连接管路对附加气室空气弹簧刚度特性影响的试验研究

第 10期2013年 lO月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 51连接管路对附加气室空气弹簧刚度特性影响的试验研究孙丽琴，李仲兴，郭继伟(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)摘 要：带附加气室的空气弹簧系统中连接管路对系统特性有重要影响，搭建使用管路连接附加气室的空气弹簧刚度特性试验系统，在(0．5—10)Hz的激振频率激励下，采用四种不同管路内径、三种不同管路长度的连接管路，对空气弹簧特性台架进行试验，分析管路因素对弹簧特性的影响规律并探讨影响机理。试验结果表明：随着管路内径增大，系统刚度逐渐降低，当管路内径增大到一定值时，管路对空气弹簧刚度的影响比重变小；不同管路长度对系统动刚度的影响主要集中在低频阶段，在同一频率下，系统动刚度随管路长度增加而增大；最后，通过试验对连接管路两端主、附气室气压的幅值差和相位差进行分析，验证了不同管路内径及长度对空气弹簧系统动刚度影响的正确性。

关键词：空气弹簧；连接管路；附加气室；动刚度中图分类号：TH16 文献标识码 ：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0051—03Test Study of the Efect of Connecting Pipe on Dynamic Characteristicsof Air Spring with Auxiliary ChamberSUN Li-qin，LI Zhong-xing，GUO Ji-wei(School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 212013，China)Abstract：In view ofimportant influence ofair spring with auxiliary chamber connected with pipe，the test-platformfor thesystem is buih．The stifness characteristws ofair spring with 4 diferent pipe diameter，4 diferent pipe length in excitationfrequency range of (0．5-10)Hz o／'e tested。and influence principle ofpipe parameters on the characteristics ofspring andworkingmechanism are analyzed．The experime ntal results show that：as the connectingpipe diameter increases，the springdynamic stifness wil decrease correspondingly；however，when pipe diameter increases to口certain value，influenceproportion ofthe pipe for stifness wil become smaller；influence ofdynam ic stifness with diferent pipe length is mainlyconcentrated in the low frequeney stage，and the dynamic stifness increases as pipe length become larger in SOIFI~excitationfrequency．Data of amplitude diference and the phase diference between the，n chamber and auxiliary chamber areanalyzed bytest，and validity ofinfluence ofthe springdynam ic stifnessfor diferentpipe is verifed.

Key W ords：Air Spring；Connecting Pipe；Auxiliary Chamber；Dynamic Stifness1引言空气悬架系统中空气弹簧主要承受垂直方向的载荷，空气弹簧的垂向刚度是其重要的特『生参数。空气弹簧的刚度与空气弹簧的有效容积、初始气压、工作高度等因素密切相 -21。带附加气室空气弹簧是在空气弹簧的基础上增加附加气室，通过一管路将两气室相连，以此改变空气弹簧的有效工作容积，从而实现改变空气弹簧刚度，提高悬架性能的目的。“空气弹簧一管路一附加气室”系统中由于运用管路连接气室，空气弹簧在不同频率激励时，压缩空气将在气压差的作用下，在管路中产生振荡，对空气弹簧的刚度特性影响较大圈。

近年来，众多学者利用理论分析、试验研究等对此系统进行了研究，并取得了许多有价值的结论 。但由于此系统运动机理及动态特性的影响因素比较复杂，上述文献在建模过程中忽略了诸多因素，其中连接管路基本上简化为一个节流小孔，管路中产生的气体时滞效应以及管路对附加气室起限制作用的条件等无法从模型中体现。目前，有关通过管路连接附加气室的空气弹簧系统的动力学特性以及多种因素影响下变化规律的研究尚有待于进一步完善。本研究构建了运用管路连接附加气室的空气弹簧的动态刚度试验系统 ，通过试验分析了不同管径、管路长度下改变附加气室容积，以及初始气压对空气弹簧动刚度的影响规律，并通过空气弹簧与附加气室的气压变化的对比分析，对管路中气流的运动进行探讨。

2试验方案设计及试验系统构建2．1试验方案设计试验方案依据GB／I'13061—91《汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊》，确定选用Firestone：1R1A 390—295型空气弹簧，底座为圆柱形，初始容积 8．8L，附加气室采用钢板焊接的储气筒，管路使用专来稿日期：2012—12～14基金项 目：国家自然科学基金(51075190)；教育部博士点基金(20103227110010)；江苏省研究生培养创新工程基金(cxLx12-o656)作者简介：孙丽琴，(1979一)，女，江苏宜兴人，博士生，讲师，主要研究方向：车辆动态模拟及控制；李仲兴，(1963一)，男，上海市人，工学博士，教授 ，主要研究方向：车辆动态模拟及控制52 孙丽琴等：连接管路对附加气室空气弹簧刚度特性影响的试验研究 第 10期门的气动橡胶管，选取管路长度分别为0．8m，2m，4m，管路内径分别取 6mm，8mm，12ram，16mm和 20ram，由 INSTRON8800电液伺服激振系统向系统提供正弦激励，振幅 10mm，平衡位置设为空气弹簧的设计高度275mm。激振频率选取(0．5～lO)Hz，每间隔 0．5Hz采集一次数据。

在管路两端安装气体压力传感器，将管路的长度与内径作为可变参数，记录空气弹簧受激励过程中管路两端的实时气压值，研究气体在空气弹簧与附加气室之间流通时气压值的变化。

2-2试验系统构建带附加气室的空气弹簧系统试验台构建，如图1所示。主气室与附加气室各安装一个内径为 1”(备注 sI)的三通接头 ，用于安装管路和压力传感器 ，压力传感器所测数据作为主气室和附加气室的压力数据，并通过 NI数据采集系统结合 Labview软件采集。试验时将空气弹簧上盖板通过法兰盘固定在试验台架的横梁上，INSTRON8800电液伺服激振系统本身即可记录位移和载荷数据。

力图 1带附加气室空气弹簧试验系统Fig．1 Test Structure Diagram of Air Spring with Auxiliary Chamber3试验数据处理及结果分析对不同试验条件下得到的载荷数据进行处理，忽略该系统受到的干扰因素，空气弹簧设计高度处的动刚度表达式为 ：K F．删j6～ 1式中： 厂 动刚度，kN／m；‰ _规定振幅下的载荷幅值，kN；6 一规定振幅，m；得到系统动刚度后即可对试验结果进行总结研究，并分析不同因素对空气弹簧动刚度特性的影响规律。

3．1不同管径对空气弹簧动刚度的影响空气弹簧初始气压 0．15MPa，如图2所示。附加气室容积10L，不同管路内径对应的空气弹簧动刚度随激励频率变化的曲线。由图2可看出，对于固定的附加气室容积，空气弹簧的动刚度变化曲线趋势表现为 ：随管径增大而降低 ，随着频率的增加而增大，但增大的幅值不同；在较小管径下小于 12mm，空气弹簧动刚度在(2-3)Hz较低频率下就达到了较大值，随后趋于稳定 ，当管径大于某一值图中 16mm时，弹簧动刚度在中低频阶段小于5Hz维持在较低值，且变化缓慢；在高频阶段大于 8Hz时，各管径对应的动刚度均迅速增大，并趋向于无连接管路值。

Z 甚幅啦融频率(Hz)图2管路内径对空气弹簧动刚度的影响Fig．2 Stiffness Influence of Pipe Diameter结合空气动力学理论，气体在管路中流动时受到管径、两端压差等因素的影响。对于较大的管径，低频时，主、附气室间气体通过管路流通顺畅，交换较充分，增大了实际参与 作的气体总容积，弹簧动刚度较小；随着频率增加，同一管径下，气流流速加快 ，管路中气体分子间相互干扰加剧，壅塞效果越明显 ，阻碍了主、附气室问气流的交换，所表现出的动刚度值亦显著增大，附加气室内气体不能完全参与工作，管路限制了其对系统的作用效果，不再起到减小空气弹簧动刚度的作用。

以 12ram管径为例，当激励频率低于4Hz时，主、附气室间气流顺畅，空气弹簧动刚度变化缓慢，基本在 40kN／m附近；激励频率由4Hz逐渐变为 8Hz时，动刚度快速增大，从 40kN／m达到80kN／m左右，该频段为动刚度显著变化区间；当激励频率超过8Hz时，空气弹簧动刚度变化与无附加气室空气弹簧相近 ，主、附气室之间气体通过管路交换流动的现象不明显。由图可以还看出，当管径为 16mm和 20mm时，弹簧动刚度曲线接近，此时 ，管径大小对空气弹簧系统的动刚度变化的影响作用变小。

3-2不同管长对空气弹簧动刚度的影响基于上述管路内径对空气弹簧动刚度特性的影响分析结果(小于 16ram的管路内径对空气弹簧动刚度的影响较大)，在分析管路长度对空气弹簧动刚度影响时，选取管路内径 16ram的橡胶管，管长分别为 0．8m，2m，4m，附加气室容积为 10L，初始气压为0．25MPa，影响曲线，如图 3所示。

频率(Hz)图3管路长度对空气弹簧动刚度的影响Fig．3 Stiffness Influence of Pipe Length由图3可知，空气弹簧系统动刚度随激振频率增加而增大，同No．1O0ct．20l3 机械设计与制造 53一 频率下，随长度的增加而增大。在管路长度为 0．8m时，动刚度从最小值变化到最大值的频率区间为(1～8)Hz，当管路长度达到4m时，对应的频率区间为(0．5-4)Hz；管路长度对空气弹簧刚度的影响主要集中在中低频段(6 Hz以下)，而当频率增加到某一值时(图中约为8Hz)，空气弹簧系统动刚度趋于稳定(90kN／m附近)，该值为无附加气室空气弹簧的动刚度值。从气体动力学角度看，在同一激振频率下，随着管路长度的增加，气体流动距离加长，主附气室间的气体交换越来越困难，附加气室参与空气弹簧工作的容积也越来越小，对空气弹簧动刚度的影响也越来越小，表现为动刚度比用短管连接时的值要大，同时也表现为长管连接的弹簧动刚度由于上述原因，比短管连接易在较低的频率下迅速达到较大的刚度值。

4管路两端气压数据处理及结果分析通过上述分析可以看出，管路的内径与长度变化对空气弹簧的动刚度特性有明显的影响，为进一步揭示管路中气体在主气室和附加气室间流通对弹簧动刚度的影响，通过获取主、附气室在管路接口附近的实测气压值，进行试验数据处理分析。附加气室容积 10L，如图 4所示。正弦激励频率 6Hz，管路内径 16mm条件下，管路两端获得的气压数据。

图4主气室与附加气室气压数据Fig．4 Air Pressure in Main and Auxiliary Chamber从图4可看出，主气室气压与附加气室气压变化均遵循正弦变化，这与施加的正弦激励对应，但气压值之间存在幅值差和相位差，说明主气室与附加气室气压变化的不同步性，为了进一步分析管路两端气压值随振动频率的变化关系和验证管路对附加气室的限制作用，得到不同管路内径下两端气压的幅值差相位差，如图5、图 6所示。

由图5和图 6可知，气压幅值差和相位差随管径的减小而增大，内径较小的管路(小于 12mm)在低频时两端气压幅值差和相位差变化迅速，当达到某一频率后(约 6Hz)，两端气压差及相位差趋于稳定，且对于连接管径较小情况下 (6mm和 8mm)，在7Hz以后两个变量趋于相等，即两种管路下主副气室压力差相等，产生这种现象的主要原因是高频激励下气体流经管路时具有较高的流速，管路端口处的雍塞阻止了气体进入管路，使两端的气体参数不再随激励频率的增大而变化；另一方面，管路内径较大(16mm和 20mm)t~,J，幅值差和相位差的曲线在低频时具有较好的一致性 ，此后两条曲线的差别也比较小，两端气压相应较为灵敏 ，气体流动较为通畅，即 16mm和 20ram管路对带附加气室空气弹簧系统的影响较为一致，说明本试验系统中在管路内径大于 16mm时，管路不是限制附加气室使用的主导因素。气体流动的滞后性对空气弹簧的影响有待进一步研究，以揭示其对空气弹簧特性的影响机理。

堙粤频率(Hz)图 5不同管路内径时主、附气室气压幅值差Fig．5 Air Pressure Amplitude Difference of Main andAuxiliary Chamber in different Pipe Diameter频率(Hz)图6不同管路内径时主、附气室气压相位差Fig．6 Air Pressure Phase Difference of Main andAuxiliary Chamb er in different Pipe Diameter管路两端气压数据处理的分析结果与管路对空气弹簧动刚度特l生的影响的分析结果较为一致，从而验证了不同管路内径对空气弹簧动刚度狰『生影响的正确性。

5结论(1)搭建了使用管路连接附加气室的空气弹簧刚度特性试验系统，对使用不同管径 、不同管长连接附加气室空气弹簧系统动刚度进行了试验研究。

(2)对试验实测数据进行分析，结果表明：不同管径和不同管长、激振频率对空气弹簧系统动刚度均产生影响，管路内径越小，对空气弹簧动刚度影响越大，管路不同程度的限制了附加气室参与系统工作的使用，当管径增大到一定值时大于 16mm，对空气弹簧动刚度影响较小，同一频率下，管路越长，空气弹簧动刚度越大，较短的管长小于0．8 m，动刚度变化的频率范围较宽(1～8)Hz，说明短管能在较大频率范围内使附加气室参与工作。

(3)对管路两端主气室和附加气室气压的幅值差和相位差的分析，验证了不同管路内径对空气弹簧动刚度影响分析的正确性。各因素对空气弹簧动刚度的影响结果为连接管路的选取提供了依据。 (下转第 57页)No．100ct．2013 机械设计与制造 570．0l40．012O．O1000．008o．0060．oo4O．o02O．0oO0 5 l0 l5 20 25Axes图7多项插值曲线拟合背弧轮廓误差 △Fig．7 The Contour Error of the Back aye Profile Lineby the Polynomial Interpolation Curve Fitting7结论(1)针对于静叶片内、背弧型线的优化设计，采用三次样条曲线(c，型)去拟合所得到的轮廓误差更小且波动小，更为适合静叶片内、背弧型线的数学模型，更为准确的确定了型线的数学模型，而常用的多项式曲线拟合的轮廓误差波动很大，不具备连续的平滑。(2)由于数值计算中产生了随机误差、拟合中存在不等精度数值计算误差等，故三次样条曲线的拟合也存在误差，于是可接着研究在型线的优化中如何缩小误差，保证设计时型线的光滑性、连续性。

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