铁道车辆空气弹簧动力学键合图建模及仿真

某型轨道车辆悬挂系统动力学建模与优化设计随着城市轨道交通的不断发展，轨道车辆已经成为人们出行的主要方式之一。

而在轨道车辆的设计中，悬挂系统的作用尤为重要。

悬挂系统不仅能够保护乘客的安全，还能够提高车辆的运行效率。

因此，对悬挂系统的动力学建模与优化设计成为轨道车辆设计中的重要课题。

一、动力学建模悬挂系统是轨道车辆中最为复杂的系统之一。

它由车体、车轮、弹簧、减震器等组成，能够有效地减小车体与轮轨之间的震动。

在进行动力学建模时，需要考虑到这些组成部分之间的相互作用。

1.车体运动方程车体的运动方程是悬挂系统动力学建模的基础，它是控制车体运动的核心。

车体的运动方程可以分为纵向运动和横向运动两个方面。

在纵向运动中，车体受到曲径半径变化和斜坡高度变化的影响。

在横向运动中，车体受到曲线曲率和横向加速度的影响。

2.车轮运动方程车轮的运动方程也是悬挂系统动力学建模中的重要组成部分。

车轮的运动受到车体和轮轨之间的摩擦力，以及摩擦力方向的变化等因素的影响。

对车轮的运动方程的建立能够更加准确地反映车辆的行驶状态。

3.弹簧和减震器运动方程弹簧和减震器是悬挂系统中的核心部件，对于车辆的悬挂效果具有至关重要的影响。

在建立弹簧和减震器的运动方程时，需要考虑到它们吸收和释放能量的过程，以及它们与车体、车轮之间的相互作用。

二、优化设计悬挂系统的优化设计是悬挂系统动力学建模的重要应用之一。

通过对悬挂系统的结构和材料等参数进行优化，可以达到减小车辆震动、提高车辆安全性和乘坐舒适性、降低车辆维护成本等目的。

1.结构优化结构优化是悬挂系统优化设计的核心，它能够通过对悬挂系统的结构进行合理化设计，达到减小车辆震动、降低车辆噪音、提高车辆安全性、降低车辆维护成本等目的。

在进行结构优化时，需要考虑到悬挂系统的材料、强度、刚度和减震器的特性等因素。

2.材料优化材料优化是悬挂系统优化设计的重要组成部分，它能够通过优化悬挂系统的材料选择，达到减小车辆震动、提高车辆安全性和乘坐舒适性、延长车辆使用寿命等目的。

第 36 卷第 6 期2023 年12 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 6Dec. 2023中低速磁浮车辆空气弹簧动力学建模及其应用研究王相平1，李星1，王剑锋2，吴少培1，丁旺才1，李国芳1（1. 兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070；2. 包头铁道职业技术学院铁道机车车辆系，内蒙古包头 014060）摘要: 建立合理的适用于中低速磁浮车辆的空气弹簧动力学模型是预测中低速磁浮车辆动力学性能的必要条件。

基于振动力学与弹性力学基本原理，建立了中低速磁浮车辆空气弹簧系统非线性动力学模型，依据测试结果辨识了系统参数，试验验证了模型的准确性，并结合线路动态测试结果对比了线性模型与非线性模型的差异。

结果表明：空气弹簧在±70 mm有效行程范围内，其垂向载荷‑内压‑位移之间呈三次函数关系，行程大于70 mm时，载荷‑位移呈线性关系；磁浮车辆空气弹簧横向刚度极大，可以分段线性近似表示；直线线路车辆速度大于30 km/h以及曲线线路半径小于100 m时，线性模型计算结果偏差较大，非线性模型计算精度显著高于等效线性模型。

研究结果可为中低速磁浮车辆设计、动力性能预测提供理论依据。

关键词: 中低速磁浮车辆；空气弹簧；橡胶气囊；结构特征；动态特性中图分类号: U260.331+.4 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）06-1527-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.06.007引言中低速磁浮交通是中国具有自主知识产权的新技术，近年来得到了广泛发展。

空气弹簧悬挂系统作为中低速磁浮车辆的关键隔振部件，其动力学性能直接影响车辆的安全性、舒适性，是决定中低速磁浮车辆发展前景的重要因素［1‑2］。

近年来，以线性弹簧、阻尼并联的空气弹簧等效模型因其简单、高效的计算优势而被广泛应用于中低速磁浮车辆动力学模型中［3‑6］，但难以准确表征空气弹簧系统的幅频依赖性也致使其计算结果存在较大误差［7］。

高速列车车辆制动系统的动力学模型建立与仿真摘要：高速列车的安全性与可靠性是保障铁路运输安全的重要因素之一。

其中，车辆制动系统作为高速列车中的核心组成部分，对列车的制动性能起着至关重要的作用。

本文旨在建立高速列车车辆制动系统的动力学模型，并通过仿真分析，有效评估车辆制动系统的性能，为高速列车的运行安全提供参考和指导。

1. 引言随着高铁的快速发展，高速列车的运行速度不断提升，因此对高速列车的制动性能要求也越来越高。

而车辆制动系统作为高速列车的关键部件之一，对车辆的安全制动起着至关重要的作用。

因此，建立高速列车车辆制动系统的动力学模型，成为评估车辆制动性能、提高列车运行安全性的关键一步。

2. 高速列车车辆制动系统的动力学模型车辆制动系统是一个复杂的机电系统，主要包括制动盘、制动鼓、制动油缸、制动管路等。

为了建立高速列车车辆制动系统的动力学模型，我们需要考虑以下几个关键因素：2.1 制动盘和制动鼓的摩擦力模型制动盘和制动鼓之间的摩擦力模型是动力学模型的核心之一。

该模型考虑了制动盘和制动鼓之间的接触面积、材料特性、摩擦系数等因素，以准确描述制动力的变化规律。

2.2 制动油缸和制动管路的力模型制动油缸和制动管路主要负责传递制动力，并控制制动系统的工作状态。

其力模型需要考虑从制动踏板传递到油缸的力矩传递过程以及制动力的大小和方向等因素。

2.3 制动系统的动力学特性制动系统的动力学特性主要包括制动灵敏度、制动力的响应时间、制动力的稳定性等。

通过建立相关动力学模型，可以分析制动系统的性能指标，并评估其对列车制动性能的影响。

3. 车辆制动系统的仿真分析建立了高速列车车辆制动系统的动力学模型后，可以进行仿真分析，以评估制动系统的性能。

仿真分析可以从以下几个方面展开：3.1 制动距离的预测通过模拟高速列车在不同制动工况下的制动距离，可以准确预测列车在紧急制动情况下的制动距离，进而评估制动系统的制动能力。

3.2 制动力的响应特性分析通过仿真分析制动力的响应特性，可以评估制动系统的制动力大小、稳定性及响应时间等指标，进而考察制动性能的优化空间。

使用维护高速动车组空气弹簧动力学特性及其故障模式刘志贺(上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海201306)摘要:在我国高速铁路发展的过程中，动车的使用原来越广泛，其使用的安全性成为了当前中国铁路致力研究的问题。

在研究的过程中，空气弹簧悬挂系统成为了主要研究的装置之一，能够有效提高动车组的动力学性能，但是在应用中也显示出了一些问题。

据此，主要对其特性及故障模式下的运行展开探讨。

关键词:高速动车；空气弹簧动力学；故障模式随着我国经济的发展，高速铁路网日益的密集对高速列车运营的质量提出了更加严格的要求，人们出行次数的增加也对高速列车的舒适感提出了更高的要求。

在高速动车的运行装置中，在悬挂系统中应用空气弹簧能够有效提升动车运行的安全性和舒适性,研究其故障模式有利于进一步提升高速动车组的可靠性。

1高速动车组空气弹簧动力学特性空气弹簧是一种有弹性作用的非金属弹簧，它的弹性主要是通过在橡胶气囊里空气的可压缩性来实现的。

其应用在动车组的悬挂系统中，很大程度上提高了动车运行的质量,在实际使用中显示出了以下特性:(1)高度调整阀对空气弹簧进行充气和排气的工作，维持空气弹簧在工作时一定的高度，能够使高速动车组不管在什么载荷情况下都能保持车体和轨道面一定的距离。

(2)由于空气弹簧的垂向柔性较大，因此能够使高速动车的二系悬挂系统保持较低的固有频率，空气弹簧的作用类似于低通滤波器,能够隔离转向架较高频率的振动。

(3怪气弹簧具有垂向刚度,能够在载荷增加的时候也随之增加，帮助高速动车组在不同载荷的情况下都保持固有的频率，从而提升动车组的动力学性能。

(4：)空气弹簧的振动是以气体作为媒介的，气体对高频振动的吸收效果较好個此能减小动车运行的噪音，保证乘客乘坐动车的舒适感。

(5)空气弹簧在和附加空气室交换气体时产生的阻力能够在一定情况下代替垂向液压减振器，能够节省动车的结构空间，降低制造成本。

(6怪气弹簧X较低的水平刚度，保证了较大的横移量，因此在高速动车组的转向架中，可以取消摇动台装置,简化转向架的结构，减轻车辆自身的重量。

重型载货汽车空气悬架系统动力学仿真与分析梁世龙张贵豪孙博康明摘要随着我国经济地位的增强和人民生活质量的提高，人们对载货汽车的性能提出了更高的要求，大功率化、轻量化、高速、安全、舒适是未来重型载货汽车的发展方向。

目前我国载货汽车的悬架系统主要还是钢板弹簧悬架，这种形式的悬架由于刚度较大、偏频过高、自身质量过重，平顺性不理想，不符合我国商用车的发展方向。

本文主要以某重型载货汽车的空气悬架系统作为研究对象，对一体式空气弹簧减振器进行了简单的力学特性分析及其空气弹簧刚度特性分析，并建立了相应的物理模型及数学模型；并应用 Matlab/Simulink 仿真软件对其进行建模仿真分析，得到空气悬架汽车二自由度模型的仿真结果，并进行相应分析。

（1）空气悬架系统动力学分析。

介绍空气悬架的结构组成、系统动力学模型并建立重型载货汽车1/2车辆仿真模型，应用matlab对其进行仿真。

（2）空气悬架特性分析。

从空气弹簧的特点、高度计算、刚度计算、频率计算及系统物理模型的建立几方面对空气弹簧特性进行了分析研究，并对比了传统钢板弹簧的性能特点，总结出了空气弹簧的性能优点。

（3）汽车二自由度系统模型的仿真分析。

首先对整车系统的传递特性、影响汽车平顺性的指标（车身加速度、悬架动挠度及轮胎动载）及系统响应均方根值计算的方法进行了分析研究。

然后进行了B级路面模型的建立和校验。

最后在车辆1/2仿真模型的基础上，对其仿真模型进一步简化为二自由度模型，并基于Simulink模块搭建仿真模型，把模糊控制理论和PID控制理论二者结合起来，设计出模糊 PID 控制器，在白噪声路面和不同的行驶车速输入下进行平顺性仿真试验，比较被动悬架系统、和模糊 PID 控制悬架系统的仿真试验结果。

归纳总结：根据整车模型的仿真结果，相对于被动悬架系统模糊PID控制能够提高汽车的平顺性，从而采用空气悬架系统后，整车的舒适性得到了明显改善。

关键词重型载货汽车;空气悬架;动力学;仿真目录摘要 (I)1 引言 (1)2 动力学理论分析 (2)2.1 空气悬架的结构组成 (2)2.2 空气悬架系统动力学模型 (3)2.3 空气悬架系统仿真数学模型 (4)3路面模型的建立与验证 (7)3.1 B级路面的生成 (7)3.1.1空间功率谱 (7)3.1.2 时间功率谱 (7)3.1.3 建立时域模型 (8)3.2 B级路面验证 (9)4 整车系统的传递特性 (11)4.1 整车系统的传递特性 (11)4.2座椅处加速度、车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载的幅频特性11 4.2.1 座椅处加速度和车身加速度的幅频特性 (11)4.2.2 前轮和后轮相对动载F di/G i对q̇的幅频特性 (11)4.2.3 前悬架和后悬架动挠度f d1和f d2对q的幅频特性 (11)4.3系统振动响应均方根值的计算 (11)5空气弹簧特性分析 (13)5.1 空气弹簧的特性 (13)5.2 空气弹簧的高度计算 (14)5.3空气弹簧的刚度计算及分析 (16)5.4 空气弹簧频率的计算方法 (17)5.5 空气悬架系统模型的建立 (18)5.6 空气悬架与传统钢板弹簧性能差异 (19)6悬架控制系统设计及仿真分析 (20)6.1 模糊PID控制器的设计 (20)6.1.1 模糊PID控制原理 (20)6.1.2 输入输出变量的模糊化 (20)6.1.3 模糊控制规则的建立 (21)6.2 模型的建立及结果分析 (23)7 总结与望 (28)参考文献 (29)附录 (30)1 引言悬架是汽车上的重要组成部件，其任务是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，以保证汽车能平顺行驶，提高人们乘坐汽车的舒适性。

含持续预载的旋转弹簧振动系统键合图建模与仿真唐进元;陈海锋【摘要】针对键合图难以表达的弹簧初始载荷的添加和保持问题,以含持续预载的旋转弹簧振动系统为研究对象,用两个容性元件描述含持续预载的弹簧,根据振动系统的拉格朗日方程,建立整个系统的键合图模型,采用20 - sim仿真软件对含有持续预载和不含持续预载的模型分别进行仿真,研究其对质量块振动特性的影响,为验证键合图模型的正确性,运用ADAMS软件对系统进行动力学仿真,两种软件仿真结果进行对比,验证含持续预载的旋转弹簧振动系统键合图模型的正确性.%Aiming at the problem of adding and keeping pre-loading of spring which was difficult to express with bond graph, a vibrating system containing a rotating and sustainably pre-loading spring was selected as a subject to be studied. The sustainably pre-loading spring model was deseribed by using two 1-port capacitors and the bond graph model of the vibrating system was established based on Lagrange equations. In order to study the influence of the sustainably preloading spring on dynamic characteristics of the mass, the advanced software 20-sim was used to simulate the dynamic behavior of the model. Finally, the results were compared with those using ADAMS to check the bond graph model and verity its credibility.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2011(030)005【总页数】5页(P127-130,144)【关键词】持续预载;弹簧;键合图理论;动力学仿真;20-sim【作者】唐进元;陈海锋【作者单位】中南大学,现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室,中南大学,机电工程学院,长沙,410083;中南大学,现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室,中南大学,机电工程学院,长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TH113.1键合图是研究振动系统的有效工具，采用图形化建模，物理意义直观，振动系统中的质量块、弹簧以及阻尼、无论具有线性还是非线性特性，都可以用键合图中的惯性、容性和阻性元件予以相应的描述［1］。

高速列车空气动力特性仿真与优化设计随着人们生活水平的提高，人们越来越追求速度与舒适度。

高速列车作为现代交通工具的代表，越来越被广泛使用。

然而，高速列车行驶过程中会受到空气动力的影响，从而对安全和舒适度造成影响。

因此，对高速列车的空气动力特性进行仿真与优化设计已成为重要的研究方向。

一、高速列车空气动力特性简介高速列车在行驶过程中，会产生气动力作用，该作用是由空气分子与列车表面相互作用而产生的。

为了降低空气动力对列车的负面影响，需要对高速列车的空气动力特性进行深入研究。

1. 空气动力特性的组成高速列车的空气动力特性可以分为阻力、升力、侧力和迎风面风压等四个部分。

其中，阻力指的是空气对列车运动产生的负向力，它会影响列车速度和能耗；升力是指空气对列车底部产生的向上力，如果存在不平衡则会影响弯曲情况；侧力是指空气对列车的横向力，这意味着列车需要具备足够的横向稳定性；迎风面风压是指空气对列车前端产生的静压力，它会对车厢内的噪声和空气质量产生影响。

2. 影响空气动力的因素空气动力特性的产生不仅与车体本身的形状有关，还与运动状态、行驶环境、工作条件等多种因素有关。

运动状态的影响主要表现为列车速度与风向角，当速度越高、风向角越大时，列车所受到的气动力也相应增大。

行驶环境主要指风速、风向、气压等气象条件，对车辆气动性能影响较大。

工作条件则与列车的制动、加速、转弯、偏摆等操作有关，操作不当可能会影响列车的空气动力性能。

二、高速列车空气动力仿真空气动力特性是列车设计与生产中的一个重要环节，而仿真技术可以大大缩短设计周期和降低制造成本。

高速列车的空气动力仿真一般包括几何建模、网格划分、求解、后处理等步骤。

1. 几何建模高速列车的几何建模主要分为手工建模和CATIA建模两种方式。

手工建模是针对条件简单和低精度要求的情况，通常使用底层CAD软件快速创建基本的几何模型，然后基于模型进行后续计算。

CATIA建模则是在高精度和复杂条件下进行的，它可以根据具体需求进行单体建模或组装建模。

铁道车辆车体弹性振动用三维解析模型的参数确定方法发布时间：2022-08-10T03:21:46.252Z 来源：《城镇建设》2022年第5卷第3月第6期作者：李斌[导读] 现阶段，我国的铁道车辆工程建设越来越多李斌南宁轨道交通运营有限公司广西南宁市 530000摘要：现阶段，我国的铁道车辆工程建设越来越多，对铁道车辆车体的弹性振动有效降低，可以提高乘坐舒适度。

为研究有效的减振方法，需建立高精确度的数值解析模型。

本文首先分析了车体振动测试，其次探讨了扩展箱式模型，然后研究了参数确定法，最后就三维力-位移的统计模型的简化进行研究，以供参考。

关键词：车体;弹性振动;解析模型;参数确定引言目前常用的获取地铁车辆车体结构振动信号的方法有现场测试和动力学仿真。

现场测试是在地铁车辆实际运行过程中利用传感器采集测点的振动信号，动力学仿真是在动力学软件中构建地铁车辆动力学模型并进行仿真计算，从而获取测点的振动信号。

现场测试的结果较为真实，但是经济成本较高，且易受到测试条件的限制。

而动力学仿真模型构建难度大，且由于模型和激励简化的原因，导致结果会存在一定误差，需对计算结果与实际测量结果进行验证来修正仿真模型。

1车体振动测试为了获取地铁车辆车体关键连接结构振动特性，在中车某车辆厂的静调线上进行了地铁车辆车体关键连接结构振动试验。

在试验过程中，为了获取关键连接结构振动，在相应位置处分别布置加速度传感器。

关键连接结构以司机室底铆螺母安装处和左侧车顶吊挂梁安装螺栓处为例说明。

司机室底铆螺母安装处位于司机室底部的车体底架下端，用于连接司机室与车体底架，此处连接结构刚度较低，容易产生较大振动；左侧车顶吊挂梁安装螺栓用于吊挂梁与车体的连接，而车顶吊挂梁用于承载空调机组及受电弓，因而左侧车顶吊挂梁安装螺栓承受载荷较大，在受到振动时，容易产生松动。

2扩展箱式模型2.1车体模型在该模型中，车顶板、地板、侧墙版和端墙板都是用非均质3D弹性体建模的。

高速列车系统动力学空气弹簧建模方法研究戚壮;李芾;黄运华;虞大联【摘要】高速列车空气弹簧动力学模型主要分为三类:定刚度与定阻尼并联的线性模型、基于流体力学与气动力学原理的非线性模型以及考虑整体气动悬挂系统的完全模型.通过准静态动力学特性分析和高速动车组动力学模拟计算得出,非线性模型与完全模型具有相似的回滞曲线,线性模型具有较高的阻尼特性,但是在三种空气弹簧模型下计算出的车辆运行安全性指标具有较一致的结果.研究结果表明,在高速动车组动力学计算中,对于运行安全性指标,用空气弹簧线性模型即可满足工程要求;而对于平稳性指标,需要用非线性模型或完全模型进行建模,才能与实际更加接近;由于完全模型所需要确定的物理量较多,故在实际应用中建议采用非线性模型.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2014(033)012【总页数】7页(P63-68,105)【关键词】空气弹簧;高速列车;建模方法;系统动力学【作者】戚壮;李芾;黄运华;虞大联【作者单位】西南交通大学机械工程学院,成都610031;西南交通大学机械工程学院,成都610031;西南交通大学机械工程学院,成都610031;南车青岛四方股份国家工程实验室,山东青岛266111【正文语种】中文【中图分类】U270.33作为二系悬挂装置，空气弹簧目前已广泛应用于现代高速列车上。

由于空气弹簧是一个多物理变量的非线性系统，如何在高速列车动力学计算中建立空气弹簧模型，已成为国内外学者研究的焦点。

Oda等［1］利用“弹性支撑阻尼”系统建立了适用于更宽频域范围的“Nishimura”模型，但是该模型并没有考虑气体在管路中的惯性效应。

Krettek 等［2］基于流体力学与气动力学原理，简化了空气弹簧的计算公式，建立了空气弹簧非线性气动模型。

Nieto等［3－5］基于空气热动力学原理，对橡胶气囊、附加空气室、节流孔和其间的连接管路分别进行建模，再将其用统一的微分方程组进行描述。

10.16638/ki.1671-7988.2017.21.018空气悬架车辆动力学性能仿真分析与研究沈涛，李飞，苏天晨，赵金悦（华晨汽车工程研究院能量管理室，辽宁沈阳110141）摘要：文章基于非线性动力学理论，对膜式空气弹簧悬架进行了理论分析与试验研究，建立了空气弹簧悬架系统的动力学模型。

在此基础上，对空气弹簧悬架系统进行动力学求解，分析其动力学行为，以及可能发生的混沌现象的临界条件。

然后，基于ADAMS/Car软件进行了整车仿真模型的建立，提出了在整车系统中对空气悬架的特性及发生的混沌现象进行分析。

提出了以整车操纵稳定性为目标函数，通过优化悬架设计点，缓解空气悬架的混沌现象，并在一定程度上改善了整车的操纵稳定性。

关键词：空气弹簧；非线性动力学；混沌；ADAMS；操纵稳定性中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-48-05Research and Simulation Analysis of Dynamic Performanceon Air Suspension and VehicleShen Tao, Li Fei, Su Tianchen, Zhao Jinyue（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Energy Management Section, Liaoning Shenyang 110141）Abstract:Based on the nonlinear dynamics theory, the membrane type air spring suspension is studied theoretically and experimentally, and the dynamic model of the air spring suspension system is established. On this basis, the dynamics of the air spring suspension system is solved, and the dynamic behavior and the critical conditions of the chaotic phenomena are analyzed. Then, the whole vehicle simulation model is built based on ADAMS/Car software, and the characteristics of the air suspension and the chaotic phenomena are analyzed. The vehicle handling stability is taken as the objective function, and the chaos of the air suspension is alleviated by optimizing the suspension design point, and the handling stability of the whole vehicle is improved to a certain extent.Keywords: Air Spring; NonlinearDynamics; Chaos; ADAMS; Handling StabilityCLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-48-05前言随着社会经济的发展，用户越来越最求汽车更好的乘坐舒适性及安全稳定性，汽车底盘悬架系统作为整车的最重要部分之一，其性能的好坏直接影响了汽车整体的性能。