汽車懸架空氣彈簧靜態力學性能有限元建模與計算

高曉華，陳俊杰,2，曾祥坤

（1 廣東邦達實業有限公司，廣東 中山 528455；2 江西理工大學，江西 贛州 341400）

汽車懸架柔性地將整車骨架和車軸進行連接，是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間所有傳力連接裝置的總稱[1]。傳統汽車懸掛系統以金屬彈簧作為其主要彈性隔振元件進行降噪隔振[2]，其外加載荷與所產生位移的比值是一個確定的常數。而空氣彈簧相對傳統的鋼板彈簧和螺旋彈簧，其剛度是非線性的，且自振頻率較低，有利于汽車操縱穩定性和乘員舒適性。

在空氣彈簧力學性能的設計與預測研究上，圖解法[2]由于其自身精度不高、對研發人員經驗的高度依賴、效率低下等缺點而漸漸被淘汰。試驗方法[3]是最為直接、準確性最高的一種研究方法，但研發周期長、成本較高。有限元法(Finite element method，FEM)[4]可以通過修改模型的相關參數高效地預測不同參數對空氣彈簧力學特性的影響，降低了研發成本和縮短了研發周期，因此被廣泛運用。

空氣彈簧誕生于19 世紀50 年代是由Jhon Lewis發明的，其早期的運用主要是在機械設備的隔振方面[5]。國外商業用途的載客車輛，其懸架系統無一例外都采取空氣皮囊作為主要隔振部件，在高級轎車上和一些特種車輛上的應用也相當普遍[7]。

中國的工業發展起源相對滯后。空氣彈簧在國內的發展應用起步較晚，20 世紀50 年代國內才出現空氣彈簧懸架的設計與其在客貨車上的實際應用[6]。直到90 年代，國內才開始有意識大規模地采用空氣彈簧懸架。由于國內設計和工業水平的一些不足，當時多數商用車廠家都選擇從國外進口，主要是采用歐洲國家生產的空氣彈簧[11]。但由于歐洲國家所開發的空氣彈簧的針對性太強、結構不夠簡單，一般只適用于具體型號或具體系列的汽車，且與我國當時較為落后的道路系統有所沖突。

1 空氣彈簧及其力學性能試驗

橡膠膜式空氣彈簧試驗樣件見圖1。標準設計高度為195mm，最大設計壓力是0.7MPa。測試時，以5mm/min 的速度施加位移載荷直至完成該款膜式空氣彈簧試驗的一個試驗行程（-130mm 至50mm），并記錄該過程中空氣彈簧的力學性能曲線（位移-載荷曲線）。見圖2。

2 空氣彈簧有限元建模

圖1 空氣彈簧試驗樣件

圖2 空氣彈簧力學特性測試現場

考慮到空氣彈簧離散化模擬仿真分析過程中的各種非線性問題，經過綜合對比選取ABAQUS軟件對其進行物理模型構建和離散化模擬仿真分析。模型離散化成為有限元模型，用增量分析與更新拉格朗日公式處理大變形和旋轉[8-10]。

2.1 網格的劃分

文中空氣彈簧的離散化模型由上蓋板、橡膠皮囊、活塞和空氣四大部分組成（圖3～圖5）。其中橡膠皮囊選用Mooney-Rivlin 模型[9]，其模型參數C10=3.2 MPa，C01=0.8 MPa，其中橡膠基體殼單元厚度為6mm，簾線層采用Rebar 單元（楊氏模量為2000MPa，泊松比為0.3），簾線截面面積為0.332mm2，簾線間距為2mm，兩層簾線角度分別為45°和-45°，距離中性面距離為1mm和-1mm。上蓋板和活塞，材料均為45 號鋼，其殼單元厚度為3.5mm。橡膠皮囊內的高壓氣體通過流體腔cavity 進行定義。氣體單元與橡膠皮囊及活塞共用節點，從而實現橡膠氣囊及活塞內的空氣腔的定義及密封[11]。

2.2 接觸和邊界條件

文中離散化分析模擬過程中所研究對象模型選用點對面的接觸類型，以及接觸對中的主從面。

3 結果分析

該款膜式空氣彈簧在0.5MPa、0.7MPa 下計算得到的應力應變圖見圖6 和圖7。

初始內壓為0.5MPa 或0.7MPa 下，該款膜式空氣彈簧有限元模型的仿真分析結果與實際試驗結果見圖8，可見計算值與實測值的剛度特性曲線變化趨勢基本一致，且數值誤差在10%左右。由此可見，文中空氣彈簧靜態力學特性的離散化有限元建模方法是可行的。

4 結論

圖3 橡膠皮囊模型

圖4 皮囊與上蓋板接觸定義

圖5 皮囊與活塞接觸定義

圖6 空氣彈簧拉伸狀態應力應變圖

圖7 空氣彈簧壓縮狀態應力應變圖

圖8 不同壓力下空氣彈簧靜態力學特性計算值與實驗值對比

文中對一款模式橡膠空氣彈簧進行了靜剛度特性試驗、建模、有限元仿真分析，由計算結果與試驗結果進行對比可知，兩者最大誤差不超過10%，滿足工程設計誤差需求，驗證了有限元模型的正確性。因此，可將文中空氣彈簧離散化有限元建模方法應用于后續動剛度計算和設計中，以及產品結構參數對剛度特性影響的研究中，這對縮短橡膠空氣彈簧產品研發周期，降低開發成本有重要意義。