某重型卡车空气弹簧刚度特性研究

郝立峰，汤海洋，杨青龙

（安徽华菱汽车有限公司技术中心，马鞍山243061）

商用车空气弹簧的研究在我国起步较晚，国内空气弹簧生产企业的产品相对比较单一，适用范围较窄，产品质量与进口产品相比较差，因此，国内大多数商用车生产企业采用进口的空气弹簧配套。现在我国许多空气弹簧生产企业正在吸收改进空气弹簧相关技术，开发生产具有自主知识产权并适用于我国道路运输特点的商用车空气弹簧产品，目前部分空气弹簧产品已经接近或达到了国际同类产品的质量标准。

空气弹簧具有优良的弹性性能，运用于汽车悬架系统可以显著提高车辆的舒适性能，因此现阶段国内外对空气弹簧的研究都非常重视。随着计算机技术的迅猛发展和有限元计算理论的不断成熟，国内外针对空气弹簧的研究开发已转向用计算机虚拟设计与试验相结合的渠道上来。事实证明，虚拟制造设计方法可以快速清晰地在计算机上构造出预定方案，在很短的时间内反复模拟各种极限工况而不承担相应风险，为设计部门和生产单位提供详细可行的技术方案。通过实验对空气弹簧进行刚度测试，并运用虚拟软件对空气弹簧刚度特性进行了有限元分析，通过将有限元分析结论和实验结果进行对比分析，实现了对空气弹簧的刚度特性的研究。

1 空气弹簧刚度实验

为得到某型重卡上后悬架用膜式空气弹簧 （型号为1T19F-7）的刚度特性，利用微机控制电液伺服疲劳试验机，按照GB/T13061-91对其进行静刚度特性试验。空气弹簧的静特性试验装置如图1所示，空气弹簧试验气路连接如图2所示。

试验中空气弹簧的下端固定，在空气弹簧的上端通过疲劳试验机施加激励信号。疲劳试验机可提供的激励方式有位移激励和力激励，在刚度测试中主要研究空气弹簧变形与载荷的关系，因此试验选择用位移激励。在作动器上安装有载荷传感器和位移传感器，分别用来测量空气弹簧的反作用载荷和位移反馈信号。在刚度测试实验中，分别对空气弹簧充入0.3、0.4、0.5 MPa的气压，并调至标准状态，断开气源，记录初始充气压力下的外径。使空气弹簧处于自由伸张到最大伸张状态并停留5 min时间，再接着以10 mm/min的速度将气簧压缩（拉伸）到许用最大压缩（拉伸）状态，通过作动器上的位移传感器和载荷传感器连续记录压缩过程的变形量—负荷曲线和变形量—内压曲线。试验过程中，从自由最大伸张状态开始，保持压缩（拉伸）过程连续每变形10 mm读取气压值并记录。当空气弹簧处于最大压缩（拉伸）行程时，测量并记录此时空气弹簧的最大外径［3］。

在空气弹簧刚度特性压缩试验中，试验机作用在空气弹簧上盖板上的位移信号和不同初始气压下的载荷传感器记录的反作用力信号曲线如图3～图6所示。由图4可以看出，在空气弹簧充入气压为0．3 MPa时，载荷传感器记录的反作用力范围为8 000～17 000 N，然后趋于稳定；由图5可以看出，在空气弹簧充入气压为0．4 MPa时，载荷传感器记录的反作用力范围为13 000～24 000 N，然后趋于稳定；由图6可以看出，在空气弹簧充入气压为0．5 MPa时，载荷传感器记录的反作用力范围为17 000～32 000N，然后趋于稳定；这使得安装空气弹簧的商用车具有更好的行驶平顺性。

2 空气弹簧有限元分析

空气弹簧是由橡胶气囊、缘板、底座和橡胶缓冲块等组成，其内部充满压缩气体。其中橡胶气囊式空气弹簧的重要部件，一般由内层橡胶、外层橡胶、帘线层和成形钢丝圈硫化而成。本文分析的空气弹簧的实物图如图 7 所示［4］。

2.1 有限元建模

2．1．1 有限元单元类型

ABAQUS软件中提供了符合流体静力学条件的静水流体单元，该流体单元能够使橡胶气囊的变形和作用在气囊边界上的气体压力之间相互耦合，并且腔内的气体压力可以通过腔内容积的变化计算出来。在对空气弹簧弹性特性分析时，假设空气弹簧腔内的气体为理想气体，并且在工作过程中气体的温度保持不变。应用静水流体单元模拟空气弹簧腔内气体，流体单元与橡胶材料的壳单元共用节点（见图8），分析过程中随其节点的变化而变化。

2．1．2 定义单元特性参数

图9中INP文件为定义橡胶气囊帘线单元及材料参数程序段。程序段中定义了帘线（尼龙）材料参数和帘线角度，帘线角分为四部分，分别为±75°，±35°，±49°和±35°，帘线层为2层。橡胶气囊采用四节点壳单元（S4R），帘线层用Rebar模拟，上盖板和底座采用刚性面单元，压缩空气用静水流体单元。

缓冲块只在极限工况下起作用，本文模拟的是正常工况，考虑到缓冲块在气囊内部占据了一定体积，将其处理为刚性面以消除其体积对气压的影响。

空气弹簧在工作行程中，其橡胶气囊与活塞和缘板均发生接触（见图10），接触问题属于带约束条件的泛函极值问题。ABAQUS/Standard中通过定义接触面（surface），并由一对相互接触的面构成一个“接触对”（contact pair）来模拟接触问题。在分析中假设橡胶气囊与缘板和活塞为无滑移接触，不考虑摩擦，橡胶气囊为变形体，缘板和活塞为接触体。空气弹簧有限元模型中共使用了2 860个壳单元（S4R）、3 190 个四节点气体单元（F3D4）和 44 个三维三节点气体单元（F3D3），以及1 584个三维四节点刚性面单元（R3D4）和44个三维三节点刚性面单元（R3D3）。

2.2 有限元模型分析

空气弹簧有限元模型非线性分析分为两步：第一步为充气过程，将缘板和活塞刚性体各自参考点的6个自由度约束住，同时在气体单元的参考点上施加初始气压0.7 MPa；第二步为加载过程，将活塞刚性面参考点沿轴向的约束替换为+165/-127mm的垂向位移［5］。

2.2.1 恒压静态分析

通过以上有限元模型分析结果并利用ABAQUS软件得到0.7 MPa恒压工况静态分析结果如下。

从图11和图12中可以看出，空气弹簧在设计高度和最大拉伸位置的形状及位移行程；由图13可以看出最大压缩位置时橡胶气囊的最大应力为5.39 MPa，位置为空气弹簧中间部分；图14中可以看出，空气弹簧在恒压工况时，其位移行程在-120～20mm（设计高度附近）区间，其刚度变化较小，而在最大拉伸和压缩行程附近区间刚度较大，这使得安装空气弹簧的商用车具有更好的行驶平顺性。

2.2.2 绝热静态分析

0.7 MPa绝热工况静态分析结果如下。

从图15中可以看出，绝热工况下最大压缩位置时橡胶气囊的最大应力为6.73MPa，比恒压工况下大24.8%，位置也为空气弹簧中间部分；图16和图17分别为绝热工况下气压和体积随加载位移的变化曲线，整个加载行程中气压的变化范围为0.56～1.62MPa，体积的变化范围为0.0122m3～0.0 046m3；图18中可以看出，空气弹簧在绝热工况下的刚度特性具有明显的非线性，其刚度在随着空气弹簧从最大拉伸行程到最大压缩行程不断增大，且在最大压缩行程位置时刚度约为667 N/mm。

3 实验数据与有限元分析对比

空气弹簧实验数据经过处理得到不同初始压力下的位移与反作用力和位移与压强关系曲线，将其曲线分别于不同初始压力下的仿真计算曲线进行对比分析。由于实验设备行程空间的限制，试验只进行了设计高度±50mm的工作行程内的测量，其中设计高度位置为305mm，而仿真分析的结果是在空气弹簧在设计高度305 mm的整个工作行程内得到的。如图19及图20所示为空气弹簧垂向弹性特性的有限元分析和相应的实验结果对比曲线，其中位移代表设计高度位置，正值为压缩行程，负值为拉伸行程。

图19中的虚线是空气弹簧刚度特性的有限元计算曲线，该曲线呈反“S”形，表现出明显的非线性特性。当空气弹簧的工作行程在90～127mm之间，即空气弹簧的橡胶气囊与底座圆弧面接触时，空气弹簧的刚度逐渐增大。

由图20中可以看出，空气弹簧在工作行程±50 mm内载荷－位移曲线和压强－位移曲线吻合的较好，尤其是在设计高度位置附近，而在±50mm位置处有一定的误差。这是由于橡胶气囊与底座接触面积变化增大且有摩擦的影响，而仿真分析的接触边界假设为无摩擦接触的缘故，但由于摩擦较小且误差在合理的范围，整体结果表明仿真分析的正确性。

由于试验条件限制，PLD－100微机控制电液伺服疲劳试验机只能对空气弹簧在工作行程±50 mm内输出载荷—位移曲线和压强—位移曲线，通过验证仿真结果的可行性，其他工作行程所需数据可以通过仿真数据进行模拟来实现。

4 小结

本章节主要为得到某型重卡上后悬架用膜式空气弹簧（型号为1T19F-7）的刚度特性，利用PLD-100微机控制电液伺服疲劳试验机，按照GB/T13061-91对其进行静刚度特性试验。在试验的基础上对空气弹簧进行了有限分析，通过有限元模型的建立和调整，利用ABAQUS软件得到0.7 MPa恒压工况静态仿真分析结果和0.7 MPa绝热工况静态仿真分析结果，最后通过静刚度特性试验结果与仿真结果进行比较并对两曲线存在的误差进行了分析，确定空气弹簧在工作行程±50 mm内载荷—位移曲线和压强—位移曲线吻合的较好，表明仿真分析的正确性，有效的解决PLD-100微机控制电液伺服疲劳试验机只能对空气弹簧在工作行程±50mm内输出载荷—位移曲线和压强—位移曲线所造成的试验限制，工作行程±50mm以外的数据可以通过仿真获得，为后续的空气弹簧悬架子系统的动力学模型的建立提供了较为完整的数据资料。

［1］韩小娟.空气弹簧的特性及应用研究［J］.机械设计与制造.2001，4：78-79.

［2］ 金静.空气弹簧及其应用 ［J］.应用能源技术.1997（3）：19-20.

［3］孙为群.汽车空气弹簧的理论分析与试验研究［J］.汽车科技.1999，149（2）： 1-5.

［4］方波平.汽车用空气弹簧橡胶气囊的研制［J］.橡胶工业.1995，42（1）：42-44.

［5］庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例［M ］.北京：科学出版社，2005.