基于的汽车用空气弹簧的有限元分析及试验研究

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1、万方数据第6期林国英等．基于Abaqus的汽车用空气弹簧的有限元分析及试验研究363基于Abaqus的汽车用空气弹簧的有限元分析及试验研究林国英1，刘少义2，许恒波2(1．青岛理工大学琴岛学院，山东青岛266106；2．青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛266031)摘要：采用非线性有限元分析软件Abaqus建立汽车用空气弹簧的模型，并对其垂向特性进行模拟分析。结果表明：空气弹簧的垂向载荷随充气压力的增大呈线性增大，定值充气压力下随帘线角度的增大而减小；最大外直径和最大应力随帘线角度的减小而增大；垂向静刚度随充气压力的增大而呈线性增大，随帘线角度的增大而减小，定值充气压力下随工作高度的增

2、大先减小后增大，存在一最小刚度。试验验证了有限元分析结果的正确性。关键词：空气弹簧；垂向特性；静刚度；帘线角度；有限元分析中图分类号：TQ336．4+2；0241．82文献标志码：A文章编号：1000—890X(2015)06—0363—04空气弹簧利用胶囊内部的压缩空气承受载荷，主要用于车辆的悬架及驾驶室座椅等，具有变刚度、自振频率低、高度可控及良好的降噪和隔震性能等特点，在改善乘坐舒适性、车辆行驶平顺性和对道路的保护方面，相比刚性弹簧和板簧等具有明显的优越性，目前已得到了广泛应用uJ。对空气弹簧进行有限元分析，具有速度快、精度高、成本低的特点，可为新产品的开发提供有效的指导[2]。本工

3、作采用非线性有限元软件Abaqus对汽车用空气弹簧的垂向特性进行模拟分析，研究垂向载荷、垂向静刚度和最大外直径随帘线角度、充气压力和工作高度的变化规律，以期为产品的开发设计提供参考。1膜式空气弹簧本工作以青岛四方车辆研究所有限公司某型汽车用膜式空气弹簧为例进行有限元分析及试验研究。空气弹簧主要由上盖、胶囊、活塞和应急止挡等组成，如图1所示。2有限元模型的建立2．1模型简化汽车用膜式空气弹簧本身具有横向失稳的特基金项目：青岛市科技发展计划项目(11—2—3—69一nsh)作者简介：林国英(1983)，女，江西南丰人，青岛理工大学工程师，硕士，主要从事机械设计及理论研究工作。1一上盖；2--上

4、钢丝圈；3胶曩；4应急止捎；5一下钢丝圈；6--压板；7--活塞。图1空气弹簧基本结构点，空气悬架的横向特性由横向稳定杆保证，对空气弹簧只需进行垂向特性分析，因此可采用轴对称模型进行有限元模拟。应急止挡只是在极限工况下起作用，本研究暂不考虑其影响。取消连接用的螺柱及螺栓孔等不影响产品性能的结构，而胶囊、上盖缘边及活塞形状直接决定空气弹簧的性能，也是有限元分析所要研究的主要部分。根据以往的设计经验，上盖及活塞均具有足够的强度，在有限元分析中可视为刚体。由于上钢丝圈卷于上盖的缘边内及下钢丝圈与压板的组成固定于活塞上，因此分析时均可忽略。简化后的模型如图2所示。万方数据364橡胶工业2015年第

5、62卷图2空气弹簧简化模型2．2模型建立采用有限元软件Abaqus建立空气弹簧的有限元模型。橡胶本构关系采用Mooney—Rivlin模型，帘线层采用Rebar模型表征，胶囊单元类型为SAXl，上盖及活塞单元类型为RAX2，流体单元类型为FAX2。3有限元计算分析影响空气弹簧垂向特性的因素很多，帘线密度和帘线层间距对空气弹簧的性能影响较小∞“]，且在正式生产中通常已选定帘线规格，因此不对其作计算分析，而重点研究帘线角度、充气压力和工作高度等对空气弹簧垂向特性的影响。3．1垂向承载力特性基于有限元软件Abaqus，计算空气弹簧在标准工作高度(340mm)、4种帘线角度(37。，47。，57。

6、和62。)下的垂向承载力特性及最大外直径。计算结果如图3和4及表1所示。×_卜～图3充气压力0．5MPa下空气弹簧应力云图(帘线角度37。)由图4可知：同一帘线角度下，空气弹簧的垂向载荷随充气压力的增大基本呈线性增大，且帘线角度越大，线性度越高；同一充气压力下，空气5015z40』疆：35壁30乜幽25200304050607充气压力／MPa帘线角度／(。)：137；247；3547；462。图4垂向载荷一充气压力关系曲线弹簧的垂向载荷随帘线角度的增大而减小，但减小的幅度逐渐变小(对于该产品，当帘线角度增大到57。后，垂向载荷受帘线角度的影响已非常小)，当充气压力较高时尤为明显。表l充气压

7、力0．7MPa下空气弹簧的最大外直径和最大应力由表1可知，在同一充气压力下，空气弹簧的帘线角度越小，最大外直径越大，所承受的最大应力也越大，且增大的幅值逐渐变大，其变化趋势与承载力的变化趋势一致。3．2垂向静刚度特性分析空气弹簧的垂向静刚度特性需综合考虑帘线角度、充气压力、垂向载荷和工作高度的影响，分别计算了以下几种工况。(1)空气弹簧(帘线角度57。)在标准工作高度、不同充气压力下及在充气压力0．5MPa、不同工作高度