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(1.河南省機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450002; 2.鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 451482)

動力穩(wěn)定車旁承動態(tài)特性研究

李勝軍1,劉光偉2,李曉鵬1

(1.河南省機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450002; 2.鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 451482)

在研究動力穩(wěn)定車整體性能中，旁承動態(tài)特性是其關鍵因素之一。在確定了旁承橡膠彈簧的本構參數(shù)下，建立了旁承的有限元模型，并基于動態(tài)特性分析研究了其垂向的動態(tài)特性。研究結(jié)果表明，不同載荷和頻率組合下，旁承橡膠彈簧常數(shù)及內(nèi)部阻尼動態(tài)特性呈現(xiàn)非線性變化，為旁承優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

旁承；有限元分析; 動態(tài)特性

0 引言

橡膠材料在國民經(jīng)濟生活中占有重要地位，具有廣泛用途[1]。橡膠材料顯著的高彈性和非線性運用到車輛設計中，可以很好地滿足車輛的需要[2]。國內(nèi)外對此進行了研究[3-5]。但在鐵路車輛應用橡膠彈簧研究其非線性特性還不夠深入。因此，以旁承彈簧為研究對象，通過實驗確定其本構參數(shù)，運用非線性分析研究其動態(tài)特性，為后續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 旁承彈簧本構參數(shù)的確定

在橡膠材料的模型中，Moony-Rivlin模型以及Ogden Model使用較為廣泛[6]。因此，以Moony-Rivlin模型建立旁承彈簧的模型。通過計算公式可得其變形能量密度參數(shù)[7]，即

(1)

(2)

2 有限元模型的建立

旁承橡膠彈簧在彈簧座內(nèi)工作，其上裝有止推盤和尼龍摩擦板。當彈簧頂蓋受壓向下運動時，可看作是一較柔的剛度特性；當向下壓縮到一定程度時，彈簧膠體和彈簧座內(nèi)壁開始接觸，可看作一較硬的剛度特性。旁承結(jié)構如圖1所示。

圖1 旁承結(jié)構

鑒于旁承橡膠彈簧的受力對稱性。選取1/2進行簡化，簡化后旁承模型如圖2所示。其參數(shù)為：

ρ=1155 kg/m3；泊松比μ=0.499；C10=1MPa；C01=1.65 MPa。其余ρ=7 850kg/m3；E=2.1×e11Pa ，泊松比μ=0.3。

有限元網(wǎng)格如圖3所示。彈簧底面完全約束，并在接觸的地方建立接觸對。

圖2 簡化后旁承模型

圖3 旁承有限元網(wǎng)格

3 旁承動態(tài)特性研究

3.1 旁承動態(tài)特性研究方法

橡膠減震器研究與傳動振動隔離運動不同，其阻尼力與振動速度不完全成正比，而具有滯后性質(zhì)。所以，采用復剛度K*表示[8]，即

K*=K′+jK″=K′(1+jη)

(3)

K*為復剛度；K′為存儲彈簧常數(shù)；K〃為損耗彈簧常數(shù)；η為損耗系數(shù)；η=K〃/K′。復剛度的模又稱為絕對彈簧常數(shù)，其值為：

(4)

采用非諧振法研究其動態(tài)特性得其系統(tǒng)模型如圖4所示[9]。其運動方程為：

(5)

圖4 系統(tǒng)物理模型

F(t)分解為X同相的Fa和異相Fb1，則：

(K′-Mω2)X+jK″X=Fa+jFb

(6)

由式(6)可得：

(7)

當力F和位移X間的相位角為φ時，有

(8)

將式(8)代入式(7)得：

(9)

F為正弦激勵動力幅；X為位移響應幅值；φ為同一時間內(nèi)載荷超前位移的相位角。從載荷超前位移響應的時間差Δt求得φ=360°Δt/T，T為激勵力周期；ω為激勵頻率；M=5.76 kg為系統(tǒng)當量質(zhì)量。

3.2 旁承動態(tài)特性分析

用動態(tài)非線性分析方法來研究旁承動態(tài)特性。在模型中加入正弦激勵。分2種工況研究：

a.頻率為定值40Hz，動力幅值不斷變化，變化范圍為1000～10000N，增量為1000N。

b.動力幅為定值10000N，頻率不斷變化，變化范圍為40～80Hz，增量為5 Hz。

由圖5，圖6可以看出，在頻率不變，動力幅值變化的情況下，存儲彈簧常數(shù)K′呈現(xiàn)增長趨勢，損耗彈簧常數(shù)K″、相位角φ呈現(xiàn)下降趨勢，而絕對彈簧常數(shù)|K*|呈現(xiàn)增長趨勢。當動力幅值不變時，頻率變化時，由圖7、圖8可以看出，存儲彈簧常數(shù)K′、損耗彈簧常數(shù)K″、相位角φ以及絕對彈簧常數(shù)|K*|都呈現(xiàn)增長趨勢，并都具有明顯的非線性特性。

圖5 相同頻率作用下K′和K″ 隨動力幅變化曲線

圖6 相同頻率作用下φ和|K*|隨動力幅變化曲線

圖7 相同動力幅作用下K′和K″ 隨頻率變化曲線

圖8 相同動力幅作用下φ和|K*|隨頻率變化曲線

4 結(jié)束語

分析結(jié)果可以得出，2類工況下，絕對彈簧常數(shù)|K*|的變化具有相似的過程，它表明旁承內(nèi)部阻尼特性隨頻率和動力幅值而變化的本質(zhì)關系；一方面是存儲彈簧常數(shù)K′、損耗彈簧常數(shù)K″的變化；另一方面是相位角φ的變化，不同的載荷、頻率組合下，發(fā)生變化的值不同。

[1] 秦懷德,武冠英.合成橡膠[M],北京:化學工業(yè)出版社,1988.

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[6] 何 濤,楊 競.ANSYS10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[7] 李方澤,劉馥清,王 正.工程振動測試與分析[M].北京:高等教育出版社,1992.

Research on the Dynamic Characteristics of the Dynamic Track Stabilizer Side Searing

LIShengjun1,LIUGuangwei2,LIXiaopeng1

(1.Henan Machinery Design and Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450002，China; 2.Zhengzhou Yutong Group Co., Ltd.,Zhengzhou 451482,China)

In the overall performance of the dynamic stability of the car,the side bearing dynamic characteristics is one of the key factors. This paper determined the constitutive parameters of side bearing rubber spring and establish the finite element model, the side bearing,dynamic characteristic and dynamic characteristic analysis was based on the vertical.According to the results, different load and frequency combinations of side bearing rubber spring constants and internal damping characteristic of nonlinear change.The conclusion can provide a theoretical basis to the optimal design of side searing.

side bearing; finite element analysis；dynamic characteristic

2014-04-17

TH113

A

1001-2257(2014)09-0042-03

李勝軍(1984-) ，男，河南開封人，工學碩士，研究方向為機械設計與制造。