高曉華，陳俊杰,2，曾祥坤

（1 廣東邦達實業(yè)有限公司，廣東 中山 528455；2 江西理工大學，江西 贛州 341400）

汽車懸架柔性地將整車骨架和車軸進行連接，是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間所有傳力連接裝置的總稱[1]。傳統(tǒng)汽車懸掛系統(tǒng)以金屬彈簧作為其主要彈性隔振元件進行降噪隔振[2]，其外加載荷與所產(chǎn)生位移的比值是一個確定的常數(shù)。而空氣彈簧相對傳統(tǒng)的鋼板彈簧和螺旋彈簧，其剛度是非線性的，且自振頻率較低，有利于汽車操縱穩(wěn)定性和乘員舒適性。

在空氣彈簧力學性能的設(shè)計與預測研究上，圖解法[2]由于其自身精度不高、對研發(fā)人員經(jīng)驗的高度依賴、效率低下等缺點而漸漸被淘汰。試驗方法[3]是最為直接、準確性最高的一種研究方法，但研發(fā)周期長、成本較高。有限元法(Finite element method，F(xiàn)EM)[4]可以通過修改模型的相關(guān)參數(shù)高效地預測不同參數(shù)對空氣彈簧力學特性的影響，降低了研發(fā)成本和縮短了研發(fā)周期，因此被廣泛運用。

空氣彈簧誕生于19 世紀50 年代是由Jhon Lewis發(fā)明的，其早期的運用主要是在機械設(shè)備的隔振方面[5]。國外商業(yè)用途的載客車輛，其懸架系統(tǒng)無一例外都采取空氣皮囊作為主要隔振部件，在高級轎車上和一些特種車輛上的應(yīng)用也相當普遍[7]。

中國的工業(yè)發(fā)展起源相對滯后?？諝鈴椈稍趪鴥?nèi)的發(fā)展應(yīng)用起步較晚，20 世紀50 年代國內(nèi)才出現(xiàn)空氣彈簧懸架的設(shè)計與其在客貨車上的實際應(yīng)用[6]。直到90 年代，國內(nèi)才開始有意識大規(guī)模地采用空氣彈簧懸架。由于國內(nèi)設(shè)計和工業(yè)水平的一些不足，當時多數(shù)商用車廠家都選擇從國外進口，主要是采用歐洲國家生產(chǎn)的空氣彈簧[11]。但由于歐洲國家所開發(fā)的空氣彈簧的針對性太強、結(jié)構(gòu)不夠簡單，一般只適用于具體型號或具體系列的汽車，且與我國當時較為落后的道路系統(tǒng)有所沖突。

1 空氣彈簧及其力學性能試驗

橡膠膜式空氣彈簧試驗樣件見圖1。標準設(shè)計高度為195mm，最大設(shè)計壓力是0.7MPa。測試時，以5mm/min 的速度施加位移載荷直至完成該款膜式空氣彈簧試驗的一個試驗行程（-130mm 至50mm），并記錄該過程中空氣彈簧的力學性能曲線（位移-載荷曲線）。見圖2。

2 空氣彈簧有限元建模

圖1 空氣彈簧試驗樣件

圖2 空氣彈簧力學特性測試現(xiàn)場

考慮到空氣彈簧離散化模擬仿真分析過程中的各種非線性問題，經(jīng)過綜合對比選取ABAQUS軟件對其進行物理模型構(gòu)建和離散化模擬仿真分析。模型離散化成為有限元模型，用增量分析與更新拉格朗日公式處理大變形和旋轉(zhuǎn)[8-10]。

2.1 網(wǎng)格的劃分

文中空氣彈簧的離散化模型由上蓋板、橡膠皮囊、活塞和空氣四大部分組成（圖3～圖5）。其中橡膠皮囊選用Mooney-Rivlin 模型[9]，其模型參數(shù)C10=3.2 MPa，C01=0.8 MPa，其中橡膠基體殼單元厚度為6mm，簾線層采用Rebar 單元（楊氏模量為2000MPa，泊松比為0.3），簾線截面面積為0.332mm2，簾線間距為2mm，兩層簾線角度分別為45°和-45°，距離中性面距離為1mm和-1mm。上蓋板和活塞，材料均為45 號鋼，其殼單元厚度為3.5mm。橡膠皮囊內(nèi)的高壓氣體通過流體腔cavity 進行定義。氣體單元與橡膠皮囊及活塞共用節(jié)點，從而實現(xiàn)橡膠氣囊及活塞內(nèi)的空氣腔的定義及密封[11]。

2.2 接觸和邊界條件

文中離散化分析模擬過程中所研究對象模型選用點對面的接觸類型，以及接觸對中的主從面。

3 結(jié)果分析

該款膜式空氣彈簧在0.5MPa、0.7MPa 下計算得到的應(yīng)力應(yīng)變圖見圖6 和圖7。

初始內(nèi)壓為0.5MPa 或0.7MPa 下，該款膜式空氣彈簧有限元模型的仿真分析結(jié)果與實際試驗結(jié)果見圖8，可見計算值與實測值的剛度特性曲線變化趨勢基本一致，且數(shù)值誤差在10%左右。由此可見，文中空氣彈簧靜態(tài)力學特性的離散化有限元建模方法是可行的。

4 結(jié)論

圖3 橡膠皮囊模型

圖4 皮囊與上蓋板接觸定義

圖5 皮囊與活塞接觸定義

圖6 空氣彈簧拉伸狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變圖

圖7 空氣彈簧壓縮狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變圖

圖8 不同壓力下空氣彈簧靜態(tài)力學特性計算值與實驗值對比

文中對一款模式橡膠空氣彈簧進行了靜剛度特性試驗、建模、有限元仿真分析，由計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比可知，兩者最大誤差不超過10%，滿足工程設(shè)計誤差需求，驗證了有限元模型的正確性。因此，可將文中空氣彈簧離散化有限元建模方法應(yīng)用于后續(xù)動剛度計算和設(shè)計中，以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)對剛度特性影響的研究中，這對縮短橡膠空氣彈簧產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本有重要意義。