“翻转+工程案例”车辆专业本科教学实验改革探索——以“空气弹簧性能实验”为例

魏政君，姜长城，李广龙，李利平，郑益谦

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

0 引言

新工科建设浪潮下，为培养具有工程实践能力的创新型人才，本科实验教学内容应贴近工程实际，紧跟科研步伐，使其更具设计性、探索性、研究性的特征；实验教学模式因学生志趣而改进，借助现代信息技术，线上线下，课内课外，拓展学生实验学习时间与空间，提高学生对课程学习的兴趣，积极挑战学习上的难题，提升实验参与度，培养学生解决复杂工程问题的素质能力[1-6]。

空气弹簧作为汽车空气悬架系统的核心部件，其优良性能对于提升乘坐舒适度，减少大型汽车对路面破坏起着关键的作用。空气弹簧在主要发达国家商用车中的配置率超过80%，而中国用车的配置率还非常低。空气弹簧作为减振元件已跨领域使用，如轨道交通、机械工业、防微振领域等[7]。广阔的市场需求与技术进步要求揭示了空气弹簧的研究有重要价值。

鉴于此，将实际工程案例中的“空气弹簧性能实验”引入车辆工程本科实验，以学生为中心，以工程正向研发为主线，借助翻转课堂，进行课前建模仿真，课中实验实施，课后总结答辩，在有限的实验课时下，将线上线下、虚实结合，促使教师主讲的课堂转变为学生实验的殿堂，将知识传授过程转变为个人能力培养的过程。

1 实验对象

空气弹簧是在柔性密闭气囊中充入压缩空气，利用气体非线性的受压恢复特性的非金属弹簧，其质量轻、摩擦少、隔振好、噪音低、高度可调，具有较好的行驶平顺性和道路友好性[7，8]。实验对象为某款双曲囊式橡胶空气弹簧，结构如图1 所示。其中的橡胶气囊由气密层橡胶、外表层橡胶、帘线层和成形钢丝圈硫化而成，是决定空气弹簧性能的关键部件[9-10]。

图1 实验对象

2 课前任务

实验课前任务，不能局限于狭义的实验，而是要求学生进行实验相关的文献研读、建模、仿真、设计方案等，纵向拓展实验，增加内容吸引力、挑战度和探索性。看几十页书的学习效果不如动手完成一个作品来得深刻，它有助于学生理解实验内容，更促使学生掌握现代CAE 工具，提升工程实践能力[11]。

以表1 基本参数为例，安排学生进行建模、仿真、实验准备等，明确整个任务流程。

表1 举例参数

2.1 建模仿真

根据参数，用三维建模软件，创建一个轴对称结构的双曲囊式空气弹簧数模，如图2 所示。导入Hypermesh中前处理，网格划分如图3 所示。在Abaqus 中进行设置计算，用流体单元模拟气体单元，赋予材料属性，将上、下盖板及卡环设置为刚体，利用rebar 单元模拟橡胶气囊中的帘线层，仿真过程中，固定下盖板，对上盖板施加垂向位移[12-13]。初始工作气压为0.4 MPa，初始工作高度为190 mm，定义受压为负方向，竖直位移量-30 mm～+30 mm，载荷-位移结果如图4 所示，应力云图如图5 所示。

图2 模型

图3 网格划分

图4 仿真结果

图5 应力云图

2.2 实验设计

利用MTS（Mechanical Testing & Simulation，以下简称MTS）测试仪，实验设计方案如图6 所示，空气弹簀下盖，通过设计的工装夹具与MTS 试验台下端的作动器连接。上盖通过工装与MTS 试验台的固定端相连接。压缩空气经过一系列阀门管路至空气弹簧内。在对空气弹簧垂直拉压循环下，传感器获得位移、压力，气囊内部压强等信号，由MTS 测试仪采集与处理。

图6 实验方案

3 课中实验实施

实验实施是实验课程的核心，将课前虚拟仿真与课中空气弹簧实验相结合，扬长避短，相互促进。在有限的课堂时间里，尽可能提高学生的兴趣度和参与度，引导学生发现问题、思考问题、解决问题，使其在实验中学习，在疑问中提高，在争辩中内化。

3.1 实验过程

按设计的实验方案连接工装、管路等，实验现场如图7 所示。在台架上调整空气弹簧至工况要求的初始工作高度，设置空气压缩机输出压力，打开阀门对空气弹簧充气至初始气压，并检查压降，确保气密性。

图7 实验现场

在MTS 测试软件中，编制静态、动态下的特性测试程序。静态特性实验，采用位移控制模式，压缩为负方向，控制传动器以5 mm/min 的速率缓慢在-30 mm ～+30 mm 之间垂直循环拉压。动态特性实验，激励振幅为2 mm，激励频率为0.5 ～18 Hz，步长为0.5 Hz，在不同频率下进行垂直振动。MTS 测试系统采集循环过程的载荷、位移、压强信号并处理。

3.2 结果分析

实验结果不仅仅是验证，也是正向设计，或是研究模型获得参数的重要途经，如需要的空气弹簧有效面积、面积变化率等结构参数主要靠实验直接或间接获取。通过实验明确参数对性能的影响以正确指导空气弹簧设计，减少反复试制，节省成本，提高效率。

结果如图8 所示，在工作压力0.4 MPa 下，随初始高度降低，其有效的气体承载面更大，即空气弹簧的有效面积更大，故承载能力增大。迟滞回线在极限位移处均存在尖角效应，190 mm 的工作高度的曲线迟滞损耗较大。对比190 mm 初始高度下的静态刚度仿真与实验结果，整体斜率偏差较小。有限元法获取的仿真结果的迟滞效应不明显，而试验法实验结果呈现明显的迟滞效应，这是仿真中忽略了橡胶气囊的材料非线性，此时弹簧载荷主要由压缩空气反作用力决定，载荷-位移趋于一条直线。

图8 静态刚度

空气弹簧支承力的主要影响因素是囊内气压与有效面积。根据测得囊内气压，间接获取有效面积，见图9、图10，空气弹簧内部气体压力在初始气压0.4 MPa 附近变化，在压缩行程，压力逐渐升高，在拉伸行程，压力逐渐降低。初始工作高度为190 mm 的气压曲线随位移的变化更为明显，非线性更强。这是由于较低的初始工作高度使空气弹簧内部体积量较小，其调节压力波动的能力较弱。从图10 可知，有效面积随则压缩位移的增大而增大，空气弹簧的承载能力也有所提高，这与图8 结果具有相同的趋势。当初始气压相同时，初始工作高度越低，其有效面积也越大。

图9 囊内气压

图10 有效面积

动态刚度具有明显的频率相关性，实验结果如图11所示，动态刚度要大于静态刚度，不同的初始工作高度，其动态刚度量值虽然不同，但其整体的变化趋势是一致的，随着激励频率的增大，动态刚度量值逐渐增大。在汽车正常工作频率18 Hz 范围内时，动刚度整体的平稳缓慢增加有利于保持较低的固有频率，以获得更好的隔振性能，提高乘坐舒适性。

图11 动态刚度

4 课后总结拓展

4.1 总结答辩

课后，教师与学生都要进行总结、评价、反思，形成有效的闭环反馈。学生总结报告涵盖课前、课中的内容，以小论文的形式提交，并以答辩的形式结课。课程评价注重整个过程质量监控，关注学生的知识与能力的达成情况。

4.2 实验拓展

必修的第一课堂完成，顺势而为地引导学生进入第二课堂，让更多的学生学以致用，深度科研，进一步锻炼自己，最终结出果实。

（1）研究附加辅助气室对空气弹簧隔振性能的影响。不同辅助气室体积下、在空气弹簧与附加气室之间设置阻尼装置，研究其对动静态特性影响。

（2）用试验法、有限元法、图解法等，研究影响参数变化下的性能变化，如：不同初始压力、不同帘线角、帘线层数、皮囊长度影响下的空气弹簧载荷-位移关系，动态刚度的变化情况。

（3）研究空气弹簧在空气悬架实验台架上的高度自适应调节的原理，进而拓展到刚度调节、阻尼调节等主动控制方面的实现方法。

5 结语

将工程案例实验内容引入车辆专业本科实验教学，借助翻转课堂模式，沿着工程正向研发的逻辑顺序，进行课前建模仿真、课中实验分析、课后总结答辩，强化学生工程意识的同时，促使学生实验准备更充分，使其更能在课堂中得心应手，树立自信，更加主动学习实验探索。在有限的宝贵的课堂时间里，学生获得更多的实验机会，探索更多的知识，进行更深的交流，有效锻炼其工程实践创新能力。