车用空气弹簧设计理论和现代设计方法研究

摘要

近年来，随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，乘坐舒适性越来越受到人们的关注。空气悬架是以空气弹簧为弹性元件，与钢板弹簧悬架相比，具有变刚度、自振频率低、高度可控以及良好吸收高频振动等优点，是未来汽车悬架的发展方向之一。本文主要针对空气悬架的关键技术之一--空气弹簧的设计理论和现代设计方法进行了系统的研究，主要研究工作及其成果为：
　　 一、简化了空气弹簧橡胶气囊物理模型，用薄膜理论、网格理论对橡胶气囊结构进行系统地力学分析，推导出橡胶气囊径向、周向、法向三个方向的力平衡微分方程、平衡轮廓方程、帘线力和钢丝圈应力等理论公式，在此基础上，用薄壳理论推导出空气弹簧的承载力、刚度、固有频率与其结构参数的函数关系式，并进而利用层合板理论给出橡胶气囊的应变、应力和变形位移等数学表达式。为了验证上述结构设计理论，在先进的电液伺服系统Instron8800的基础上自行研制开发了空气弹簧测试系统，并对某一空气弹簧产品进行了相关试验，试验结果表明：其理论计算值与试验值比较吻合，从而验证了该设计理论的有效性。
　　 二、介绍了空气弹簧非线性有限元分析的基本方法。用所提出的分析方法建立空气弹簧有限元模型，并用非线性有限元软件ABAQUS数值计算。计算结果表明：有限元法预测的空气弹簧载荷位移曲线与试验测试结果吻合，由此可见，建立的空气弹簧有限元模型是正确的。
　　 三、应用有限元法研究了空气弹簧的准静态工作过程中内部容积、变形位移、准静态特性、囊体应力及其帘线力。研究发现，帘线力总体呈对称布置，在两端子口附近，帘线力先剧烈下降，甚至出现负值，后急剧上升，急剧波动，在中部达到最大值。探讨了初始气压、帘线层数、帘线角度和帘线密度对空气弹簧内、外特性的影响，给出了不同条件下的空气弹簧内、外特性图，进而提出了改善空气弹簧内、外特性的基本方法和途径。
　　 同样地，用有限元法研究了空气弹簧的动态工作过程中不同频率正弦激励的力学性能，给出了空气弹簧动态特性与频率的关系。分析动态特性发现，随着初始气压的增加，空气弹簧的最小动刚度会从低频向高频发生后移。为实现空气弹簧与整车的频率匹配奠定了基础。
　　 四、为研究空气弹簧疲劳寿命与结构参数的关系，以应变能密度作为衡量其疲劳寿命的指标，用灵敏度分析方法(DSA)研究了各结构参数对橡胶气囊薄弱部位的应变能密度灵敏度，为空气弹簧设计过程中各参数的选择和优化提供了参考依据。并且基于灵敏度分析结果，以减小应变能密度为目标，对橡胶气囊结构优化，结果表明优化效果显著。
　　 五、综合前面章节的研究成果，提出了一套空气弹簧现代设计方法。以某大客车悬架用空气弹簧作为设计实例验证所提出的设计方法，并测试了其尼龙帘线、橡胶胶料的拉伸性能。设计结果表明，本设计方法具有可行性和实用性。
　　 本研究是浙江省重点攻关项目--电子控制空气悬架系统的开发应用(NO.2006C11089)和江苏大学博士创新基金--汽车悬架空气弹簧现代设计理论的研究(NO.1291120015)的组成部分之一，并得到风神轮胎有限公司的资助。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 车用空气弹簧的简介

1.2.1 橡胶气囊

1.2.2 缘板(Bead Plate)

1.2.3 缓冲垫(Bumper)

1.2.4 活塞(Piston)

1.2.5 环箍（Girdle Hoop）

1.2.6 有效面积

1.2.7 有效直径

1.2.8 垂向刚度

1.2.9 最大工作行程

1.3 汽车悬架应用空气弹簧的优点

1.4 国内外车用空气弹簧的发展及现状

1.4.1 国内外车用空气弹簧的应用现状

1.4.2 国内外车用空气弹簧的研究现状

1.5 现代设计方法的概述

1.6 存在的问题及本文的研究方法

1.7 本文研究目的和意义

1.8 本文的研究内容

第二章 空气弹簧橡胶气囊结构力学研究

2.1 引言

2.2 空气弹簧橡胶气囊结构力学分析

2.2.1 橡胶气囊结构力学

2.2.2 橡胶气囊的几何特性

2.2.3 静平衡状态下面积微元受力分析

2.2.4 橡胶气囊静态平衡微分方程

2.2.5 在充气状态下的平衡轮廓方程

2.2.6 橡胶气囊帘线力

2.2.7 腰环（Girdle Hoop）或子口钢丝圈的应力计算

2.3 本章小结

第三章 空气弹簧橡胶气囊结构分析方法及试验验证

3.1 引言

3.2 承载力与橡胶气囊结构参数的关系

3.3 刚度与橡胶气囊结构参数的关系

3.3.1 膜式空气弹簧内腔容积

3.3.2 固有频率

3.4 橡胶气囊的变形分析

3.4.1 单层帘线橡胶层合板应力应变关系

3.4.2 薄膜本构方程

3.4.3 变形位移分析

3.5 帘线橡胶层合板的强度准则

3.5.1 最大应力准则

3.5.2 最大应变准则

3.5.3 二次方程式准则

3.6 设计理论的试验验证

3.6.1 概述

3.6.2 试验系统的设计及试验原理

3.6.3 试验内容及方法

3.6.4 试验结果及分析

3.7 本章小结

第四章 空气弹簧非线性有限元分析的基本理论及方法

4.1 引言

4.2 空气弹簧结构力学分析中的非线性特性

4.2.1 材料非线性

4.2.2 几何非线性

4.2.3 接触非线性

4.3 气体单元

4.3.1 气体与橡胶囊壁的耦合作用

4.3.2 气体容积的计算

4.4 橡胶气囊材料模型

4.4.1 橡胶材料模型

4.4.2 帘线橡胶复合材料模型

4.4.3 关于帘线橡胶复合材料力学性能研究中的几个问题

4.5 ABAQUS软件简介

4.6 应用实例

4.6.1 建立空气弹簧有限元模型

4.6.2 性能试验

4.6.3 外特性试验与计算对比

4.7 本章小结

第五章 空气弹簧内、外特性的影响因素分析

5.1 引言

5.2 准静态内、外特性影响的因素分析

5.2.1 内腔容积——压力关系

5.2.2 周向变形

5.2.3 径向变形

5.2.4 空气弹簧准静态弹性特性

5.2.5 橡胶囊体应力

5.2.6 橡胶气囊帘线力

5.3 动态外特性的影响因素分析

5.3.1 动态性能有限元模型

5.3.2 动态性能有限元模型的数值计算

5.3.3 初始气压为0.4MPa时的动态特性

5.3.4 初始气压为0.5MPa时的动态特性

5.3.5 初始气压为0.3MPa时的动态特性

5.4 本章小结

第六章 空气弹簧结构的灵敏度分析及优化

6.1 引言

6.2 灵敏度分析的基础理论

6.2.1 应变能密度的绝对灵敏度

6.2.2 应变能密度的相对灵敏度

6.3 建立空气弹簧有限元DSA模型

6.4 灵敏度分析结果

6.5 基于灵敏度分析的结构优化

6.5.1 建立优化数学模型

6.5.2 优化算法的选取

6.5.3 优化结果及检验

6.6 本章小结

第七章 空气弹簧现代设计方法

7.1 引言

7.2 空气弹簧现代设计方法的提出

7.3 应用头例

7.3.1 新空气弹簧参数确定和轮廓设计

7.3.2 新空气弹簧有限元分析

7.3.3 灵敏度分析及结构优化

7.4 本章小结

第八章 结论和展望

8.1 研究结论

8.2 本文创新点

8.3 未来研究方向展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目