汽車懸架空氣彈簧靜態(tài)力學(xué)性能有限元建模與計(jì)算

高曉華，陳俊杰,2，曾祥坤

（1 廣東邦達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，廣東 中山 528455；2 江西理工大學(xué)，江西 贛州 341400）

汽車懸架柔性地將整車骨架和車軸進(jìn)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(jìn)行降噪隔振[2]，其外加載荷與所產(chǎn)生位移的比值是一個(gè)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(xué)性能的設(shè)計(jì)與預(yù)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(yàn)的高度依賴、效率低下等缺點(diǎn)而漸漸被淘汰。試驗(yàn)方法[3]是最為直接、準(zhǔn)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(yù)測不同參數(shù)對空氣彈簧力學(xué)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(yùn)用。

空氣彈簧誕生于19 世紀(jì)50 年代是由Jhon Lewis發(fā)明的，其早期的運(yùn)用主要是在機(jī)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(dāng)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(jì)50 年代國內(nèi)才出現(xiàn)空氣彈簧懸架的設(shè)計(jì)與其在客貨車上的實(shí)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(jì)和工業(yè)水平的一些不足，當(dāng)時(shí)多數(shù)商用車廠家都選擇從國外進(jìn)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(qiáng)、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(dāng)時(shí)較為落后的道路系統(tǒng)有所沖突。

1 空氣彈簧及其力學(xué)性能試驗(yàn)

橡膠膜式空氣彈簧試驗(yàn)樣件見圖1。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)高度為195mm，最大設(shè)計(jì)壓力是0.7MPa。測試時(shí)，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(yàn)的一個(gè)試驗(yàn)行程（-130mm 至50mm），并記錄該過程中空氣彈簧的力學(xué)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(yàn)樣件

圖2 空氣彈簧力學(xué)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(jìn)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(jìn)行定義。氣體單元與橡膠皮囊及活塞共用節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)際試驗(yàn)結(jié)果見圖8，可見計(jì)算值與實(shí)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(xué)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(xué)特性計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比

文中對一款模式橡膠空氣彈簧進(jìn)行了靜剛度特性試驗(yàn)、建模、有限元仿真分析，由計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可知，兩者最大誤差不超過10%，滿足工程設(shè)計(jì)誤差需求，驗(yàn)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(dòng)剛度計(jì)算和設(shè)計(jì)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。