科技创新 ２０１４年第７期Ｉ科技创新与应用 ＣＲＨ２动车组空气弹簧垂向力学性能分析 徐涛 王红 商跃进 （兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要：对ＣＲＨ２动车组空气弹簧非线性问题进行了分析，得到了材料非线性、几何非线性和状态非线性在仿真分析中的处理方 法。用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立了空气弹簧的有限元模型。计算了空气弹簧的垂向刚度，并分析了胶囊内气体初始内压、帘线角 度和下座橡胶堆对垂向刚度的影响。有限元计算结果显示，空气弹簧的垂向刚度随气体初始内压的增加而增加，随帘线角度的增 大而减小。 关键词：有限元法；ａｂａｑｕｓ；空气弹簧；垂向刚度 空气弹簧属于具有自适应性弹性元件，刚度可随载荷的变化而 衡，保证了乘坐舒适性。 适当调节＿ｌＪ。目前随着铁道车辆轻量化、高速化发展，空气弹簧发展 在本文研究中，假设胶囊内的气体为理想气体，并且温度是恒 与应用前景更为广阔了目。我国的ＣＲＨ系列动车组也均采用了空气 定不变的，即等温变化。由理想气体方程： 弹簧作为二系悬挂。在以往的研究中往往将胶囊内的气体压力简单 ＰＶ＝ｎＲ （４） 处理为胶囊内壁压力，本文在计算过程中采用空气单元模拟胶囊内 式中，Ｐ一气压，Ｖ一容积，ｎ一摩尔数，Ｒ一气体常数，Ｔ一温度。 空气。研究以ＣＲＨ２动车组空气弹簧为研究对象，采用ＡＢＡＱＵＳ有 由于本文分析中没有考虑节流阀的作用，所以胶囊内的气体质 限元软件分析其垂向刚度。 量不会产生变化，从而有ＰＶ＝常数。 １空气弹簧非线性成分分析 图１是一个流体单元，四个节点与其它单元的节点共用，随着 １．１橡胶材料计算模型 其它单元节点位置变化而变化。因此在计算中，由边界节点的位移 空气弹簧的胶囊是空气弹簧的主要承载部件，是由交叉的多层 可以得到某个单元的体积变化ＡＶ。为气囊内多有气体单元选取一 帘线层和橡胶层组成的复合材料结构，是典型的非线性材料。空气 弹簧中的下座橡胶堆部分和胶囊部分都采用了橡胶材料。 个参考节点，就可以得到胶囊内气体的变化量ＡＶ＝ＡＶ＝∑ＡＶｅ。ｔ３１１￣ｔ 在计算过程中假设空气弹簧系统中橡胶材料的体积是不可压 缩的，并且在实际情况下胶囊和橡胶堆的橡胶材料实际变形不是很 式（４）就有： Ｐ： 三 （５） 大，故可采用Ｍｏｏｎｅｙ—Ｒｉｖｌｉｎ模型。 Ｖ０＋ＡＶ Ｗ（ｈｌ２）＝Ｃ＊ｏ（ｈ一３）＋Ｃｏ１（１２—３） （１） １１＝ ２＋Ａ ２＋入； （２） 式中，ｖ 初始橡胶容积。 １．４接触问题 ，：＝ ＋ ｉ ＋ （３） 上下盖板和胶囊的接触对空气弹簧的力学性能有很大的影响 式中：Ｃ。。，Ｃ。 为超弹性材料参数；Ｉ１，Ｉ２为第１和第２应变常量； 。， ， 为３个主拉伸方向的伸长量。 １．２帘线的处理 研究空气弹簧胶囊铺层中的帘线层数为２层。帘布层作为空气 弹簧的主要承载部分，采用高强度的纤维尼龙材料。 在本文分析模型中，胶囊模型采用壳体单元，帘线层采用ｒｅｂａｒ 单元，帘线层相对于胶囊子午线方向分别成８。和一８。布置，帘线层厚 度为ｌｍｍ，帘线横截面面积为ｌｍｍ ，在壳体内的间距为３．５ｍｍ，ｒｅ— ｂａｒ单元材料选取１６Ｍｎ钢，杨氏模量为０．２１Ｍｐａ，泊松比０．３。 １．３气体单元 在动车组实际运行中，簧上质量的变化改变了胶囊的形状，进 而改变了胶囊内部气体的压力，从而实现支反力和载荷的动态平 ２空气弹簧的有限元模型 图１ ＡＢＡＱＵＳ中的气体单元 …………一… 一—理 癌 ：廿………一…………一 ｊ 她 ………… … … ……～～ … 一 糯孽麟莉 ｝国ｊ｝ 一…一 熙 … … 露黉 一¨ｎ … 一一 一 ～ 翳 图７距离计算与报警程序２ 图８倒车界面 汽车倒车时与障碍物距离和ＰＯ．５、Ｐ０．６、Ｐ０．７三路接收到的 但若将其他一些功能，如行车数据采集、显示等加入进去，便具有较 ＨＣ—ＳＲ０４发出的高电平时间成正比，因此只要分别测得每路接收 高的性价比，可有一定的可行性。 到的高电平时间即可计算出与障碍物的距离。 参考文献 距离计算与报警程序如图６和图７所示。 ［１］裴峰，汪翠英，张正华．虚拟仪器的数据采集方案探讨Ⅲ．现代电子 当汽车档位检测检测到档位为倒档时，启动倒车距离测试程 技术，２００５（１１）． 序，超声波测距模块ＨＣ—ＳＲ０４安装在汽车的正后方、左后方、右后 『２１范君乐，王竹林．基于ＤＡＱｍｘ系统的数据采集方法［Ｊ］．重庆工商学 方三个点，当某一个测试点与障碍物距离小于１米时对应的报警灯 院学报，２００６（６）． 进行闪烁报警。倒车界面如图８所示。 ［３博雯，徐洋，胡彬．虚拟仪器技术在汽车测试中的应用［Ｊ］．重庆工商 ３结束语 学院学报，２００９（７）． 使用计算机虚拟仪器进行汽车倒车报警设计上简单灵活，且具 作者简介：周全（１９８３，１０一），男，汉族，籍贯：安徽宿州，硕士学 有灵活的功能拓展性，但其缺点是需要借助上位机实施，较为不便， 位，讲师，研究方向：汽车电子技术。 一３３一
