商用車駕駛室懸置系統空氣彈簧仿真分析

閆鑫 姜迪 王忠校

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

商用車駕駛室懸置系統空氣彈簧仿真分析

閆鑫 姜迪 王忠校

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

采用試驗數據與仿真分析相結合的方法，通過試驗曲線反求空氣彈簧的內部特性，同時結合高度調節閥的流量壓力控制，可形成系統的實時閉環反饋；將空氣彈簧平面模型與某商用車駕駛室懸置系統的3D多體模型進行聯合仿真，結果表明，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，內部可采用常規氣體，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隔振性能，一般與高度調節閥結合使用。國內的空氣彈簧生產廠商只能提供不同壓力下的靜態剛度曲線，無法體現空氣彈簧隨負載而變化的剛度特性。薛輝輝等[1]對空氣彈簧在標準氣壓下進行了靜態剛度、動態剛度和阻尼特性分析及匹配；黃衛平等[2]利用理想氣體的狀態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方程。空氣彈簧的主要研究難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，其由一個高度調節閥控制，成對使用于某商用車的駕駛室后懸置中。常規空氣彈簧基礎特性試驗包括在低速狀態不同壓力下（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置減振器的阻尼參數試驗，但以上試驗結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節閥的影響，因此本文中將利用試驗與仿真結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模型建立

要準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為空氣彈簧的輸出力；P1為空氣彈簧的內部氣體壓力；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。

若能準確獲得在任意時刻空氣彈簧的內部氣體壓力和等效作用面積，就可以準確模擬空氣彈簧在任意時刻的輸出力，即體現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面，與靜彈簧變壓曲線聯立，通過某初始壓力下壓力變化曲線結合初始容積和初始壓力可得到容積變化響應面，輸入到容腔模型中可獲得實時內部氣體壓力；實時內部氣體壓力與實時等效作用面積聯合即可得到空氣彈簧的動態外特性輸出，而內部氣體壓力再輸入到等效作用面積中形成系統模型閉環反饋。與此同時，通過外接的高度調節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、橡膠材質和內部充氣壓力等，目前很難找到一種辦法能夠準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面（任意位移、任意壓力下的等效作用面積），使試驗數據自動尋找空氣彈簧的等效作用面積，如圖3所示。

2.2 內部氣體壓力

在沒有外接高度調節閥之前，空氣彈簧內部氣體完全封閉，并且由于試驗是在低速狀態下完成，可以認為是恒溫狀態，因此空氣彈簧內部氣體滿足下式:

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合等效作用面積，可推算出任意位移下的空氣彈簧內部氣體壓力，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，在后期加入高度調節閥的空氣彈簧中，可以認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準壓力下的動彈簧試驗曲線進行修正和調試，容腔模型如圖5所示。

2.4 高度調節閥模型

高度調節閥的工作過程如圖6所示，高度調節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；高度調節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。

高度調節閥建模同樣采用試驗曲線反推的方法，通過試驗產生的流量壓力曲線（圖7）反推高度調節閥阻尼孔的行程與通流特性曲線。高度調節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節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。高度調節閥模型如圖8所示。

2.5 系統模型

本文建立的空氣彈簧系統模型（單側彈簧與高度調節閥）如圖9所示，除文中第2節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境，以保證帶高度調節閥后空氣彈簧在實際工作中的充氣和排氣過程。

3 1D+3D聯合仿真

所謂的1D+3D聯合仿真，就是將3D的機械多體動力學模型與1D的氣液伺服控制系統模型進行系統集成，以求得最準確的動力學系統特性。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機械模型，還包括部分車架（驅動施加位置），1D模型指本文論述的空氣彈簧仿真模型。通過時間歷程驅動來激勵駕駛室懸置系統多體動力學模型，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多體動力學模型，從而實現工作時刻的閉環數據傳遞和聯立計算過程,如圖10所示。

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

4 結束語

以商用車駕駛室懸置系統空氣彈簧為例，在考慮高度調節閥的同時利用試驗曲線反推其內部特性，以此建立的1D仿真模型與3D駕駛室及懸置系統多體動力學模型進行聯合仿真體現了空氣彈簧準確的實時剛度特性，可以為駕駛室及懸置系統的疲勞載荷預測及壽命分析提供準確的系統動力學傳遞函數。在后續研究中將側重于更高頻率激勵下內部熱傳導因素的影響，以及內置高度閥的空氣彈簧系統建模等方面。

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

2黃衛平，鮑衛寧.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.空氣彈簧動態特性擬合及空氣懸架變剛度計算分析.機械工程學報,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.中國工程機械學報，2007，5（3）:43～45.

（責任編輯簾青）

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空氣彈簧仿真分析

U463.33

A

1000-3703（2014）09-0027-04