空氣彈簧試驗臺的設(shè)計及特性試驗

鮑健銘，王保華，楊啟梁

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

與傳統(tǒng)懸架相比，空氣懸架的特性曲線是非線性的，可以獲得較低的固有頻率，并具備良好的隔振性能，其次空氣彈簧的剛度受氣壓和體積以及載荷的影響，因此它可以滿足多種工礦的需求，從而兼顧車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性。而電控空氣懸架更能滿足在復(fù)雜工況下車輛對不同高度的需求，以保證在良好路面上行駛時降低車輛高度從而提高操縱穩(wěn)定性，在不平道路上行駛時提高車輛高度從而提高舒適性。因此，電控空氣懸架是今后汽車發(fā)展的趨勢之一，本文對此設(shè)計了一款可模擬1/4車輛模型的空氣懸架試驗臺，并配備了的電子控制器、電磁閥、傳感器以及供氣裝置，為下一步開發(fā)電控空氣懸架的控制策略搭建了平臺，從而更好地驗證其正確性。

1 空氣氣囊結(jié)構(gòu)和特點

該試驗臺所采用的空氣氣囊是Firestone公司生產(chǎn)的膜式氣囊，它可以通過改變活塞形狀來控制有效面積的變化率，其彈性特性曲線（圖1）更為理想，可得到較低的自振頻率［1］。由于空氣彈簧的自身特性使它只能承受垂直載荷，因此應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)上的空氣氣囊需要縱向?qū)?，以及橫向推力桿等裝置，從而增加了懸架的成本，但是空氣彈簧良好的隔振性和較小的體積使它被廣泛地運用于商用車以及高級客車中，而研究空氣彈簧的特性能夠提供充足的匹配數(shù)據(jù)，使其車輛的懸架系統(tǒng)得到優(yōu)化設(shè)計，本文所設(shè)計的試驗臺，不僅能做出空氣彈簧的特性曲線，還能模擬1/4車模型對其進(jìn)行仿真試驗。

2 試驗臺架的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

該臺架主要組成部分包括電動千斤頂、螺旋彈簧、空氣彈簧、減震器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，另外還包括高度傳感器、電磁閥、ECU等電控設(shè)備。

2.1 試驗臺的功能介紹

根據(jù)需求，該臺架應(yīng)實現(xiàn)3個功能：

1）模擬1/4車輛功能

此1/4車輛模型包括簧載質(zhì)量、減震器、空氣彈簧以及高度傳感器和電磁閥等電控設(shè)備；簧載質(zhì)量可以通過電動千斤頂壓縮模具彈簧產(chǎn)生預(yù)緊力來實現(xiàn)；同時電動千斤頂可以模擬空氣彈簧所受的路面激勵。

2）正弦激勵功能

電動千斤頂可通過單片機(jī)控制其周期性地升降，從而實現(xiàn)對空氣彈簧的正弦激勵；對于氣囊高度的測量，可由裝在空氣彈簧試驗臺上的高度傳感器完成，從而測量激勵對氣囊高度的影響。

3）空氣彈簧特性測試

由系統(tǒng)配帶的空壓機(jī)對空氣彈簧充入定量的氣體，然后關(guān)閉進(jìn)排氣口，形成一閉口系統(tǒng)，通過電動千斤頂對其增加載荷，改變空氣彈簧體積和內(nèi)壓，再由高度傳感器測量氣囊高度變化，記錄載荷隨位移變化的數(shù)據(jù)，然后擬合成曲線。

2.2 試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)需求，該臺架采用龍門式結(jié)構(gòu)以保證其整體結(jié)構(gòu)緊湊、安全穩(wěn)定，三維圖如圖2所示。

由于氣囊只能承受垂直載荷，因此車用空氣懸架上大多采用板簧式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、縱置剛性臂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、V行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及四連桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以傳遞汽車的縱向力、側(cè)向力和力矩，從而保證空氣彈簧只在垂直方向上運動［2］，而該臺架為確保氣囊的運動方向，采用槽鋼和導(dǎo)向輪為其導(dǎo)向，從而使試驗?zāi)軌虬踩€(wěn)定地運行；電動千斤頂可實現(xiàn)對空氣彈簧的加載和改變氣囊的位移，模具彈簧主要負(fù)責(zé)傳遞壓力，對空氣彈簧進(jìn)行回位補(bǔ)償；該臺架的主要部件如下：

底板：承受來自空氣彈簧及千斤頂?shù)膲毫?，在其背部焊接方鋼骨架，增加?qiáng)度；底板尺寸為900×560mm，厚 8mm。

底板骨架：由6根方鋼焊接組成的骨架尺寸為：900×560mm，方鋼尺寸為邊長 40×40mm，壁厚4 mm。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：為模具彈簧及空氣氣囊導(dǎo)向，由槽鋼和螺旋彈簧導(dǎo)向輪及氣囊導(dǎo)向輪組成。

支架：支撐整個臺架，承受來自上下底板傳遞的張力，選取冷拔無縫方鋼；邊長60×60mm，壁厚5mm，長 894mm。

模具彈簧：將千斤頂?shù)膲毫鬟f至空氣彈簧，使空氣彈簧具有回位的空間；尺寸為TH60×30×250 mm，外徑 60 mm，內(nèi)徑 30 mm，高 250 mm，剛度 176.5N·mm－1，最大形變量 72 mm。

空氣氣囊：Firestone膜式氣囊，正常高度255mm，有效面積 283.3 cm2。

3 臺架的強(qiáng)度分析

所選取的電動千斤頂和模具彈簧已達(dá)到試驗需求，因此本文著重分析試驗臺支架和上下底板的強(qiáng)度，以確保臺架的安全性和穩(wěn)定性。在受力形式上，整個臺架所接觸到的施力體包括電動千斤頂和空氣彈簧，而受力體只有臺架的上下底板，下底板受力面的形狀為一圓形，面積283.3cm2，上底板受力面形狀為一矩形，面積200cm2。

本文采用Hyperworks軟件對臺架進(jìn)行強(qiáng)度分析，繪制的三維總裝模型可直接導(dǎo)入其Hypermesh中進(jìn)行應(yīng)力分析，比較便捷。

臺架工作時，千斤頂加載緩慢，因此可視為靜載荷，其力學(xué)模型比較簡單，在上底板和下底板受到2個大小相等方向性反的力，只是作用力的面積和形狀不同，按照最大載荷20000N進(jìn)行分析，將圖2中臺架三維模型導(dǎo)入Hypermesh。

3.1 模型所使用材料

需要分析的部件有上下底板和4根支架，材料為 Q235，楊氏模量為 2.0×1011Pa，泊松比為 0.3，密度為7850kg·m－3。由于只分析臺架的強(qiáng)度，進(jìn)行有限元建模時，不考慮千斤頂和螺旋彈簧，并且忽略掉導(dǎo)向槽等其他不受力元件，把空氣彈簧看作一實體，4根支架與上下底板間采用焊接。

3.2 試驗臺有限元模型的建立

對臺架進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，施加邊界條件，在空氣彈簧上表面和上底板之間加載20000N的張力，對下底板四角進(jìn)行固定約束，對氣囊實體采用20×20×20mm的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其總單元數(shù)為1224個，節(jié)點數(shù)為1530；支架采用的方鋼材料使用20×20mm厚為4mm的四邊形殼單元，其總單元數(shù)為2160個，節(jié)點數(shù)為2208；上下底板焊接的方鋼骨架使用20×20mm厚為的四邊形殼單元，總單元數(shù)1440個，節(jié)點數(shù)1487；上下底板使用20×20mm厚為8mm的四邊形殼單元。該臺架中上下底板和骨架之間的焊縫、上下底板和方鋼之間的焊縫全部采用RBE2剛性連接單元處理，總共494個單元。試驗臺有限元模型及邊界條件如圖3所示。

3.3 計算結(jié)果

從圖4可看出，由于千斤頂?shù)牡鬃?00×120mm的矩形，因此應(yīng)力主要集中在上底板的長方形地帶，最大應(yīng)力點發(fā)生在支撐千斤頂?shù)纳系装骞羌艿倪吜荷?，其von－mises應(yīng)力值σ為126MPa，小于Q235的許用應(yīng)力［σ］為160MPa，因此整個臺架具備良好的安全性和穩(wěn)定性。

從圖5中可看出，下底板最大應(yīng)力發(fā)生在底板的四角，由于下底板的四角固定約束，因此在受力變形時應(yīng)力最大，其von－mises應(yīng)力值σ為124MPa，小于Q235的許用應(yīng)力［σ］為160MPa，然而在實際中，此四角安裝萬向輪，無約束，故應(yīng)力更小。

4 空氣彈簧特性試驗

每個不同尺寸的空氣彈簧都有自己的特性曲線，它能很好地說明彈簧載荷隨位移變化的關(guān)系；測得空氣彈簧的特性曲線，可以為車輛的懸架系統(tǒng)的匹配提供參考，使車輛行駛在道路上時具有較低的振動頻率，和較小的振幅。

4.1 對特性試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合

進(jìn)行空氣彈簧的特性試驗時，將氣囊內(nèi)充入一定量的氣體，然后把氣囊進(jìn)排氣口堵住，從而形成一閉口系統(tǒng)，這樣便可測得其載荷隨氣囊高度變化的一組數(shù)據(jù)，然后擬合成一條曲線。本文在這里將氣囊內(nèi)依次充入 0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa 的氣體，從而獲取了3組數(shù)據(jù)（表1）。

表1中，h表示氣囊的位移，mm，壓縮為正，拉伸為負(fù)，正常高度為0；F表示氣囊所受載荷，N。將獲取的試驗數(shù)據(jù)用Matlab軟件進(jìn)行擬合，輸入命令

表1 不同載荷隨氣囊高度變化的數(shù)據(jù)表

使用

四次多項式便可精確地表達(dá)其曲線，如圖6所示。

從圖6中可看出，氣壓在5 bar時空氣彈簧載荷隨位移變化呈較為明顯的反“S”形曲線，但是與已給曲線對比，該曲線的非線性程度不明顯，尤其是氣壓在3 bar、4 bar時空氣氣囊的特性曲線幾乎只呈線性增長，主要是因為在試驗過程中，氣囊的壓縮行程是±40mm，此行程屬于氣囊的正常行車范圍，如圖1所示，因此在這段行程中，空氣彈簧的特性曲線呈較為平坦的線性增長，而該實驗中所采用的firestone膜式氣囊的極限壓縮行程為±80mm，在此范圍內(nèi)氣囊才能呈現(xiàn)較為明顯的非線性反“S”形曲線，試驗過程中為保證安全，將氣囊的最大行程定在±50mm。

4.2 空氣彈簧剛度計算分析

汽車空氣懸架中空氣彈簧具有非線性剛度特性，理論計算時［3］，空氣彈簧剛度可以直接由載荷F對位移h求導(dǎo)得到

因此在對氣囊剛度進(jìn)行建模時有了數(shù)學(xué)模型；空氣彈簧的主要參數(shù)：有效面積AE，cm2；有效氣壓Pe，bar；彈簧剛度 k，kN·m－1。由于該臺架能實現(xiàn)千斤頂對氣囊的緩慢加載，從而測得空氣彈簧的載荷隨位移變化的數(shù)據(jù)，在此過程中，可將氣囊看作閉口系統(tǒng)，氣體為理想氣體；根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

再由已知氣囊載荷

可以建立氣囊剛度的數(shù)學(xué)模型，式中：P為絕對氣壓，P=Pa+Pe；V為氣囊容積；n為熱力學(xué)指數(shù)。

根據(jù)式（1）、（3）可以得出空氣彈簧的剛度

將式（3）兩端對氣囊位移h求導(dǎo)，得

將式（5）代入式（4），其中

將式（8）代式（7），可得

式中：P0為氣囊內(nèi)初始?xì)鈮海籚0為氣囊初始體積；n為熱力學(xué)指數(shù)；AE為有效面積，cm2；P0為氣囊內(nèi)初始壓力，bar；V為氣囊任意時刻體積。該試驗臺所使用氣囊正常高度h0為255mm，初始體積V0為6908cm3，有效面積AE為283.3 cm2，分別取初始壓力 P0為3bar、4bar、5bar從而可得3組剛度數(shù)據(jù)；對于膜式空氣彈簧而言，體積變化可近似式表達(dá)：

將測得氣囊高度數(shù)據(jù)換算成體積量，并將此數(shù)組和初始壓力 P0代入式（9），得剛度數(shù)組（表 2）。

表2 不同大氣壓下的剛度數(shù)據(jù)表

表中，K表示氣囊剛度，kN·m－1。氣囊剛度隨高度的變化曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，空氣彈簧的剛度曲線是非線性的，該曲線可在以后的試驗以及仿真中使用。

5 總 結(jié)

經(jīng)過對試驗臺的強(qiáng)度分析和氣囊的特性測試可以得到以下結(jié)論：

1）臺架的主要受力部件中，上下底板、骨架的邊梁以及臺架支柱的強(qiáng)度均滿足要求，能夠保證臺架在試驗過程中的安全性和穩(wěn)定性，為最終實現(xiàn)模擬1/4車輛模型、正弦激勵以及空氣彈簧特性測試3個功能提供了平臺。

2）通過氣囊的特性試驗獲取了在不同氣壓下空氣彈簧的特性曲線和剛度曲線，為車輛懸架系統(tǒng)的匹配提供了參考，并且為下一步開發(fā)電控空氣懸架控制策略提供了可借鑒的數(shù)據(jù)。

［1］ 程悅.電控空氣懸架系統(tǒng)的匹配設(shè)計［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005.

［2］高書移，梁為.EQ6850KR高級客車空氣彈簧懸架設(shè)計開發(fā)［J］.客車技術(shù)與研究， 2003，25（4）):10－13.

［3］ 羅福祎.商用車懸架控制系統(tǒng)的研制與開發(fā)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.