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(shí)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(shí)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(jì)了一款可模擬1/4車輛模型的空氣懸架試驗(yàn)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(yàn)證其正確性。

1 空氣氣囊結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

該試驗(yàn)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)颍约皺M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(yùn)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(jì)，本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)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(yàn)。

2 試驗(yàn)臺架的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

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(yàn)臺的功能介紹

根據(jù)需求，該臺架應(yīng)實(shí)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(shí)現(xiàn)；同時(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(yùn)動［2］，而該臺架為確保氣囊的運(yùn)動方向，采用槽鋼和導(dǎo)向輪為其導(dǎo)向，從而使試驗(yàn)?zāi)軌虬踩€(wěn)定地運(yùn)行；電動千斤頂可實(shí)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(yàn)需求，因此本文著重分析試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)體，4根支架與上下底板間采用焊接。

3.2 試驗(yàn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)臺有限元模型及邊界條件如圖3所示。

3.3 計(jì)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(yàn)

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(shí)具有較低的振動頻率，和較小的振幅。

4.1 對特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合

進(jìn)行空氣彈簧的特性試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)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(xiàng)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(shí)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(shí)空氣氣囊的特性曲線幾乎只呈線性增長，主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(jì)算時(shí)［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(shí)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(shí)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?dú)饽逸d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?；V0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(shí)刻體積。該試驗(yàn)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(yàn)以及仿真中使用。

5 總 結(jié)

經(jīng)過對試驗(yàn)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(yàn)過程中的安全性和穩(wěn)定性，為最終實(shí)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(yàn)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(jì)［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(jì)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.