某重卡用膜式空气弹簧刚度特性有限元仿真及实验研究

摘要

随着高速公路的快速发展和车辆性能的不断完善，人们对车辆提出轻量化、高速化和舒适化的要求。空气弹簧悬架具有质量轻、变刚度特性、低自振频率、高度可控和减震性能好等优点，应用于车辆可很大程度地改善其行驶平顺性和乘坐舒适性。空气弹簧是空气悬架中的核心部件，其刚度特性是悬架系统与整车性能匹配的关键参数。
　　 本文以某重卡后悬用膜式空气弹簧为研究对象，分别采用基于假设的图解法、试验方法和有限元方法得到弹簧的刚度特性，并对其刚度特性影响因素进行分析和仿真研究。主要内容包括：
　　 (1)介绍空气弹簧的工作原理、结构和类型及空气弹簧的特点，基于工程热力学理论，推导出空气弹簧的垂向刚度计算公式，并对弹簧刚度的影响因素进行详细分析。
　　 (2)基于橡胶气囊的经线长度和外径保持不变的假设，根据空气弹簧的结构形状参数建立其简化模型，通过模型的几何关系得到空气弹簧的有效面积及其变化率、有效体积及其变化率的数学表达式，将其代入弹簧刚度的计算公式得到弹簧刚度的解析解，并对计算结果进行分析。
　　 (3)根据国标GB/T130361-911中弹簧特性试验方法，对目标空气弹簧进行静态刚度特性测试，并对试验结果进行分析，同时将空气弹簧的解析解与实验结果进行对比。
　　 (4)分析空气弹簧有限元仿真中的关键技术，涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性等多重非线性问题，给出ABAQUS有限元分析软件对这些问题的求解理论和方法，并基于此建立空气弹簧的有限元模型。
　　 (5)通过空气弹簧有限元模型仿真分析其垂向刚度特性，将仿真计算结果与实验进行对比，验证有限元模型的正确性。基于经过验证的模型，分析不同初始充气压力、帘线参数和活塞底座形状等对空气弹簧刚度特性的影响，为空气弹簧的设计和选用提供一定的理论依据。