某重型卡車空氣彈簧剛度特性研究

郝立峰，湯海洋，楊青龍

（安徽華菱汽車有限公司技術中心，馬鞍山243061）

商用車空氣彈簧的研究在我國起步較晚，國內空氣彈簧生產企業的產品相對比較單一，適用范圍較窄，產品質量與進口產品相比較差，因此，國內大多數商用車生產企業采用進口的空氣彈簧配套。現在我國許多空氣彈簧生產企業正在吸收改進空氣彈簧相關技術，開發生產具有自主知識產權并適用于我國道路運輸特點的商用車空氣彈簧產品，目前部分空氣彈簧產品已經接近或達到了國際同類產品的質量標準。

空氣彈簧具有優良的彈性性能，運用于汽車懸架系統可以顯著提高車輛的舒適性能，因此現階段國內外對空氣彈簧的研究都非常重視。隨著計算機技術的迅猛發展和有限元計算理論的不斷成熟，國內外針對空氣彈簧的研究開發已轉向用計算機虛擬設計與試驗相結合的渠道上來。事實證明，虛擬制造設計方法可以快速清晰地在計算機上構造出預定方案，在很短的時間內反復模擬各種極限工況而不承擔相應風險，為設計部門和生產單位提供詳細可行的技術方案。通過實驗對空氣彈簧進行剛度測試，并運用虛擬軟件對空氣彈簧剛度特性進行了有限元分析，通過將有限元分析結論和實驗結果進行對比分析，實現了對空氣彈簧的剛度特性的研究。

1 空氣彈簧剛度實驗

為得到某型重卡上后懸架用膜式空氣彈簧 （型號為1T19F-7）的剛度特性，利用微機控制電液伺服疲勞試驗機，按照GB/T13061-91對其進行靜剛度特性試驗。空氣彈簧的靜特性試驗裝置如圖1所示，空氣彈簧試驗氣路連接如圖2所示。

試驗中空氣彈簧的下端固定，在空氣彈簧的上端通過疲勞試驗機施加激勵信號。疲勞試驗機可提供的激勵方式有位移激勵和力激勵，在剛度測試中主要研究空氣彈簧變形與載荷的關系，因此試驗選擇用位移激勵。在作動器上安裝有載荷傳感器和位移傳感器，分別用來測量空氣彈簧的反作用載荷和位移反饋信號。在剛度測試實驗中，分別對空氣彈簧充入0.3、0.4、0.5 MPa的氣壓，并調至標準狀態，斷開氣源，記錄初始充氣壓力下的外徑。使空氣彈簧處于自由伸張到最大伸張狀態并停留5 min時間，再接著以10 mm/min的速度將氣簧壓縮（拉伸）到許用最大壓縮（拉伸）狀態，通過作動器上的位移傳感器和載荷傳感器連續記錄壓縮過程的變形量—負荷曲線和變形量—內壓曲線。試驗過程中，從自由最大伸張狀態開始，保持壓縮（拉伸）過程連續每變形10 mm讀取氣壓值并記錄。當空氣彈簧處于最大壓縮（拉伸）行程時，測量并記錄此時空氣彈簧的最大外徑［3］。

在空氣彈簧剛度特性壓縮試驗中，試驗機作用在空氣彈簧上蓋板上的位移信號和不同初始氣壓下的載荷傳感器記錄的反作用力信號曲線如圖3～圖6所示。由圖4可以看出，在空氣彈簧充入氣壓為0．3 MPa時，載荷傳感器記錄的反作用力范圍為8 000～17 000 N，然后趨于穩定；由圖5可以看出，在空氣彈簧充入氣壓為0．4 MPa時，載荷傳感器記錄的反作用力范圍為13 000～24 000 N，然后趨于穩定；由圖6可以看出，在空氣彈簧充入氣壓為0．5 MPa時，載荷傳感器記錄的反作用力范圍為17 000～32 000N，然后趨于穩定；這使得安裝空氣彈簧的商用車具有更好的行駛平順性。

2 空氣彈簧有限元分析

空氣彈簧是由橡膠氣囊、緣板、底座和橡膠緩沖塊等組成，其內部充滿壓縮氣體。其中橡膠氣囊式空氣彈簧的重要部件，一般由內層橡膠、外層橡膠、簾線層和成形鋼絲圈硫化而成。本文分析的空氣彈簧的實物圖如圖 7 所示［4］。

2.1 有限元建模

2．1．1 有限元單元類型

ABAQUS軟件中提供了符合流體靜力學條件的靜水流體單元，該流體單元能夠使橡膠氣囊的變形和作用在氣囊邊界上的氣體壓力之間相互耦合，并且腔內的氣體壓力可以通過腔內容積的變化計算出來。在對空氣彈簧彈性特性分析時，假設空氣彈簧腔內的氣體為理想氣體，并且在工作過程中氣體的溫度保持不變。應用靜水流體單元模擬空氣彈簧腔內氣體，流體單元與橡膠材料的殼單元共用節點（見圖8），分析過程中隨其節點的變化而變化。

2．1．2 定義單元特性參數

圖9中INP文件為定義橡膠氣囊簾線單元及材料參數程序段。程序段中定義了簾線（尼龍）材料參數和簾線角度，簾線角分為四部分，分別為±75°，±35°，±49°和±35°，簾線層為2層。橡膠氣囊采用四節點殼單元（S4R），簾線層用Rebar模擬，上蓋板和底座采用剛性面單元，壓縮空氣用靜水流體單元。

緩沖塊只在極限工況下起作用，本文模擬的是正常工況，考慮到緩沖塊在氣囊內部占據了一定體積，將其處理為剛性面以消除其體積對氣壓的影響。

空氣彈簧在工作行程中，其橡膠氣囊與活塞和緣板均發生接觸（見圖10），接觸問題屬于帶約束條件的泛函極值問題。ABAQUS/Standard中通過定義接觸面（surface），并由一對相互接觸的面構成一個“接觸對”（contact pair）來模擬接觸問題。在分析中假設橡膠氣囊與緣板和活塞為無滑移接觸，不考慮摩擦，橡膠氣囊為變形體，緣板和活塞為接觸體。空氣彈簧有限元模型中共使用了2 860個殼單元（S4R）、3 190 個四節點氣體單元（F3D4）和 44 個三維三節點氣體單元（F3D3），以及1 584個三維四節點剛性面單元（R3D4）和44個三維三節點剛性面單元（R3D3）。

2.2 有限元模型分析

空氣彈簧有限元模型非線性分析分為兩步：第一步為充氣過程，將緣板和活塞剛性體各自參考點的6個自由度約束住，同時在氣體單元的參考點上施加初始氣壓0.7 MPa；第二步為加載過程，將活塞剛性面參考點沿軸向的約束替換為+165/-127mm的垂向位移［5］。

2.2.1 恒壓靜態分析

通過以上有限元模型分析結果并利用ABAQUS軟件得到0.7 MPa恒壓工況靜態分析結果如下。

從圖11和圖12中可以看出，空氣彈簧在設計高度和最大拉伸位置的形狀及位移行程；由圖13可以看出最大壓縮位置時橡膠氣囊的最大應力為5.39 MPa，位置為空氣彈簧中間部分；圖14中可以看出，空氣彈簧在恒壓工況時，其位移行程在-120～20mm（設計高度附近）區間，其剛度變化較小，而在最大拉伸和壓縮行程附近區間剛度較大，這使得安裝空氣彈簧的商用車具有更好的行駛平順性。

2.2.2 絕熱靜態分析

0.7 MPa絕熱工況靜態分析結果如下。

從圖15中可以看出，絕熱工況下最大壓縮位置時橡膠氣囊的最大應力為6.73MPa，比恒壓工況下大24.8%，位置也為空氣彈簧中間部分；圖16和圖17分別為絕熱工況下氣壓和體積隨加載位移的變化曲線，整個加載行程中氣壓的變化范圍為0.56～1.62MPa，體積的變化范圍為0.0122m3～0.0 046m3；圖18中可以看出，空氣彈簧在絕熱工況下的剛度特性具有明顯的非線性，其剛度在隨著空氣彈簧從最大拉伸行程到最大壓縮行程不斷增大，且在最大壓縮行程位置時剛度約為667 N/mm。

3 實驗數據與有限元分析對比

空氣彈簧實驗數據經過處理得到不同初始壓力下的位移與反作用力和位移與壓強關系曲線，將其曲線分別于不同初始壓力下的仿真計算曲線進行對比分析。由于實驗設備行程空間的限制，試驗只進行了設計高度±50mm的工作行程內的測量，其中設計高度位置為305mm，而仿真分析的結果是在空氣彈簧在設計高度305 mm的整個工作行程內得到的。如圖19及圖20所示為空氣彈簧垂向彈性特性的有限元分析和相應的實驗結果對比曲線，其中位移代表設計高度位置，正值為壓縮行程，負值為拉伸行程。

圖19中的虛線是空氣彈簧剛度特性的有限元計算曲線，該曲線呈反“S”形，表現出明顯的非線性特性。當空氣彈簧的工作行程在90～127mm之間，即空氣彈簧的橡膠氣囊與底座圓弧面接觸時，空氣彈簧的剛度逐漸增大。

由圖20中可以看出，空氣彈簧在工作行程±50 mm內載荷－位移曲線和壓強－位移曲線吻合的較好，尤其是在設計高度位置附近，而在±50mm位置處有一定的誤差。這是由于橡膠氣囊與底座接觸面積變化增大且有摩擦的影響，而仿真分析的接觸邊界假設為無摩擦接觸的緣故，但由于摩擦較小且誤差在合理的范圍，整體結果表明仿真分析的正確性。

由于試驗條件限制，PLD－100微機控制電液伺服疲勞試驗機只能對空氣彈簧在工作行程±50 mm內輸出載荷—位移曲線和壓強—位移曲線，通過驗證仿真結果的可行性，其他工作行程所需數據可以通過仿真數據進行模擬來實現。

4 小結

本章節主要為得到某型重卡上后懸架用膜式空氣彈簧（型號為1T19F-7）的剛度特性，利用PLD-100微機控制電液伺服疲勞試驗機，按照GB/T13061-91對其進行靜剛度特性試驗。在試驗的基礎上對空氣彈簧進行了有限分析，通過有限元模型的建立和調整，利用ABAQUS軟件得到0.7 MPa恒壓工況靜態仿真分析結果和0.7 MPa絕熱工況靜態仿真分析結果，最后通過靜剛度特性試驗結果與仿真結果進行比較并對兩曲線存在的誤差進行了分析，確定空氣彈簧在工作行程±50 mm內載荷—位移曲線和壓強—位移曲線吻合的較好，表明仿真分析的正確性，有效的解決PLD-100微機控制電液伺服疲勞試驗機只能對空氣彈簧在工作行程±50mm內輸出載荷—位移曲線和壓強—位移曲線所造成的試驗限制，工作行程±50mm以外的數據可以通過仿真獲得，為后續的空氣彈簧懸架子系統的動力學模型的建立提供了較為完整的數據資料。

［1］韓小娟.空氣彈簧的特性及應用研究［J］.機械設計與制造.2001，4：78-79.

［2］ 金靜.空氣彈簧及其應用 ［J］.應用能源技術.1997（3）：19-20.

［3］孫為群.汽車空氣彈簧的理論分析與試驗研究［J］.汽車科技.1999，149（2）： 1-5.

［4］方波平.汽車用空氣彈簧橡膠氣囊的研制［J］.橡膠工業.1995，42（1）：42-44.

［5］莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實例［M ］.北京：科學出版社，2005.