CN114688201A - 一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统 - Google Patents

一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，包括空气弹簧气囊，空气弹簧气囊顶端设有上盖板、中间连接块；膜片碟簧通过对合组合与叠合组合相结合的形式组成膜片碟簧组与中间连接块相适配；本发明具有高静态刚度和低动态刚度的特点，膜片碟簧本身具有非线性的负载特性曲线，当选择不同高厚比时，可以实现膜片碟簧在压平时，呈现出负刚度特性，并且通过对膜片碟簧组的对合与叠合的调节来控制负刚度特性曲线的变化趋势，同时空气弹簧受压时产生正刚度，通过正负刚度元件的串联，可保留空气弹簧的高承载能力，并显著降低系统的刚度，进而减小起始隔振频率和扩大隔振频带宽，实现增强系统低频隔振性能与行驶平顺性的目的。

Description

一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统
技术领域
本发明涉及空气悬架技术领域，具体涉及一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统。
背景技术
振动现象会产生各种不良影响：不仅影响机械设备的寿命和使用性能，也影响人们日常生活，如车身底盘的振动会降低乘客的乘坐舒适性。为了抑制车身底盘的振动，研究人员设计了众多抑制振动的方法，空气悬架就是其中之一。
空气悬架具有变刚度，低振动频率的特性，为了使这种悬架可以提供给车辆更好的平顺性，需要降低空气弹簧的隔振频率，传统的方法是扩大空气弹簧腔室的体积，如实用新型专利CN212959638U、CN20924319U。但是这种设计方式需要额外增加附加腔室，从而使减震器体积过于庞大，占用较大空间，不便于使用。并且压缩空气受弹簧充放气时产生的气流波动的影响较为强烈，会降低系统的稳定性。
由单自由度线性结构系统的固有频率
Figure BDA0003551500580000011
可知，系统刚度越小，固有频率就越低。对于质量为m，刚度为k的单自由度系统，根据线性隔振理论，当基础激励频率大于
Figure BDA0003551500580000012
时，系统具有隔振效果。通过降低系统的刚度可以有效的降低系统的固有频率，扩大系统隔振频带宽，而系统的刚度过小会导致支撑弹簧静变形变大，会产生滞弹性效应。
因此，将高静低动刚度理论(一种将正负刚度弹性元器件串联在静平衡位置获得低刚度的组合隔振系统)引入刚度可调的空气悬架系统，通过正负刚度元件的串联，使空气悬架系统处于准零刚度的状态，可保留正刚度机构的高承载能力，并显著降低系统的刚度，可以减小空气弹簧体积及固有频率，同时提高稳定性，使系统同时满足高承载能力和低固有频率两方面的要求，实现增强系统低频隔振性能的目的。
发明内容
为了解决现有技术中，本申请提出了一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，具有高静态刚度和低动态刚度的特点，能够隔离较大幅值的基础激励，通过控制调节空气弹簧气囊变化的正刚度与膜片碟簧组的负刚度相匹配，并且被隔振物体的质量可调节；具有安装方便，结构简单，承载可调等特点，并且具有较低的固有频率和较高的承载能力，可有效的解决低频振动传递率与高频振动衰减率之间的难题，能够广泛适用于车辆、飞机、船舶等领域。
本发明所采用的技术方案如下：
一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，包括：
空气弹簧气囊，所述空气弹簧气囊安装在车桥底座上；
设置在所述空气弹簧气囊上部的上盖板；
设置在上盖板上部的中间连接块；所述中间连接块、上盖板和空气弹簧气囊之间固定连接；
所述中间连接块上套装有膜片碟簧组；所述膜片碟簧组是由对合式膜片碟簧单元和叠合式膜片碟簧单元构成；对合式膜片碟簧单元和叠合式膜片碟簧单元均由单片膜片碟簧构成。
进一步，所述叠合式膜片碟簧组合是将n片单片膜片碟簧叠在一起，n为叠合个数；
进一步，所述对合式膜片碟簧组合是将两片单片膜片碟簧相对镜像设置为一对，
进一步，所述中间连接块包括底座，以及底座上竖直设置的简体；在简体的外壁沿周向阵列设置多个肋板；
进一步，单片膜片碟簧向上拱起，呈锥形；在膜片碟簧的中心开有圆形孔，且沿圆形孔设置多条分离指；分离指按照阵列分布；分离指与中间连接块上的肋板一一对应。
进一步，分别在空气弹簧气囊的顶端、底部装设有上压环和下压环。
进一步，在空气弹簧气囊的外壁中央安装有腰环。
进一步，车桥底座的上表面设置限位凸台，限位凸台外壁、空气弹簧气囊底部内壁上均沿周边设有下防滑槽，且两者的下防滑槽相互配合。
进一步，在上盖板与空气弹簧气囊内壁接触部位设置沿周边分布的上防滑槽；且在空气弹簧气囊与上防滑槽相对处设置同样的上防滑槽；通过上盖板的上防滑槽与空气弹簧气囊的上防滑槽之间的相互配合。
进一步，所述空气弹簧气囊的材料为氯丁橡胶，所述膜片碟簧组的材料为50CrVA。
本发明的有益效果：
1)本发明的负刚度结构主要由膜片碟簧对合、叠合串联组成，无机械磨损、无需润滑保养、使用寿命久，并且具备较小的非线性特性，刚度调节便捷，能够较好的与正刚度机构进行适配。
2)本发明的膜片碟簧负刚度结构属于被动元件，相对于半主动和主动方法实现准零刚度原理负刚度原件相比具有稳定性强，体积小，能量消耗少的特点。
3)本发明将空气弹簧气囊和膜片碟簧组合在一起，集合了空气弹簧气囊的高频隔振性能、较高的承载能力与膜片碟簧的低频线谱隔振性能，使整个机构具备了较低的固有频率与较大的振动衰减率。
4)本发明的膜片碟簧负刚度结构承载能力与准零刚度范围仅受碟簧制造尺寸限制，性能稳定。
5)本发明具有安装方便、结构简单、承载能力强、结构紧凑、经济性好，适配性强等优点，对于较大振幅的外部激励和不同质量的物体具有良好的隔振性能，隔振频带宽，幅值衰减率高，能够根据不同的工况，自由调整系统的刚度特性，提升了系统的低频隔振性能。
附图说明
图1为膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统装配示意图
图2为膜片碟簧力位移特性随高厚比变化曲线
图3为单片膜片碟簧剖视图
图4为膜片碟簧对合组合与叠合组合特性
图5为中间连接块结构图
图6为本结构A处放大图
图7为膜片碟簧组三维结构示意图
其中，1、空气弹簧气囊，2、上防滑槽，3、中间连接块，4、第一螺栓，5、上压环，6、下压环，7、限位凸台，8、内螺纹孔，9、腰环，10、车桥底座，11、膜片碟簧组，12、下防滑槽，13、第二螺栓，14、上盖板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，包括空气弹簧气囊1和膜片碟簧组11；空气弹簧气囊1的底部通过第二螺栓13与车桥底座10固定连接。车桥底座10的上表面设置限位凸台7，限位凸台7外壁、空气弹簧气囊1底部内壁上均沿周边设有下防滑槽12，且两者的下防滑槽12相互配合，能够起到密封的作用。同时，车桥底座10上的限位凸台7能够保证空气弹簧气囊1底部不产生径向位移。
如图6所示，空气弹簧气囊1的上部设有上盖板14，在上盖板14与空气弹簧气囊1内壁接触部位设置沿周边分布的上防滑槽2；且在空气弹簧气囊1与上防滑槽2相对处设置同样的上防滑槽2；通过上盖板14的上防滑槽2与空气弹簧气囊1的上防滑槽2之间的相互配合，起到密封的作用。
在上盖板14的上部设置中间连接块3、膜片碟簧组11；其中，中间连接块3、上盖板14和空气弹簧气囊1上边沿之间通过第一螺栓4固定相连。中间连接块3的结构如图5所示，包括底座，以及底座上竖直设置的简体；底座为圆形，简体设置在底座的中心处，与底座同轴设置。简体的内部沿轴向开设圆柱腔，在简体的外壁沿周向阵列设置多个肋板。中间连接块3为齿状结构并与膜片碟簧组11的内分离指间隙相适配，以防止膜片碟簧组在系统受外界激励后产生扭矩发生扭转。
如图7所示的膜片碟簧组11包括多片单片膜片碟簧，单片膜片碟簧的结构如图3所示，单片膜片碟簧向上拱起，呈锥形；在膜片碟簧的中心开有圆形孔，且沿圆形孔设置多条径向槽，该径向槽为分离指；且分离指之间阵列分布。
通过多片单片膜片碟簧组合后与中间连接块3配合安装；具体地，在本申请中，多片单片膜片碟簧之间有两种组合方式，分别是对合式膜片碟簧单元与叠合式膜片碟簧单元如图4；对合式膜片碟簧单元是由两片膜片碟簧的凹部相对或者凸部相对，呈镜像对称分布形成一对。叠合式膜片碟簧单元则是n片膜片碟簧叠合在一起。
本申请中通过对合式膜片碟簧单元与叠合式膜片碟簧单元的组合使用，进而调整碟簧组的力位移特性曲线，以便达到调整负刚度的作用；具体用法是要以空气弹簧的实际正刚度参数为参照来决定如何搭配对合组合个数与叠合组合个数。
组合单片膜片碟簧得到的膜片碟簧组11套装在中间连接块3的简体上；在工作时，当膜片碟簧组11处于压平状态时呈现出负刚度特性与空气弹簧气囊1受压时产生正刚度串联，降低系统的总刚度，达到高静低动刚度的效果。
在空气弹簧气囊1的外壁中央安装有腰环9，通过腰环9围住的空气弹簧气囊1中间部分不发生径向的扩张，防止气囊上下两节相互摩擦，影响使用寿命。
上盖板14上设置有内螺纹孔8，通过内螺纹孔8和螺栓实现上盖板14和中间连接块3之间的连接。
作为本发明的优选实施方案，所述空气弹簧气囊1的材料为氯丁橡胶。
作为本发明的优选实施方案，考虑到膜片碟簧对材质的力学性能及工艺性能具有较高的强度和韧性要求，所述膜片碟簧组11的材料为50CrVA。
作为本发明的优选实施方案，分别在空气弹簧气囊1的顶端、底部分别装设有上压环5和下压环6以达到对空气弹簧气囊1的紧固和密封效果。
所述中间连接块3的结构设计如图5所示，为齿状结构(肋板)并与膜片碟簧组11的内分离指间隙相适配，以防止膜片碟簧组在系统受外界激励后产生扭矩发生扭转。
本发明的工作原理如下：膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统由正刚度机构空气弹簧结构与负刚度机构膜片碟簧组11共同组成。
当系统受外部激励影响产生一定的振幅的振动时，空气弹簧气囊1向上的正刚度与膜片碟簧组向下的负刚度相互作用抵消，使系统具备较小的动态刚度，同时空气弹簧气囊1本身具备较大的静态刚度，保证了系统原本的承载能力不受影响。
综上所述，该准零刚度空气悬架具有高静低动刚度特性，可以使系统同时获得高静承载能力和低共振频率，提升系统整体的隔振性能。
本发明所述的采用膜片碟簧组11与空气悬架串联的准零刚度隔振系统的负刚度技术原理如下：膜片碟簧组11本身的负载特性呈现非线性特性，通过选取不同的高厚比(z＝h0/t)，进而实现碟簧在压平状态时，使系统具备负刚度特性。如图2所示，为碟簧力位移特性随高厚比变化曲线。
如图3所示为单片膜片碟簧剖视图，在膜片碟簧的结构的几何参量中，E为弹性模量；μ为泊松比；t为膜片碟簧碟簧厚度，D为膜片碟簧外径，d为膜片碟簧内径；H为膜片碟簧压平时的变形量；xz为单片膜片碟簧的变形量；C，C1均为计算系数。可以得出单个膜片碟簧的力位移特性负载公式为
Figure BDA0003551500580000051
其中，计算系数C与C1的取值公式分别为
Figure BDA0003551500580000052
Figure BDA0003551500580000053
式中，α为直径比，α＝D/d。
引入量纲为一的参数F′＝FD2(1-1/μ2)/CEt4；分别用u、u′、β表示，u＝xz-H，u′＝u/t，β＝H/t，由此得出量纲为一回复力位移方程为
Figure BDA0003551500580000054
对式(4)求导得到膜片碟簧的刚度位移特性方程为
Figure BDA0003551500580000061
由式(5)可以看出，当u′为零时，刚度最小为
Figure BDA0003551500580000062
即些
Figure BDA0003551500580000063
时，碟形弹簧获得负刚度特性。
膜片碟簧的对合组合与叠合组合特性如图4所示，对合在一起的碟簧分别承载负载的压力，可以保持承载能力不变的同时，使膜片碟簧的变形量增加对合个数相应的倍数，对合组合的负载与变形量关系分别为
Fz＝F (6)
fz＝i·xz (7)
叠合在一起的碟簧共同承载负载的压力，可以保持变形量不变的同时，使膜片碟簧的承载能力增加叠合个数相应的倍数，叠合组合的负载与变形量关系分别为
Fz＝n·F (8)
fz＝xz (9)
其中，Fz为膜片碟簧组的承载力，fz为膜片碟簧组的变形量，i为对合个数，n为叠合个数。
在轴向力的作用下，该正负刚度串联的准零刚度结构的力位移特性可以表示为
Figure BDA0003551500580000064
式中，xv为空气弹簧竖直方向的位移量，m为多变指数，P0为空气弹簧静平衡位置时的气压，Pa为大气压力，A为空气弹簧有效接触面积，V为空气弹簧体积，
Figure BDA0003551500580000065
为空气弹簧的力位移特性方程，x为膜片碟簧组与空气弹簧位移量之和。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，包括：
空气弹簧气囊(1)，所述空气弹簧气囊(1)安装在车桥底座(10)上；
设置在所述空气弹簧气囊(1)上部的上盖板14；
设置在上盖板(14)上部的中间连接块(3)；所述中间连接块(3)、上盖板(14)和空气弹簧气囊(1)之间固定连接；
所述中间连接块(3)上套装有膜片碟簧组(11)；所述膜片碟簧组(11)是由对合式膜片碟簧单元和叠合式膜片碟簧单元构成；对合式膜片碟簧单元和叠合式膜片碟簧单元均由单片膜片碟簧构成。
2.根据权利要求1所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，所述叠合式膜片碟簧组合是将n片单片膜片碟簧叠在一起，n为叠合个数。
3.根据权利要求1所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，所述对合式膜片碟簧组合是将两片单片膜片碟簧相对镜像设置为一对。
4.根据权利要求1所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，所述中间连接块(3)包括底座，以及底座上竖直设置的筒体；在筒体的外壁沿周向阵列设置多个肋板。
5.根据权利要求4所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，单片膜片碟簧向上拱起，呈锥形；在膜片碟簧的中心开有圆形孔，且沿圆形孔设置多条分离指；分离指按照阵列分布；分离指与中间连接块(3)上的肋板一一对应。
6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，分别在空气弹簧气囊(1)的顶端、底部装设有上压环(5)和下压环(6)。
7.根据权利要求6所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，在空气弹簧气囊1的外壁中央安装有腰环(9)。
8.根据权利要求6所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，车桥底座(10)的上表面设置限位凸台(7)，限位凸台(7)外壁、空气弹簧气囊(1)底部内壁上均沿周边设有下防滑槽(12)，且两者的下防滑槽(12)相互配合。
9.根据权利要求6所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，在上盖板(14)与空气弹簧气囊(1)内壁接触部位设置沿周边分布的上防滑槽(2)；且在空气弹簧气囊(1)与上防滑槽(2)相对处设置同样的上防滑槽(2)；通过上盖板(14)的上防滑槽(2)与空气弹簧气囊1的上防滑槽(2)之间的相互配合。
10.根据权利要求6所述的一种采用膜片碟簧与空气悬架串联的准零刚度隔振系统，其特征在于，所述空气弹簧气囊(1)的材料为氯丁橡胶，所述膜片碟簧组(11)的材料为50CrVA。
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