，橡膠堆可暫時(shí)地起到支撐和減振的作用，保障了客車(chē)的運(yùn)行安全。

相關(guān)閱讀：

（轉(zhuǎn)載）