空氣彈簧性能試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

計(jì)穎聰，李 美，張少波，王德志

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

空氣彈簧是利用封閉內(nèi)腔中的壓縮空氣來實(shí)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(diǎn).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(shí)，空氣彈簧的剛度特性對(duì)車輛的操穩(wěn)性和平順性具有重要影響.因此，對(duì)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(zhuǎn)剛度特性[2].現(xiàn)有的空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)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(shí)的行駛工況，設(shè)計(jì)一套完善的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)空氣彈簧的檢測研究工作具有重要意義.

1 空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架總體方案設(shè)計(jì)

空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架由3個(gè)部分組成，分別是：機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合某乘用車懸架用膜式空氣彈簧對(duì)空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)計(jì).空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架的機(jī)械部分主要有配重機(jī)構(gòu)、六自由度平臺(tái)、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(yàn)臺(tái)架可模擬空氣彈簧在不同工況下的負(fù)載形式，通過六自由度平臺(tái)提供的垂向和橫向激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)以下檢測功能：靜態(tài)垂向剛度試驗(yàn)、靜態(tài)橫向剛度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)垂向剛度試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)橫向剛度試驗(yàn).

空氣彈簧性能試驗(yàn)臺(tái)架具體包括：承載立柱2個(gè)，可調(diào)式斜撐6個(gè)，配重支承架1個(gè)，配重塊30塊，橫梁1個(gè)，六自由度平臺(tái)1個(gè)，六分力傳感器1個(gè)，空氣彈簧上下夾具各1個(gè)，附加氣室1個(gè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1個(gè).其機(jī)構(gòu)如圖2所示.

配重塊六分力種感器附加氣室空氣彈簧運(yùn)動(dòng)平臺(tái)圖1 空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)原理圖圖2 空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)該乘用車滿載單個(gè)空氣彈簧承受的負(fù)載約為500 kg，考慮到試驗(yàn)臺(tái)架的安全性，以最大可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行720 kg的載荷作為該試驗(yàn)臺(tái)架的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)之一.承載立柱、橫梁及斜撐組成了配重機(jī)構(gòu)的固定支架，在試驗(yàn)過程中，配重機(jī)構(gòu)會(huì)隨著空氣彈簧的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng).因此，需要固定支架的支承來保證整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的穩(wěn)定性.該試驗(yàn)臺(tái)架屬于單件產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合考慮試驗(yàn)臺(tái)架的特殊功用及試驗(yàn)的可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采取適當(dāng)放大設(shè)計(jì)余量的處理方法.

2 空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 配重機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用配重機(jī)構(gòu)模擬車輛在行駛過程中空氣彈簧的垂向載荷，結(jié)構(gòu)如圖3所示.在滿載狀態(tài)下，該車簧載質(zhì)量為2 000 kg，因此單個(gè)空氣彈簧最多需要承受的質(zhì)量大約為500 kg.

為了使配重機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重量可調(diào)，容易拆裝，采用多塊配重塊疊加的方式.配重塊的結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

配重塊配重支承架圖3 配重機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖4 配重塊結(jié)構(gòu)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(jì)算得每塊配重塊的質(zhì)量為19.5 kg.由于每塊配重塊帶有4個(gè)吊耳，因此每塊配重塊的實(shí)際質(zhì)量大約為20 kg.

配重機(jī)構(gòu)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(diào)整空氣彈簧的垂向載荷，以滿足不同的試驗(yàn)工況要求.

1為通氣管； 2為上蓋板； 3為轉(zhuǎn)盤； 4為棘輪； 5為下蓋板； 6為搖桿圖5 附加氣室結(jié)構(gòu)

2.2 附加氣室構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空氣彈簧的容積與空氣懸架系統(tǒng)的剛度息息相關(guān)，為提高車輛行駛的平順性，可以在空氣彈簧的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖5所示.

附加氣室主要由腔體、搖桿、上下蓋板、棘輪和轉(zhuǎn)盤等構(gòu)成.腔體中設(shè)置2個(gè)帶有通氣孔的隔板，將腔體分割成3個(gè)“子氣室”.隔板上均勻分布5個(gè)通氣孔，分別在2個(gè)隔板的外側(cè)設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布5個(gè)通氣孔，中心位置均帶有棘爪，與搖桿上的棘輪相配合.當(dāng)需要改變附加氣室容積時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)搖桿，棘輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤和隔板上的通氣孔處于同軸心位置時(shí)，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(huì)隨著附加氣室容積的增加而無限減小，當(dāng)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(duì)空氣彈簧剛度的影響便不再明顯[7-8].因此，將附加氣室設(shè)計(jì)成高1 000 mm，內(nèi)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(jī)構(gòu)固定支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定支架結(jié)構(gòu)用以約束配重機(jī)構(gòu)，起到了支撐的作用.為了保證剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中加入了斜撐，配重機(jī)構(gòu)固定支架由2個(gè)立柱、6個(gè)可調(diào)試斜撐、1個(gè)橫梁及若干夾板鉸鏈座組成.可調(diào)式斜撐長度可調(diào)，可以通過調(diào)節(jié)斜撐的長度來調(diào)整安裝高度和角度，為了增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，將斜撐安裝在立柱的中間位置，同時(shí)夾角為45 °，連接方式為鉸鏈連接，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.

1為橫梁； 2為立柱； 3為可調(diào)式斜撐； 4為夾板鉸鏈座

2.4 空氣彈簧夾具的設(shè)計(jì)與校核

2.4.1 空氣彈簧夾具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的空氣彈簧上夾具如圖7所示.

圖7 空氣彈簧上夾具結(jié)構(gòu)

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(shí)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(shè)置多個(gè)螺紋孔，其中1為上端面的2個(gè)螺紋孔，用于連接空氣彈簧的下蓋板，4為下底面上的4個(gè)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(tái)的上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shè)計(jì)不同的夾具.

圖8 空氣彈簧下夾具結(jié)構(gòu)

2.4.2 空氣彈簧夾具強(qiáng)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(jī)構(gòu)下表面，夾具的強(qiáng)度關(guān)系著固定空氣彈簧的能力.因此，為了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，除了對(duì)上下夾具進(jìn)行強(qiáng)度校核，還應(yīng)對(duì)六分力傳感器及連接盤進(jìn)行強(qiáng)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(dǎo)入ANSYS Workbench中，材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，采用四面體單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有14 345個(gè)單元，24 180個(gè)節(jié)點(diǎn)，把空氣彈簧上夾具的上表面設(shè)置為約束，在下表面施加載荷.為了使仿真環(huán)境比試驗(yàn)環(huán)境更加惡劣，對(duì)空氣彈簧上夾具施加10 kN的外力，求解得到上夾具的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D10和11所示.

圖10 空氣彈簧上夾具應(yīng)力圖 圖11 空氣彈簧上夾具應(yīng)變圖

從圖10和11可以看出，上夾具受到垂向載荷后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)筋的中下端，最大應(yīng)力為51 MPa，小于材料的最大屈服應(yīng)力235 MPa，最大應(yīng)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(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度滿足試驗(yàn)要求.

利用Solid Works軟件建立下夾具的有限元模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，采用四面體單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有20 304個(gè)單元，32 748個(gè)節(jié)點(diǎn)，把空氣彈簧下夾具的上表面設(shè)置為約束，在下表面施加載荷.為了使仿真環(huán)境比試驗(yàn)環(huán)境更加惡劣，對(duì)空氣彈簧下夾具施加10 kN的外力，求解得到下夾具的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D12和13所示.

圖12 空氣彈簧下夾具應(yīng)力圖 圖13 空氣彈簧下夾具應(yīng)變圖

從圖12和13可以看出，下夾具受到垂向載荷后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在夾具下表面的中間位置，最大應(yīng)力為14 MPa，小于材料的最大屈服應(yīng)力235 MPa，最大應(yīng)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(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度滿足試驗(yàn)要求.

3 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與強(qiáng)度校核

1為上平臺(tái)；2為上鉸鏈； 3為作動(dòng)器；4為下平臺(tái)；5為下鉸鏈圖14 Stewart平臺(tái)工作原理

3.1 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析Stewart平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、承載能力強(qiáng)和誤差小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為航空航天、海底作業(yè)、制造裝配和車載設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)可靠性研究的重要模擬試驗(yàn)裝置.該平臺(tái)的工作原理如圖14所示.

Stewart平臺(tái)由1個(gè)動(dòng)平臺(tái)、1個(gè)基座、6個(gè)作動(dòng)器缸筒和6個(gè)活塞桿共14個(gè)構(gòu)件組成.采用空間機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法來計(jì)算Stewart運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自由度F[9]，如式

(1)

其中，n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量，i為i級(jí)運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù).

該機(jī)構(gòu)共有18個(gè)運(yùn)動(dòng)副，自由度為1的運(yùn)動(dòng)副有6個(gè)，自由度為3的運(yùn)動(dòng)副數(shù)目為6個(gè).因此，該機(jī)構(gòu)的自由度為6.

3.2 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核

圖15 下支承平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 下支撐平臺(tái)的強(qiáng)度校核當(dāng)空氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，下支撐平臺(tái)不僅要承受著配重機(jī)構(gòu)的垂向沖擊，也要承受整個(gè)六自由度平臺(tái)的重力.因此，下支撐平臺(tái)的可靠性尤為重要，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)構(gòu)如圖15所示.

利用Solid Works軟件建立下支撐平臺(tái)的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，采用四面體單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有4 947個(gè)單元，10 083個(gè)節(jié)點(diǎn)，將下支承平臺(tái)的下表面設(shè)置為約束，在平臺(tái)上表面的6個(gè)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(shí)際工作環(huán)境更加惡劣，對(duì)下支承平臺(tái)每個(gè)鉸鏈座施加10 kN的外力，求解得到上平臺(tái)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D16和17所示.

圖16 下支承平臺(tái)應(yīng)力圖 圖17 下支承平臺(tái)應(yīng)變圖

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

圖18 上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與下夾具的裝配圖

3.2.2 上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度校核將空氣彈簧的下夾具固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)表面上，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的底部有6個(gè)鉸鏈座，如圖18所示.作動(dòng)器工作時(shí)，上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承受垂向和橫向載荷，且6個(gè)作動(dòng)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(jìn)行有限元分析時(shí)，同時(shí)進(jìn)行垂向和橫向振動(dòng)工況的仿真.

利用Solid Works軟件建立上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，隨后采用四面體單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有11 390個(gè)單元，20 451個(gè)節(jié)點(diǎn)，將上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上表面設(shè)置為約束，在平臺(tái)下表面的6個(gè)鉸鏈座上施加垂向和橫向載荷.對(duì)上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)施加10 kN的外力，求解得到上平臺(tái)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D19和20所示.

圖19 上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)力圖 圖20 上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)變圖

從圖19和20可以看出，上平臺(tái)受到垂向載荷后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鉸鏈座上，最大應(yīng)力為11 MPa，小于材料的最大屈服應(yīng)力235 MPa，最大應(yīng)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(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度滿足試驗(yàn)要求.

4 液壓作動(dòng)器的設(shè)計(jì)

液壓作動(dòng)器的作用是將液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖21所示.

圖21 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖21中D為缸筒內(nèi)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)的負(fù)載情況，取工作壓力P=21 MPa，單個(gè)作動(dòng)器的作用力F=100 kN.缸筒內(nèi)徑計(jì)算可得

(2)

計(jì)算得缸筒內(nèi)徑為D=78 mm，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取缸筒內(nèi)徑D=80 mm，P>7 MPa時(shí)，d=0.7D=56 mm.

作動(dòng)器的最大推力和拉力計(jì)算可得

(3)

(4)

計(jì)算得最大推力和拉力分別為F1=105.504 kN,F2=53.807 kN.

液壓作動(dòng)器設(shè)計(jì)缸筒壁厚δ=11 mm，即δ/D=0.08～0.30.對(duì)缸筒厚度進(jìn)行校核

(5)

缸筒壁厚通過校核，滿足設(shè)計(jì)要求.

5 小 結(jié)

設(shè)計(jì)了一種新型空氣彈簧性能試驗(yàn)臺(tái)架，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真及試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

1) 利用ANSYS Workbench對(duì)臺(tái)架的主要承重件進(jìn)行了有限元分析和強(qiáng)度校核，有限元分析結(jié)果顯示主要承重件的強(qiáng)度能夠滿足試驗(yàn)要求，保證試驗(yàn)的安全可靠性；

2) 對(duì)液壓作動(dòng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)及選型，通過缸筒壁厚校核可知作動(dòng)器的設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)要求.該設(shè)計(jì)可以為空氣彈簧剛度特性的研究提供有效的試驗(yàn)平臺(tái)，有效提高空氣彈簧的試驗(yàn)效率，節(jié)約試驗(yàn)成本.