商用車膜式空氣彈簧靜剛度的有限元分析

榮英飛，邱春文，秦 陸，劉永強

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 225006]

空氣彈簧具有變剛度、低頻隔振和減小道路沖擊的特性，可以提高車輛行駛的平順性及操縱穩定性，在車輛懸架設計中得到了廣泛的使用，形成了特殊的車輛空氣懸架[1-3]。試驗表明，與具有傳統鋼板彈簧的車輛相比，具有空氣懸架的車輛的平順性明顯改善，在重型貨車上使用空氣彈簧懸架系統可減小對道路的破壞[4]。歐盟92/7/EEC法規定義了道路友好懸架的標準和檢測方法，為空氣懸架在重型貨車上的推廣提供了依據。目前，空氣彈簧在發達國家的商用車上已得到廣泛的應用，其中在客車上的普及率已達100%，在重型貨車上的普及率也超過了80%[5]。

根據GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》的規定，總質量大于或等于12 000 kg的危險貨物運輸貨車的后軸、所有危險貨物運輸半掛車以及三軸欄板式、倉柵式半掛車均應裝備空氣懸架。

空氣彈簧為空氣懸架的關鍵零部件，其有限元分析已成為產品設計的重要手段，尤其在沒有樣機的情況下，有限元分析是唯一的設計驗證手段。

本工作以我公司研發的商用車底盤用1RV3456型號膜式空氣彈簧（以下簡稱膜式空氣彈簧）為研究對象，采用Abaqus軟件，對比不同建模方法對其靜剛度仿真結果的影響，建立膜式空氣彈簧靜剛度的有限元分析方法，可為膜式空氣彈簧設計參數驗證與性能預測提供數據支持。

1 空氣彈簧的工作原理

空氣彈簧是利用空氣彈性作用的一種彈簧，由蓋板、活塞和氣囊組成，在可伸縮的密閉容器中充有壓縮空氣。常見的空氣彈簧有袖式、膜式和囊式3種類型（見圖1），其中袖式空氣彈簧通常與減振器組合成空氣彈簧減振器，可代替傳統的螺旋彈簧減振器，主要用于商用車駕駛室座椅系統或者乘用車懸架；膜式空氣彈簧主要用于商用車底盤懸架和掛車懸架，可代替傳統的鋼板彈簧；囊式空氣彈簧主要用于商用車掛車的舉升機構。

圖1 常見空氣彈簧的類型

空氣彈簧與車身儲氣罐連通，通過車體上的高度控制閥調節空氣彈簧內的氣體壓力，工作原理如下：在載荷增大時車體下降，高度控制閥的進氣閥打開，將空氣壓入空氣彈簧，直到空氣彈簧恢復，車體升高到原來的位置；在載荷減小時車體上升，高度控制閥的排氣閥打開，空氣從空氣彈簧排出，車體高度下降，當車體高度回到原來的位置時，排氣閥關閉。因此，空氣彈簧在高度控制閥的作用下，其高度始終保持在相同水平，偏差較小。在載荷減小時，空氣彈簧的高度增大，內腔容積增大，空氣彈簧的剛度和承載能力相應減??；載荷增加時空氣彈簧的變化過程與載荷減小時相反[6]。

2 膜式空氣彈簧的有限元分析

2.1 有限元模型的簡化方法

根據膜式空氣彈簧的結構及力學性能，首先對其有限元模型進行簡化，方法如下。

（1）由于膜式空氣彈簧近似為軸對稱結構，整個模型采用2維軸對稱單元。

（2）膜式空氣彈簧的上、下金屬蓋板簡化為離散剛性體。

（3）膜式空氣彈簧的氣囊囊皮（簡稱囊皮）為橡膠和纖維簾線的復合材料，本工作討論兩種模擬方法：一種是膜單元法，將橡膠和簾線作為整體的膜進行研究；另一種是嵌入單元法，將橡膠作為實體單元，簾線單元通過嵌入方法插入，采用Abaqus軟件特有的rebar單元模擬其加強結構。

（4）膜式空氣彈簧的金屬蓋板與氣囊的密封扣壓連接處簡化為共節點單元。

（5）對膜式空氣彈簧空腔內的氣體壓力，Abaqus軟件提供了兩種表征方法，一種是均布載荷法，另一種是流體腔法，本工作將討論兩種氣體壓力模擬的差異。

在上述簡化的前提下，膜式空氣彈簧囊皮的橡膠/簾線復合材料及空腔內氣體壓力的模擬方法是研究重點。

2.2 膜式空氣彈簧靜剛度的仿真流程

根據GB/T 13061—2017《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規范》中關于空氣彈簧的等溫變壓和等溫等壓特性試驗的推薦方法，建立膜式空氣彈簧靜剛度的仿真流程。

膜式空氣彈簧裝配完成后（見圖2），由于氣囊較高，不便于整車安裝與零部件運輸，需要經過翻邊工序達到指定工作狀態，如圖3所示。膜式空氣彈簧翻邊后的氣囊由于形狀復雜，增加了仿真建模的復雜性。為方便建模，本工作采用空氣彈簧裝配完成后的狀態為初始邊界。

圖2 膜式空氣彈簧裝配示意

圖3 膜式空氣彈簧工作狀態示意

采用Abaqus/standard求解器，以氣體壓力為單一變量，每種氣體壓力下膜式空氣彈簧靜剛度的仿真流程分為3步：（1）從初始裝配狀態壓縮到指定工作高度；（2）從指定工作高度到最大許可壓縮狀態；（3）從最大許可壓縮狀態到最大許可拉伸狀態。根據第3步仿真結果提取負荷-變形曲線，計算膜式空氣彈簧的靜剛度。

2.3 膜式空氣彈簧的建模方法

2.3.1 上蓋板與下活塞

膜式空氣彈簧的上蓋板和下活塞均為金屬材料，主要起安裝作用，不是承載部件，可以簡化為離散剛性體，單元類型為RAX2。

膜式空氣彈簧的上蓋板通過扣壓的方法與氣囊上開口固定，可以保證氣囊在工作中不發生漏氣和脫落。上蓋板中心裝有橡膠緩沖塊，可以保證空氣彈簧在極限或者失效工況下能提供必要的支撐。根據有限元模型的簡化方法和靜剛度試驗工況，取膜式空氣彈簧的上蓋板與膜式空氣彈簧的接觸面及壓縮過程中可能接觸到的面，建立離散剛性面，如圖4所示。

圖4 膜式空氣彈簧的上蓋板

膜式空氣彈簧的下活塞通過壓蓋螺栓的方法與氣囊下開口固定，可以保證氣囊在工作中不發生漏氣和脫落，同時還能提供導向作用，確保氣囊沿軸線方向運動。與上蓋板建模方法類似，取整個活塞的外表面建立剛性面，如圖5所示。

圖5 膜式空氣彈簧的下活塞

2.3.2 氣囊

膜式空氣彈簧的囊皮通常為4層結構（包括外表面保護層、兩層簾線層和最內側氣密層）的橡膠/簾線復合材料，厚度為5～8 mm，展開面積約為35 000 mm2，類似膜結構。簾線層采用rebar單元模擬，設置rebar的橫截面積、rebar與rebar之間的距離、rebar距基體中性面的距離、rebar在坐標系中的布置角度分別模擬簾線直徑、簾線間距、簾線位置和簾線角度。

對于囊皮，采用膜單元法模擬時，取氣囊中性面為建模對象，單元類型為MGAX1；采用嵌入單元法模擬時，在氣囊厚度方向上分3層設置氣密層單元、保護層單元和簾線層單元，氣密層和保護層單元類型為CGAX4H，簾線層單元類型為SFMGAX1。

采用均布載荷法表征氣體壓力時，分別選擇膜式空氣彈簧上蓋板內表面、氣囊內表面及活塞上部分外表面為邊界，在邊界上施加均布載荷；采用流體腔法表征氣體壓力時，假設空腔內氣體為理想氣體，遵循理想氣體狀態方程，氣體單元考慮腔體變形與氣體壓力之間的相互耦合作用，用定義面的形式給出，與氣囊單元共用節點，由于流體腔是封閉腔體，要求氣體面具有連續性。

2.4 不同建模方法的仿真結果對比

設計3種仿真方案（方案A采用膜單元與流體腔法；方案B采用嵌入單元與流體腔法；方案C采用膜單元與均布載荷法），在氣體壓力為0.6 MPa、壓縮拉伸行程為－190～150 mm的條件下進行膜式空氣彈簧的仿真研究。

在相同工作高度下，方案A，B和C的膜式空氣彈簧外直徑分別為311.2，312.2和311.2 mm。不同氣體壓力表征方法對膜式空氣彈簧的外直徑計算沒有影響，囊皮建模方法對外直徑影響較小。

保持膜式空氣彈簧內氣體壓力不變，調節空氣彈簧的工作高度，求得等壓下3種方案膜式空氣彈簧的靜剛度仿真曲線，如圖6所示。

圖6 等壓下3種方案膜式空氣彈簧的靜剛度仿真曲線

從圖6可以看出：在囊皮采用膜單元法模擬時，采用流體腔法和均布載荷法表征氣體壓力對膜式空氣彈簧的靜剛度沒有影響，方案A和C的靜剛度曲線完全重合；在采用流體腔法表征氣體壓力時，采用膜單元和嵌入單元法對囊皮建模，方案A和B的靜剛度曲線變化趨勢一致，但在數值上差異較大，尤其在大拉伸行程下差異明顯。

保持膜式空氣彈簧與外部氣源斷開，內部氣體壓力處于自由狀態，進行閉氣壓試驗，求得變壓下膜式空氣彈簧的靜剛度仿真曲線，如圖7所示。由于此工況下，均布載荷法無法模擬氣體壓力隨體積變化的情況，不再考慮方案C。

圖7 變壓下2種方案膜式空氣彈簧的靜剛度仿真曲線

從圖7可以看出，在閉氣壓工況下，方案A和B的靜剛度曲線整體吻合較好，但在大拉伸行程下，靜剛度曲線差異較為明顯。

等壓工況下，3種方案的仿真計算效率見表1。

表1 等壓工況下3種方案的仿真計算效率

從表1可以看出：與方案A和C相比，方案B嵌入單元法需要建立橡膠材料模型，過程復雜導致計算時間較長；方案A和C僅氣體壓力表征方法不同，采用均布載荷法的計算效率比采用流體腔法稍高。

總之，不同建模方法對膜式空氣彈簧的外直徑影響較小；采用流體腔法表征氣體壓力更合適；不同囊皮建模方法對膜式空氣彈簧的靜剛度變化趨勢影響較小。

2.5 試驗驗證

等壓和變壓工況下膜式空氣彈簧的靜剛度仿真與試驗結果對比分別如圖8和9所示。其中，氣體壓力為0.6 MPa。

圖8 等壓工況下膜式空氣彈簧的靜剛度仿真與試驗結果對比

圖9 變壓工況下膜式空氣彈簧的靜剛度仿真與試驗結果對比

從圖8和9可以看出：方案A和B膜式空氣彈簧的靜剛度仿真曲線在整體趨勢上與試驗曲線保持一致，表明這兩種模型簡化方式能夠反映膜式空氣彈簧的工作機理，可用于其機理研究；大拉伸行程下方案B的靜剛度仿真曲線與試驗曲線更接近，大壓縮行程下方案A的靜剛度仿真曲線與試驗曲線更接近。

3 結論

（1）采用流體腔法表征氣體壓力更符合膜式空氣彈簧的實際工作過程。

（2）采用膜單元法和嵌入單元法對膜式空氣彈簧囊皮進行建模，對其靜剛度曲線的整體趨勢影響很小，但在大行程工況下存在差異，大拉伸行程下，嵌入單元法仿真曲線更接近試驗曲線，大壓縮行程下，膜單元法仿真曲線更接近試驗曲線。

（3）為得到更準確的靜剛度曲線，同時反映實際囊皮結構因素對膜式空氣彈簧靜剛度的影響趨勢，推薦采用流體腔法和嵌入單元法進行膜式空氣彈簧的靜剛度仿真。