計穎聰，李 美，張少波，王德志

(海南大學 機電工程學院，海南 ?？?570228)

空氣彈簧是利用封閉內腔中的壓縮空氣來實現(xiàn)其彈性作用，主要作為車輛懸架的彈性元件，具有變剛度的特點.在車輛行駛的過程中，可以通過降低空氣彈簧的剛度值來降低自振頻率[1]，同時，空氣彈簧的剛度特性對車輛的操穩(wěn)性和平順性具有重要影響.因此，對空氣彈簧剛度特性的研究顯得尤為重要.空氣彈簧剛度特性主要包括：垂向剛度、橫向剛度和扭轉剛度特性[2].現(xiàn)有的空氣彈簧試驗臺架，只能完成單一自由度性能的檢測[3-4].為了模擬車輛真實的行駛工況，設計一套完善的試驗臺對空氣彈簧的檢測研究工作具有重要意義.

1 空氣彈簧試驗臺架總體方案設計

空氣彈簧試驗臺架由3個部分組成，分別是：機械結構、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，結合某乘用車懸架用膜式空氣彈簧對空氣彈簧試驗臺架進行設計.空氣彈簧試驗臺架的機械部分主要有配重機構、六自由度平臺、固定框架、六分力傳感器和附加氣室等，其原理如圖1所示.該試驗臺架可模擬空氣彈簧在不同工況下的負載形式，通過六自由度平臺提供的垂向和橫向激勵，從而實現(xiàn)以下檢測功能：靜態(tài)垂向剛度試驗、靜態(tài)橫向剛度試驗、動態(tài)垂向剛度試驗和動態(tài)橫向剛度試驗.

空氣彈簧性能試驗臺架具體包括：承載立柱2個，可調式斜撐6個，配重支承架1個，配重塊30塊，橫梁1個，六自由度平臺1個，六分力傳感器1個，空氣彈簧上下夾具各1個，附加氣室1個，驅動電機1個.其機構如圖2所示.

配重塊六分力種感器附加氣室空氣彈簧運動平臺圖1 空氣彈簧試驗臺原理圖圖2 空氣彈簧試驗臺架結構圖

當該乘用車滿載單個空氣彈簧承受的負載約為500 kg，考慮到試驗臺架的安全性，以最大可實現(xiàn)對空氣彈簧進行720 kg的載荷作為該試驗臺架的關鍵設計指標之一.承載立柱、橫梁及斜撐組成了配重機構的固定支架，在試驗過程中，配重機構會隨著空氣彈簧的運動而運動.因此，需要固定支架的支承來保證整個試驗臺架的穩(wěn)定性.該試驗臺架屬于單件產(chǎn)品設計，同時綜合考慮試驗臺架的特殊功用及試驗的可靠性，在結構設計過程中采取適當放大設計余量的處理方法.

2 空氣彈簧試驗臺架機械結構設計

2.1 配重機構結構設計用配重機構模擬車輛在行駛過程中空氣彈簧的垂向載荷，結構如圖3所示.在滿載狀態(tài)下，該車簧載質量為2 000 kg，因此單個空氣彈簧最多需要承受的質量大約為500 kg.

為了使配重機構實現(xiàn)重量可調，容易拆裝，采用多塊配重塊疊加的方式.配重塊的結構，如圖4所示.

配重塊配重支承架圖3 配重機構結構圖4 配重塊結構圖

單塊配重塊的尺寸約500 mm×500 mm×10 mm，材料為鑄鋼，密度為7.80/(g·cm-3)，計算得每塊配重塊的質量為19.5 kg.由于每塊配重塊帶有4個吊耳，因此每塊配重塊的實際質量大約為20 kg.

配重機構由配重支承架和配重塊組成，配重塊共30塊，總重量600 kg，配重支承架自重120 kg，通過增減配重塊來調整空氣彈簧的垂向載荷，以滿足不同的試驗工況要求.

1為通氣管； 2為上蓋板； 3為轉盤； 4為棘輪； 5為下蓋板； 6為搖桿圖5 附加氣室結構

2.2 附加氣室構結構設計空氣彈簧的容積與空氣懸架系統(tǒng)的剛度息息相關，為提高車輛行駛的平順性，可以在空氣彈簧的基礎上增加附加氣室[5].普通的附加氣室容積固定，不能隨著車輛行駛工況的不同而改變空氣彈簧的剛度，該設計中的附加氣室容積可以隨著車輛行駛工況的不同而改變.附加氣室與空氣彈簧的連接方式有2種：1)通過節(jié)流孔將附加氣室連接在空氣彈簧的頂端或底端；2)通過管路將空氣彈簧和附加氣室相連[6].考慮到將空氣彈簧與附加氣室分開的布置形式在整體布局上較為靈活，采用第二種連接方式，附加氣室的結構如圖5所示.

附加氣室主要由腔體、搖桿、上下蓋板、棘輪和轉盤等構成.腔體中設置2個帶有通氣孔的隔板，將腔體分割成3個“子氣室”.隔板上均勻分布5個通氣孔，分別在2個隔板的外側設置一個轉盤，轉盤上均勻分布5個通氣孔，中心位置均帶有棘爪，與搖桿上的棘輪相配合.當需要改變附加氣室容積時，電機驅動搖桿，棘輪機構驅動轉盤轉動，當轉盤和隔板上的通氣孔處于同軸心位置時，附加氣室容積增大.附加氣室雖然可以有效降低空氣彈簧的剛度和頻率，但是空氣彈簧的剛度不會隨著附加氣室容積的增加而無限減小，當附加氣室容積超過彈簧容積2倍以后, 附加氣室容積的變化對空氣彈簧剛度的影響便不再明顯[7-8].因此，將附加氣室設計成高1 000 mm，內徑500 mm的柱形圓筒，容積約為空氣彈簧容積的2倍.

2.3 配重機構固定支架結構設計固定支架結構用以約束配重機構，起到了支撐的作用.為了保證剛度、強度和穩(wěn)定性，在設計中加入了斜撐，配重機構固定支架由2個立柱、6個可調試斜撐、1個橫梁及若干夾板鉸鏈座組成.可調式斜撐長度可調，可以通過調節(jié)斜撐的長度來調整安裝高度和角度，為了增加結構的穩(wěn)定性，將斜撐安裝在立柱的中間位置，同時夾角為45 °，連接方式為鉸鏈連接，其結構如圖6所示.

1為橫梁； 2為立柱； 3為可調式斜撐； 4為夾板鉸鏈座

2.4 空氣彈簧夾具的設計與校核

2.4.1 空氣彈簧夾具設計空氣彈簧的夾具是空氣彈簧的固定裝置，包括上夾具和下夾具.根據(jù)該車空氣彈簧的安裝方式，設計的空氣彈簧上夾具如圖7所示.

圖7 空氣彈簧上夾具結構

圖7a中1和2為螺紋孔，圖7b中3為該空氣彈簧的定位銷安裝孔.上夾具通過螺紋孔1與六分力傳感器相連接，通過螺紋孔2與空氣彈簧上蓋板相連接，同時將空氣彈簧的定位銷與安裝孔3配合.

如圖8所示，該車空氣彈簧下夾具上設置多個螺紋孔，其中1為上端面的2個螺紋孔，用于連接空氣彈簧的下蓋板，4為下底面上的4個螺紋孔，可以通過螺栓連接的方式把下夾具固定在六自由度平臺的上運動平臺上，3為該車空氣彈簧的定位安裝孔，2為空氣彈簧的充氣孔.該空氣彈簧的下夾具與上夾具配套使用，根據(jù)不同的空氣彈簧類型，需要設計不同的夾具.

圖8 空氣彈簧下夾具結構

2.4.2 空氣彈簧夾具強度校核上夾具的上表面與六分力傳感器連接，六分力傳感器通過連接盤固定在配重機構下表面，夾具的強度關系著固定空氣彈簧的能力.因此，為了試驗結果的可靠性，除了對上下夾具進行強度校核，還應對六分力傳感器及連接盤進行強度校核.圖9為上夾具與六分力傳感器及連接盤的裝配圖.

1為連接盤； 2為六分力傳感器； 3為上夾具

利用Solid Works軟件建立上夾具的三維模型，導入ANSYS Workbench中，材料為Q235結構鋼，采用四面體單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，共有14 345個單元，24 180個節(jié)點，把空氣彈簧上夾具的上表面設置為約束，在下表面施加載荷.為了使仿真環(huán)境比試驗環(huán)境更加惡劣，對空氣彈簧上夾具施加10 kN的外力，求解得到上夾具的應力應變如圖10和11所示.

圖10 空氣彈簧上夾具應力圖 圖11 空氣彈簧上夾具應變圖

從圖10和11可以看出，上夾具受到垂向載荷后，最大應力出現(xiàn)在加強筋的中下端，最大應力為51 MPa，小于材料的最大屈服應力235 MPa，最大應變同樣位于該位置，最大形變?yōu)?.23 mm，幾乎沒有變形，可知該設計的強度和剛度滿足試驗要求.

利用Solid Works軟件建立下夾具的有限元模型，導入ANSYS Workbench中，材料為Q235結構鋼，采用四面體單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，共有20 304個單元，32 748個節(jié)點，把空氣彈簧下夾具的上表面設置為約束，在下表面施加載荷.為了使仿真環(huán)境比試驗環(huán)境更加惡劣，對空氣彈簧下夾具施加10 kN的外力，求解得到下夾具的應力應變如圖12和13所示.

圖12 空氣彈簧下夾具應力圖 圖13 空氣彈簧下夾具應變圖

從圖12和13可以看出，下夾具受到垂向載荷后，最大應力出現(xiàn)在夾具下表面的中間位置，最大應力為14 MPa，小于材料的最大屈服應力235 MPa，最大應變同樣位于該位置，最大形變?yōu)?.68 mm，幾乎沒有變形，可知該設計的強度和剛度滿足試驗要求.

3 六自由度運動平臺結構分析與強度校核

1為上平臺；2為上鉸鏈； 3為作動器；4為下平臺；5為下鉸鏈圖14 Stewart平臺工作原理

3.1 六自由度運動平臺結構分析Stewart平臺具有結構簡單、剛度高、承載能力強和誤差小等優(yōu)點，已經(jīng)成為航空航天、海底作業(yè)、制造裝配和車載設備進行動態(tài)可靠性研究的重要模擬試驗裝置.該平臺的工作原理如圖14所示.

Stewart平臺由1個動平臺、1個基座、6個作動器缸筒和6個活塞桿共14個構件組成.采用空間機構自由度的計算方法來計算Stewart運動平臺的自由度F[9]，如式

(1)

其中，n為活動構件數(shù)量，i為i級運動副的約束數(shù).

該機構共有18個運動副，自由度為1的運動副有6個，自由度為3的運動副數(shù)目為6個.因此，該機構的自由度為6.

3.2 六自由度運動平臺機構強度校核

圖15 下支承平臺結構圖

3.2.1 下支撐平臺的強度校核當空氣彈簧試驗臺架進行試驗時，下支撐平臺不僅要承受著配重機構的垂向沖擊，也要承受整個六自由度平臺的重力.因此，下支撐平臺的可靠性尤為重要，需要對其進行強度校核，其結構如圖15所示.

利用Solid Works軟件建立下支撐平臺的三維模型，導入ANSYS Workbench中，材料為Q235結構鋼，采用四面體單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，共有4 947個單元，10 083個節(jié)點，將下支承平臺的下表面設置為約束，在平臺上表面的6個鉸鏈座上施加垂向載荷.考慮到受力環(huán)境的極端性，使仿真環(huán)境比實際工作環(huán)境更加惡劣，對下支承平臺每個鉸鏈座施加10 kN的外力，求解得到上平臺的應力應變如圖16和17所示.

圖16 下支承平臺應力圖 圖17 下支承平臺應變圖

從圖16和17可以看出，下平臺受到垂向載荷后，最大應力出現(xiàn)在下支承平臺鉸鏈座上，最大應力為7 MPa，小于材料的最大屈服應力235 MPa，最大應變也位于該位置，為0.36 mm，幾乎沒有變形，由仿真結果可知該設計的強度和剛度滿足試驗要求.

圖18 上運動平臺與下夾具的裝配圖

3.2.2 上運動平臺的強度校核將空氣彈簧的下夾具固定在運動平臺表面上，同時在運動平臺的底部有6個鉸鏈座，如圖18所示.作動器工作時，上運動平臺承受垂向和橫向載荷，且6個作動器作用力的大小與方向不同，做受力分析比較困難.因此，在ANSYS Workbench進行有限元分析時，同時進行垂向和橫向振動工況的仿真.

利用Solid Works軟件建立上運動平臺的三維模型，導入ANSYS Workbench中，材料為Q235結構鋼，隨后采用四面體單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，共有11 390個單元，20 451個節(jié)點，將上運動平臺的上表面設置為約束，在平臺下表面的6個鉸鏈座上施加垂向和橫向載荷.對上運動平臺施加10 kN的外力，求解得到上平臺的應力應變如圖19和20所示.

圖19 上運動平臺應力圖 圖20 上運動平臺應變圖

從圖19和20可以看出，上平臺受到垂向載荷后，最大應力出現(xiàn)在上運動平臺鉸鏈座上，最大應力為11 MPa，小于材料的最大屈服應力235 MPa，最大應變同樣位于該位置，最大形變?yōu)?.58 mm，變形很小，可以看出該設計的強度和剛度滿足試驗要求.

4 液壓作動器的設計

液壓作動器的作用是將液壓能轉化成機械能，從而實現(xiàn)試驗臺架的往復運動，結構如圖21所示.

圖21 作動器結構

圖21中D為缸筒內徑，d為活塞桿徑，δ為缸筒壁厚，F(xiàn)為工作中的最大外載荷.

根據(jù)六自由度運動平臺的負載情況，取工作壓力P=21 MPa，單個作動器的作用力F=100 kN.缸筒內徑計算可得

(2)

計算得缸筒內徑為D=78 mm，參考機械設計手冊，取缸筒內徑D=80 mm，P>7 MPa時，d=0.7D=56 mm.

作動器的最大推力和拉力計算可得

(3)

(4)

計算得最大推力和拉力分別為F1=105.504 kN,F2=53.807 kN.

液壓作動器設計缸筒壁厚δ=11 mm，即δ/D=0.08～0.30.對缸筒厚度進行校核

(5)

缸筒壁厚通過校核，滿足設計要求.

5 小 結

設計了一種新型空氣彈簧性能試驗臺架，并進行了相關的仿真及試驗，得出以下結論:

1) 利用ANSYS Workbench對臺架的主要承重件進行了有限元分析和強度校核，有限元分析結果顯示主要承重件的強度能夠滿足試驗要求，保證試驗的安全可靠性；

2) 對液壓作動器進行了設計及選型，通過缸筒壁厚校核可知作動器的設計符合試驗要求.該設計可以為空氣彈簧剛度特性的研究提供有效的試驗平臺，有效提高空氣彈簧的試驗效率，節(jié)約試驗成本.