商用車駕駛室懸置系統(tǒng)空氣彈簧仿真分析

閆鑫 姜迪 王忠校

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

商用車駕駛室懸置系統(tǒng)空氣彈簧仿真分析

閆鑫 姜迪 王忠校

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

采用試驗數(shù)據(jù)與仿真分析相結(jié)合的方法，通過試驗曲線反求空氣彈簧的內(nèi)部特性，同時結(jié)合高度調(diào)節(jié)閥的流量壓力控制，可形成系統(tǒng)的實時閉環(huán)反饋；將空氣彈簧平面模型與某商用車駕駛室懸置系統(tǒng)的3D多體模型進行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明，隨機路面載荷下的試驗與仿真曲線在時域及頻域內(nèi)吻合度較高，可以實時模擬空氣彈簧的外輸出特性。

1 空氣彈簧介紹

空氣彈簧一般采用橡膠件進行密封，內(nèi)部可采用常規(guī)氣體，由于氣體的可壓縮性，使得空氣彈簧具有非線性剛度特性，為了更好地改善系統(tǒng)隔振性能，一般與高度調(diào)節(jié)閥結(jié)合使用。國內(nèi)的空氣彈簧生產(chǎn)廠商只能提供不同壓力下的靜態(tài)剛度曲線，無法體現(xiàn)空氣彈簧隨負(fù)載而變化的剛度特性。薛輝輝等[1]對空氣彈簧在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下進行了靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度和阻尼特性分析及匹配；黃衛(wèi)平等[2]利用理想氣體的狀態(tài)方程對空氣彈簧的垂直彈性特性進行了研究；而陳燎等[3]提出了空氣彈簧變剛度特性擬合處理方法用以代替氣體狀態(tài)方程?？諝鈴椈傻闹饕芯侩y點在于如何獲得其在隨機路面的實時變剛度特性，本文即從這個方向進行重點分析研究。

項目采用的膜式空氣彈簧如圖1所示，其由一個高度調(diào)節(jié)閥控制，成對使用于某商用車的駕駛室后懸置中。常規(guī)空氣彈簧基礎(chǔ)特性試驗包括在低速狀態(tài)不同壓力下（0.2 MPa/0.4 MPa/0.6 MPa）的等壓試驗與靜彈簧試驗、0.4 MPa下的動特性試驗及內(nèi)置減振器的阻尼參數(shù)試驗，但以上試驗結(jié)果均不能描述空氣彈簧本體的實時剛度特性，更沒有考慮外接高度調(diào)節(jié)閥的影響，因此本文中將利用試驗與仿真結(jié)合的方法進行空氣彈簧模型建模。

2 決定空氣彈簧主要因素及系統(tǒng)模型建立

要準(zhǔn)確模擬空氣彈簧的外特性，需要知道決定空氣彈簧輸出特性的主要因素。從空氣彈簧的力特性公式可知:

式中，F(xiàn)為空氣彈簧的輸出力；P1為空氣彈簧的內(nèi)部氣體壓力；Aeq為空氣彈簧的等效作用面積；Ff為空氣彈簧的干擾力，例如摩擦力。

若能準(zhǔn)確獲得在任意時刻空氣彈簧的內(nèi)部氣體壓力和等效作用面積，就可以準(zhǔn)確模擬空氣彈簧在任意時刻的輸出力，即體現(xiàn)空氣彈簧的外部剛度特性。

空氣彈簧的主體建模思路如圖2所示，首先由等壓試驗曲線求出等效作用面積響應(yīng)面，與靜彈簧變壓曲線聯(lián)立，通過某初始壓力下壓力變化曲線結(jié)合初始容積和初始壓力可得到容積變化響應(yīng)面，輸入到容腔模型中可獲得實時內(nèi)部氣體壓力；實時內(nèi)部氣體壓力與實時等效作用面積聯(lián)合即可得到空氣彈簧的動態(tài)外特性輸出，而內(nèi)部氣體壓力再輸入到等效作用面積中形成系統(tǒng)模型閉環(huán)反饋。與此同時，通過外接的高度調(diào)節(jié)閥進行壓力流量輸入就能反映實際工作中的充氣和排氣過程，并且對左、右兩個空氣彈簧進行共同控制。

2.1 等效作用面積

空氣彈簧等效作用面積影響因素眾多，包括空氣彈簧所處位置、底座形狀、橡膠材質(zhì)和內(nèi)部充氣壓力等，目前很難找到一種辦法能夠準(zhǔn)確測試或模擬出空氣彈簧等效作用面積。因此，利用多組空氣彈簧等壓試驗曲線來擬合響應(yīng)面（任意位移、任意壓力下的等效作用面積），使試驗數(shù)據(jù)自動尋找空氣彈簧的等效作用面積，如圖3所示。

2.2 內(nèi)部氣體壓力

在沒有外接高度調(diào)節(jié)閥之前，空氣彈簧內(nèi)部氣體完全封閉，并且由于試驗是在低速狀態(tài)下完成，可以認(rèn)為是恒溫狀態(tài)，因此空氣彈簧內(nèi)部氣體滿足下式:

式中，P0為初始壓力；V0為初始容積；PX為任意時刻壓力；VX為任意時刻容積。

通過變壓的靜彈簧試驗曲線結(jié)合等效作用面積，可推算出任意位移下的空氣彈簧內(nèi)部氣體壓力，從而可進一步推算出空氣彈簧容積變化的響應(yīng)面（任意位移、任意壓力下的容積），如圖4所示。

因此，不僅可以得到基于某初始壓力和初始容積下任意位移的壓力曲線，也可以得到任意位移狀態(tài)下的容積曲線。研究資料表明[4，5]，壓力對空氣彈簧的體積影響極小，可以忽略。因此，在后期加入高度調(diào)節(jié)閥的空氣彈簧中，可以認(rèn)為在變壓曲線下反推得到的容積變化合理可用。

2.3 容腔模型

在得到了空氣彈簧的容積變化響應(yīng)面后，運用LMS-AMESim軟件可建立容腔模型，通過計算得到容積變化率，引入到空氣彈簧容積模型中進行實際的內(nèi)部氣體壓力仿真輸出。同時，模型可以考慮空簧對外傳熱效率影響，即高頻加載時空簧與外部的熱交換可以運用標(biāo)準(zhǔn)壓力下的動彈簧試驗曲線進行修正和調(diào)試，容腔模型如圖5所示。

2.4 高度調(diào)節(jié)閥模型

高度調(diào)節(jié)閥的工作過程如圖6所示，高度調(diào)節(jié)閥擺桿在平衡位置以下（即壓縮行程）時，與外駕駛室空氣源相通，為空氣彈簧充氣；高度調(diào)節(jié)閥擺桿在平衡位置以上（即拉伸行程）時，與大氣相通，為空氣彈簧釋放氣體，降低壓力。

高度調(diào)節(jié)閥建模同樣采用試驗曲線反推的方法，通過試驗產(chǎn)生的流量壓力曲線（圖7）反推高度調(diào)節(jié)閥阻尼孔的行程與通流特性曲線。高度調(diào)節(jié)閥與前述變化的氣體容積相通后，即可計算出空氣彈簧在高度調(diào)節(jié)閥作用下而隨容積變化在充氣和放氣之間壓力的變化，此處也是空氣彈簧仿真和建模重點。高度調(diào)節(jié)閥模型如圖8所示。

2.5 系統(tǒng)模型

本文建立的空氣彈簧系統(tǒng)模型（單側(cè)彈簧與高度調(diào)節(jié)閥）如圖9所示，除文中第2節(jié)建模思路中提到的要素外，還包含減振器阻尼模型、端部緩沖模塊、摩擦因子、外部車載氣泵和空氣環(huán)境，以保證帶高度調(diào)節(jié)閥后空氣彈簧在實際工作中的充氣和排氣過程。

3 1D+3D聯(lián)合仿真

所謂的1D+3D聯(lián)合仿真，就是將3D的機械多體動力學(xué)模型與1D的氣液伺服控制系統(tǒng)模型進行系統(tǒng)集成，以求得最準(zhǔn)確的動力學(xué)系統(tǒng)特性。本文中3D多體模型是指基于7通道振動試驗臺的某商用車駕駛室及懸置系統(tǒng)機械模型，還包括部分車架（驅(qū)動施加位置），1D模型指本文論述的空氣彈簧仿真模型。通過時間歷程驅(qū)動來激勵駕駛室懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)模型，得到實時變化的空氣彈簧相對運動，再將其輸入給空氣彈簧模型，空氣彈簧將外載荷反饋給駕駛室懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)模型，從而實現(xiàn)工作時刻的閉環(huán)數(shù)據(jù)傳遞和聯(lián)立計算過程,如圖10所示。

為了驗證1D+3D集成系統(tǒng)在聯(lián)合仿真中的精度，將某路況下空氣彈簧工作行程（上、下固定點相對位移）的仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果進行了對比，如圖11、圖12所示?？梢钥吹?，相對位移在時域與頻域范圍內(nèi)吻合度都較高，說明空氣彈簧仿真模型工作狀態(tài)接近實車，進而驗證了1D+3D集成系統(tǒng)仿真精度較高。

4 結(jié)束語

以商用車駕駛室懸置系統(tǒng)空氣彈簧為例，在考慮高度調(diào)節(jié)閥的同時利用試驗曲線反推其內(nèi)部特性，以此建立的1D仿真模型與3D駕駛室及懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)模型進行聯(lián)合仿真體現(xiàn)了空氣彈簧準(zhǔn)確的實時剛度特性，可以為駕駛室及懸置系統(tǒng)的疲勞載荷預(yù)測及壽命分析提供準(zhǔn)確的系統(tǒng)動力學(xué)傳遞函數(shù)。在后續(xù)研究中將側(cè)重于更高頻率激勵下內(nèi)部熱傳導(dǎo)因素的影響，以及內(nèi)置高度閥的空氣彈簧系統(tǒng)建模等方面。

1薛輝輝.商用車駕駛室空氣彈簧系統(tǒng)仿真分析與試驗研究:[學(xué)位論文].吉林:吉林大學(xué)，2009.

2黃衛(wèi)平，鮑衛(wèi)寧.汽車用空氣彈簧垂向彈性特性分析與計算.機械，2008，8:10～12.

3陳燎，周孔亢，李仲興.空氣彈簧動態(tài)特性擬合及空氣懸架變剛度計算分析.機械工程學(xué)報,2010,46（4）:9～11.

4鄭明軍，張偉，馮國勝.空氣彈簧彈性特性及容積特性分析.噪聲與振動控制，2010，5:23～26.

5靳曉雄，肖勇，等.空氣彈簧半主動式動力吸振器的研究.中國工程機械學(xué)報，2007，5（3）:43～45.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年8月1日。

Air Spring Simulation of Commercial Truck Cab Suspension System

Yan Xin,Jiang Di,Wang Zhongxiao
（FAW Co.,Ltd R&D Center）

By the combination of test data and simulation analysis,the internal characteristic of air spring can be reversed by test curve.And by adapting height control valve to regulate the flow pressure,the real-time closed-loop feedback system is formed.Air spring planarmodel and 3D cab suspension system MBS model of a commercial vehicle are used for the co-simulation,the results show that comparison curves between test and simulation under random road load in the time and frequency domain achieve a high fitting degree.And real-time simulation on the output characteristics of the air spring can bemade.

Commercial vehicle,Cab suspension system,Air spring,Simulation analysis

商用車駕駛室懸置系統(tǒng)空氣彈簧仿真分析

U463.33

A

1000-3703（2014）09-0027-04