某SUV車型空氣彈簧設計及試驗

張 晗，李奕寶，丁都都，樊義祥

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

目前，汽車行駛平順性越來越受到消費者及汽車廠商重視。傳統(tǒng)乘用車一般使用螺旋彈簧，具備固定的線性剛度特性，無法滿足車輛在各種工況下行駛的舒適性要求。特別對于大型運動型多功能汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）、多用途汽車（Multi Purpose Vehicle, MPV）車型，載荷變化較大，舒適性要求較高，螺旋彈簧難以適應復雜工況的要求。因此，空氣彈簧非線性剛度、高度可調的優(yōu)勢尤為顯著。

需要與誘因統(tǒng)合而成動機。對工科新教師而言，培訓的需要有兩個來源：其一，來自于新教師內心深處成為一名好教師的渴求；其二，來源于學生、學校、社會對其成為一名好教師的期待?；诖?，激發(fā)工科新教師對培訓的強烈需要，其基本策略有如下幾點。

空氣彈簧較多應用在商用車、客車領域，國內乘用車電子空氣彈簧系統(tǒng)的應用仍然較少。有限的研究工作較多集中在高校及研究機構，黃俊明等研究了空氣彈簧固有頻率的測定方法，為電子控制空氣懸架類大客車的固有頻率測定方法提供了有益的參考。高紅星等利用基于TPL-ASN模型自編的空氣彈簧動態(tài)特性仿真軟件研究了不同激勵幅值下的空氣彈簧幅變特性。張俊玲等利用Abaqus建立了膜式空氣彈簧有限元模型，分析了不同簾線角、簾線層間距、簾線密度等參數對空氣彈簧剛度特性的影響。江洪等采用遺傳算法對電子控制空氣懸架系統(tǒng)的控制模式與控制策略進行了研究，通過仿真與試驗表明了算法策略的有效性。汪少華等基于自適應神經網絡PID控制，提出了一套整車姿態(tài)控制方法，能夠有效解決空氣彈簧系統(tǒng)的過充、過放等問題。

1 空氣彈簧系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)方案

本文針對某SUV車型進行空氣彈簧系統(tǒng)的設計改制。綜合考慮車型使用需求、成本、重量、設計可行性等因素，確定了設計一款單后懸電子控制空氣彈簧系統(tǒng)，后懸兩支氣囊獨立控制，氣囊采用膜式設計。

系統(tǒng)主要包含兩支膜式空氣彈簧、一個電子氣泵、一個氣閥、兩個高度傳感器、一個儲氣罐及管路附件等零部件。同時，由整車控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）讀取車輛的點火、加速、減速、轉向、四門兩蓋等信號，與高度傳感器信號一同輸入控制器?？刂破鞲鶕硕ǖ挠|發(fā)條件對氣囊進行充氣、放氣動作。

根據車輛的使用場景，定義了車高隨車速調節(jié)、車高隨指令調節(jié)、車高保持模式、迎賓模式、舉升保護模式等系統(tǒng)功能。各個功能模式的觸發(fā)、保持及退出的條件參數通過開展實車道路試驗進行標定。

1.2 氣囊設計

翻轉課堂改變了傳統(tǒng)的師生關系，對課堂時間的使用進行了重新的規(guī)劃，學生課前通過教學視頻完成預習，課堂上讓學生有機會在具體環(huán)境中應用所學內容，結束學習后進行客觀公正的綜合評價，通過這一改變提升學生自主學習能力，加深學習興趣提高學科素質，讓學生由教師“讓你學”變成學生“我要學”。是傳統(tǒng)教學模式的革新。

空氣彈簧大致可以分為囊式與膜式兩種，囊式空氣彈簧結構、工藝簡單，壽命較長，常應用于載貨車輛，缺點是剛度較大。而膜式空氣彈簧剛度較低，特性曲線可以通過對活塞形狀優(yōu)化設計進行控制，較多應用于乘用車、客車，缺點是制造工藝相對復雜，且耐久性相比囊式空氣彈簧稍差。本文基于一款現有SUV車型設計空氣彈簧系統(tǒng)， 因此，以原車型螺旋彈簧技術參數為基礎，進行膜式空氣彈簧的設計與優(yōu)化，原型車螺旋彈簧技術參數如表1所示。

對原型車進行了硬點仿真設計，適應性設計了懸架結構件以適應空氣彈簧的匹配。設計的空氣彈簧保持與螺旋彈簧相當的接口及包絡，保持壓縮、伸張行程不變，彈簧最大外徑不變，上蓋板安裝尺寸與縱梁保持一致，活塞安裝板尺寸保持與擺臂接口大致相當。基于以上基本原則，設計的空氣彈簧如圖2所示。

傳統(tǒng)的螺旋彈簧呈線性剛度，姿態(tài)固定，較難滿足車輛載荷變化對剛度特性的不同要求。而空氣彈簧具有非線性特性，根據不同負載，通過對氣囊充、放氣，實現剛度的調整，并且實現車輛姿態(tài)的調節(jié)，提升了車輛的舒適性與通過性，典型的螺旋彈簧與空氣彈簧剛度特性如圖1所示。

2 設計驗證

2.1 仿真模型

空氣彈簧主要由端蓋、活塞、橡膠氣囊等組成。橡膠氣囊一般由內層膠、簾線層、外層膠構成。內層膠采用氣密性與耐油性好的材料配成，主要起密封作用。外層膠采用抗老化的橡膠材質配成，主要起防護、抗日照臭氧作用。簾線層由高強度人造尼龍與成型的鋼絲硫化而成，簾線層一般為兩層，兩層簾線方向交叉鋪設。

《〈資本論〉(哲學卷)手稿》與當代中國的哲學自信——剩余價值哲學破解的10個理論難題 唐偉，等 5—25

2.2 臺架試驗

分別以不同車速在隨機粗糙路面、光滑路面進行平順性客觀測試，以60 km/h車速隨機粗糙路面、20 km/h過減速帶工況為例，各個測點的加速度指標如表2所示。

利用Abaqus 軟件建立空氣彈簧有限元模型，如圖3所示。在進行空氣彈簧建模時，考慮橡膠氣囊、氣體壓力、端蓋及活塞幾大因素。本文仿真假設橡膠材料完全不可壓縮，選用Yeoh模型進行表征。簾線層的模擬采用rebar模型。在氣囊工作過程中氣囊與活塞、端蓋的接觸問題采用Lagrange方法。

從客觀測試數據可以明顯看出，裝備了空氣彈簧的車型在隨機粗糙路、過減速帶工況，沖擊明顯優(yōu)于傳統(tǒng)懸架車型。

3 空氣彈簧系統(tǒng)試驗

3.1 空氣彈簧系統(tǒng)實車搭載

唐河北四門堤分洪工程建在關城大口子，口門長500m。孔深15m。堤身0～0.5m為泥結碎石層，壤土、卵石為主，密實；0.5～3.2m為粉砂，淺黃色，稍濕，密實，粉粒含量較高，砂質均勻；3.2～4.8m壤土，灰褐色，稍濕，硬塑。

3.2 空氣彈簧系統(tǒng)客觀測試

參考國家標準《商用車空氣懸架用空氣彈簧技術規(guī)范》（GB/T 13061—2017）中氣囊彈性特性的相關標準進行空氣彈簧的剛度特性臺架試驗。將空氣彈簧充氣至計算所得的標準氣壓650 kN/m，斷開氣源。調整位置到拉伸極限狀態(tài)，停留約5 min，然后以10 mm/min的速度將空氣彈簧壓縮到壓縮極限狀態(tài)，記錄下該過程中的位移、載荷數值。再將空氣彈簧調整至設計高度，分別充以80%的標準氣壓、120%的標準氣壓，重復上述試驗，記錄試驗過程中的位移、載荷數值。

通過對氣囊進行設計，氣泵等氣路系統(tǒng)選型，確定空氣彈簧系統(tǒng)方案。針對某SUV車型具體結構，進行空氣彈簧系統(tǒng)的改制搭載，氣囊上、下端接口進行適應性改制，氣泵、氣閥、儲氣罐利用所設計的支架布置在后下車體，氣路隨系統(tǒng)零件設置走向，利用卡扣、扎帶等工具進行固定，如圖5所示。

以所設計的空氣彈簧標準氣壓為例，將仿真試驗與臺架試驗數據進行對比，如圖4所示。臺架試驗表明仿真模型結果有效。根據整車技術參數要求，利用仿真模型對空氣彈簧的活塞進行微調以優(yōu)化迭代剛度特性，以期獲得更好的平順性。

3.3 空氣彈簧系統(tǒng)主觀評價

主觀評價試驗主要針對舒適性展開，評價路況有碎石路、水泥路、比利時路、波紋路、石塊路等典型路面。試驗車輛為一臺傳統(tǒng)懸架原型車，一臺空氣彈簧改制車，車輛狀態(tài)分別為半載、滿載。

以較為典型的隨機粗糙路、減速帶為例，分別以40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h等車速勻速行駛過隨機粗糙路面，20 km/h、30 km/h等車速過減速帶。

主觀評價結果如圖6所示，在各種工況下空氣懸架主觀評價均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架。同時，在碎石路、減速帶等非平整路面行駛時，裝備空氣懸架的車輛在半載、滿載狀態(tài)的性能表現與傳統(tǒng)懸架差異性較為明顯，能夠保持載荷變化時，具備較好的舒適性。

鑒于人文社會科學的研究成果難以轉化，且存在社會效益優(yōu)于經濟效益、長期效益優(yōu)于短期效益的特點，本文研究的人文社會科學科研項目的人員費用主要包括工資費、勞務費、專家咨詢費和績效支出。截至目前的有關內容梳理如下：

4 結論

本文自主開發(fā)設計了某SUV車型后懸空氣懸架系統(tǒng)，對系統(tǒng)方案及功能進行了定義，通過臺架試驗數據驗證了空氣彈簧仿真模型的有效性。然后，將設計的空氣彈簧系統(tǒng)進行了實車搭載，通過開展道路試驗進行了舒適性與功能性的主觀評價，評價結果表明，搭載空氣懸架系統(tǒng)的車輛比原型車輛的乘坐舒適性具有明顯提升，在載荷變化時，空氣彈簧系統(tǒng)優(yōu)勢格外顯著，并且能夠實現車身高度的調節(jié)，提高車輛行駛通過性。