“翻轉+工程案例”車輛專業本科教學實驗改革探索
——以“空氣彈簧性能實驗”為例

魏政君，姜長城，李廣龍，李利平，鄭益謙

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

0 引言

新工科建設浪潮下，為培養具有工程實踐能力的創新型人才，本科實驗教學內容應貼近工程實際，緊跟科研步伐，使其更具設計性、探索性、研究性的特征；實驗教學模式因學生志趣而改進，借助現代信息技術，線上線下，課內課外，拓展學生實驗學習時間與空間，提高學生對課程學習的興趣，積極挑戰學習上的難題，提升實驗參與度，培養學生解決復雜工程問題的素質能力[1-6]。

空氣彈簧作為汽車空氣懸架系統的核心部件，其優良性能對于提升乘坐舒適度，減少大型汽車對路面破壞起著關鍵的作用。空氣彈簧在主要發達國家商用車中的配置率超過80%，而中國用車的配置率還非常低。空氣彈簧作為減振元件已跨領域使用，如軌道交通、機械工業、防微振領域等[7]。廣闊的市場需求與技術進步要求揭示了空氣彈簧的研究有重要價值。

鑒于此，將實際工程案例中的“空氣彈簧性能實驗”引入車輛工程本科實驗，以學生為中心，以工程正向研發為主線，借助翻轉課堂，進行課前建模仿真，課中實驗實施，課后總結答辯，在有限的實驗課時下，將線上線下、虛實結合，促使教師主講的課堂轉變為學生實驗的殿堂，將知識傳授過程轉變為個人能力培養的過程。

1 實驗對象

空氣彈簧是在柔性密閉氣囊中充入壓縮空氣，利用氣體非線性的受壓恢復特性的非金屬彈簧，其質量輕、摩擦少、隔振好、噪音低、高度可調，具有較好的行駛平順性和道路友好性[7，8]。實驗對象為某款雙曲囊式橡膠空氣彈簧，結構如圖1 所示。其中的橡膠氣囊由氣密層橡膠、外表層橡膠、簾線層和成形鋼絲圈硫化而成，是決定空氣彈簧性能的關鍵部件[9-10]。

圖1 實驗對象

2 課前任務

實驗課前任務，不能局限于狹義的實驗，而是要求學生進行實驗相關的文獻研讀、建模、仿真、設計方案等，縱向拓展實驗，增加內容吸引力、挑戰度和探索性。看幾十頁書的學習效果不如動手完成一個作品來得深刻，它有助于學生理解實驗內容，更促使學生掌握現代CAE 工具，提升工程實踐能力[11]。

以表1 基本參數為例，安排學生進行建模、仿真、實驗準備等，明確整個任務流程。

表1 舉例參數

2.1 建模仿真

根據參數，用三維建模軟件，創建一個軸對稱結構的雙曲囊式空氣彈簧數模，如圖2 所示。導入Hypermesh中前處理，網格劃分如圖3 所示。在Abaqus 中進行設置計算，用流體單元模擬氣體單元，賦予材料屬性，將上、下蓋板及卡環設置為剛體，利用rebar 單元模擬橡膠氣囊中的簾線層，仿真過程中，固定下蓋板，對上蓋板施加垂向位移[12-13]。初始工作氣壓為0.4 MPa，初始工作高度為190 mm，定義受壓為負方向，豎直位移量-30 mm～+30 mm，載荷-位移結果如圖4 所示，應力云圖如圖5 所示。

圖2 模型

圖3 網格劃分

圖4 仿真結果

圖5 應力云圖

2.2 實驗設計

利用MTS（Mechanical Testing & Simulation，以下簡稱MTS）測試儀，實驗設計方案如圖6 所示，空氣彈簀下蓋，通過設計的工裝夾具與MTS 試驗臺下端的作動器連接。上蓋通過工裝與MTS 試驗臺的固定端相連接。壓縮空氣經過一系列閥門管路至空氣彈簧內。在對空氣彈簧垂直拉壓循環下，傳感器獲得位移、壓力，氣囊內部壓強等信號，由MTS 測試儀采集與處理。

圖6 實驗方案

3 課中實驗實施

實驗實施是實驗課程的核心，將課前虛擬仿真與課中空氣彈簧實驗相結合，揚長避短，相互促進。在有限的課堂時間里，盡可能提高學生的興趣度和參與度，引導學生發現問題、思考問題、解決問題，使其在實驗中學習，在疑問中提高，在爭辯中內化。

3.1 實驗過程

按設計的實驗方案連接工裝、管路等，實驗現場如圖7 所示。在臺架上調整空氣彈簧至工況要求的初始工作高度，設置空氣壓縮機輸出壓力，打開閥門對空氣彈簧充氣至初始氣壓，并檢查壓降，確保氣密性。

圖7 實驗現場

在MTS 測試軟件中，編制靜態、動態下的特性測試程序。靜態特性實驗，采用位移控制模式，壓縮為負方向，控制傳動器以5 mm/min 的速率緩慢在-30 mm ～+30 mm 之間垂直循環拉壓。動態特性實驗，激勵振幅為2 mm，激勵頻率為0.5 ～18 Hz，步長為0.5 Hz，在不同頻率下進行垂直振動。MTS 測試系統采集循環過程的載荷、位移、壓強信號并處理。

3.2 結果分析

實驗結果不僅僅是驗證，也是正向設計，或是研究模型獲得參數的重要途經，如需要的空氣彈簧有效面積、面積變化率等結構參數主要靠實驗直接或間接獲取。通過實驗明確參數對性能的影響以正確指導空氣彈簧設計，減少反復試制，節省成本，提高效率。

結果如圖8 所示，在工作壓力0.4 MPa 下，隨初始高度降低，其有效的氣體承載面更大，即空氣彈簧的有效面積更大，故承載能力增大。遲滯回線在極限位移處均存在尖角效應，190 mm 的工作高度的曲線遲滯損耗較大。對比190 mm 初始高度下的靜態剛度仿真與實驗結果，整體斜率偏差較小。有限元法獲取的仿真結果的遲滯效應不明顯，而試驗法實驗結果呈現明顯的遲滯效應，這是仿真中忽略了橡膠氣囊的材料非線性，此時彈簧載荷主要由壓縮空氣反作用力決定，載荷-位移趨于一條直線。

圖8 靜態剛度

空氣彈簧支承力的主要影響因素是囊內氣壓與有效面積。根據測得囊內氣壓，間接獲取有效面積，見圖9、圖10，空氣彈簧內部氣體壓力在初始氣壓0.4 MPa 附近變化，在壓縮行程，壓力逐漸升高，在拉伸行程，壓力逐漸降低。初始工作高度為190 mm 的氣壓曲線隨位移的變化更為明顯，非線性更強。這是由于較低的初始工作高度使空氣彈簧內部體積量較小，其調節壓力波動的能力較弱。從圖10 可知，有效面積隨則壓縮位移的增大而增大，空氣彈簧的承載能力也有所提高，這與圖8 結果具有相同的趨勢。當初始氣壓相同時，初始工作高度越低，其有效面積也越大。

圖9 囊內氣壓

圖10 有效面積

動態剛度具有明顯的頻率相關性，實驗結果如圖11所示，動態剛度要大于靜態剛度，不同的初始工作高度，其動態剛度量值雖然不同，但其整體的變化趨勢是一致的，隨著激勵頻率的增大，動態剛度量值逐漸增大。在汽車正常工作頻率18 Hz 范圍內時，動剛度整體的平穩緩慢增加有利于保持較低的固有頻率，以獲得更好的隔振性能，提高乘坐舒適性。

圖11 動態剛度

4 課后總結拓展

4.1 總結答辯

課后，教師與學生都要進行總結、評價、反思，形成有效的閉環反饋。學生總結報告涵蓋課前、課中的內容，以小論文的形式提交，并以答辯的形式結課。課程評價注重整個過程質量監控，關注學生的知識與能力的達成情況。

4.2 實驗拓展

必修的第一課堂完成，順勢而為地引導學生進入第二課堂，讓更多的學生學以致用，深度科研，進一步鍛煉自己，最終結出果實。

（1）研究附加輔助氣室對空氣彈簧隔振性能的影響。不同輔助氣室體積下、在空氣彈簧與附加氣室之間設置阻尼裝置，研究其對動靜態特性影響。

（2）用試驗法、有限元法、圖解法等，研究影響參數變化下的性能變化，如：不同初始壓力、不同簾線角、簾線層數、皮囊長度影響下的空氣彈簧載荷-位移關系，動態剛度的變化情況。

（3）研究空氣彈簧在空氣懸架實驗臺架上的高度自適應調節的原理，進而拓展到剛度調節、阻尼調節等主動控制方面的實現方法。

5 結語

將工程案例實驗內容引入車輛專業本科實驗教學，借助翻轉課堂模式，沿著工程正向研發的邏輯順序，進行課前建模仿真、課中實驗分析、課后總結答辯，強化學生工程意識的同時，促使學生實驗準備更充分，使其更能在課堂中得心應手，樹立自信，更加主動學習實驗探索。在有限的寶貴的課堂時間里，學生獲得更多的實驗機會，探索更多的知識，進行更深的交流，有效鍛煉其工程實踐創新能力。