油罐车中空气悬挂的分析处理-中国期刊网

首页 > 《中国科技人才》 > 2023年19期 > 油罐车中空气悬挂的分析处理

（整期优先）网络出版时间：2023-12-27

作者: 高培圳

建筑科学 >建筑技术科学

打印

同系列资源

/ 3

油罐车中空气悬挂的分析处理

高培圳

东莞市永强汽车制造有限公司广东东莞 523000

摘要：

一、空气悬挂的工作特性

空气悬挂(下称悬挂)主要部件空气气囊(下称气囊)是在橡胶气囊所围成的密闭容器中加入压力空气，利用空气的可压缩性实现隔振作用的一种非金属弹簧。气囊具有变刚度特性，容易得到较低的振动频率，由气囊组成隔振系统的固有频率在载荷变化时保持不变，并且可以自动避开甚至抑制共振，获得良好的行驶平稳性，同时可以通过高度感载阀使车体在任何载荷下的高度保持不变，且气囊隔振系统更容易实施主动控制。因此现在空气气囊被广泛运用于各种车辆的空气悬挂悬架系统。一般来说空气悬挂有以下工作特性：

1、气囊的刚度随载荷的变化而改变，因而在任何载荷下自振频率几乎不变。

2、气囊的非线性特性可按实际需要进行理想设计，使其在额定载荷附近具有较低较安全的刚度。

空气悬挂的刚度会随载荷变化而变化，所以在不同载荷下，其隔振系统固有频率几乎不变，隔振效果处于平衡状态，从而有效地改善车辆的行驶特性，并可减小车辆对高速公路路面的破坏。

空气悬挂的载荷-挠度特性曲线如图1所示，由图可以看出悬挂呈现非线性，垂直刚度随着载荷的增加而变大。理论和实践证明悬挂的工作高度不变时，无论轻载还是重载其固有频率几乎不变。悬挂的固有频率计算公式为

（1）

式中，为气囊的垂直刚度。由于气囊的固有频率在数值上基本不变，由上式可知，当载荷增加时，也增大。图2给出了气囊的载荷-频率曲线图，由图可知无论是重载还是轻载气囊都能保持很好的隔振效果。

3、悬挂具有非线性弹性特性，可以将其特性曲线设计成理想形状。

4、对于同一悬挂，可以通过改变充气压力，得到不同的承载能力。

一种空气悬挂可以适应多种载荷的要求，具有较好的经济效益。此外，还可以通过调节高度控制阀，使悬挂在一定的载荷下具有不同的高度，以适用多种结构需要。

5、储能量较大。

6、重量轻。

7、经济性和通用性较好。

8、具有高吸振和低噪音性能。

9、安全性高。

10、具有较高的疲劳寿命。

气囊采用空气作为工作介质，不存在本身的疲劳损坏问题，因而空气悬挂的寿命只取决于橡胶气囊的寿命，这使空气悬挂的疲劳寿命远远大于钢板弹簧的疲劳寿命。

11、能提高车辆使用寿命。

大量的试验证明，车辆车身的损坏主要原因是腐蚀和振动，如果使用了空气悬挂悬架，减少了车身的振动和冲击，可以延长车辆的使用寿命。

二、空气悬挂有限元分析的力学模型

1、空气悬挂力学模型的建立

空气悬挂在实际的工作过程中，气囊内部动态力学特性变化十分复杂，工作瞬态实时刚度很难确定。这使通过有限元实体建模来实现悬挂性能的计算相当困难。因此，在有限元计算时必须根据悬挂的动态特性将其转化为弹簧、阻尼系统来模拟悬挂的动态力学特性。下面简单的介绍用数学方法建立膜式悬挂的垂直刚度特性的力学模型。

图3是带辅助气室的膜式气囊的示意图，这种气囊的主气室和辅助气室之间设置有节流孔，当气囊振动变形时，主辅气室之间产生压力差，空气流过节流孔。流过节流孔的空气由于阻力作用而吸收一部分能量，因而具有阻尼作用。研究表明合适的节流孔径和辅助气室能改善隔振系统的阻尼特性，能有效地抑制共振振幅。

根据理想气体状态方程，气囊主气室和辅助气室内气体压力与体积满足

（3）

式中，P为气囊内气体压力；为大气压力；V = V1+ V2为两气室总容积，其中V1为主气室容积，V2为辅助气室容积，m为多变指数，通常取值为1～1.4。当汽车在好路上行驶时振动非常缓慢，可以等效为等温过程，这时取为m=1；当汽车在坏路上行驶且振动较激烈时，可将气囊看为绝热过程，此时取为m=1.4，一般情况下可取m=1.33。当气囊发生微振时，主气室将发生体积变化，气体通过节流孔在主气室和辅助气室之间流动，主气室和辅助气室的压力也

将发生变化，所以两气室的多变过程可表示为

（4）

（5）

式中，q为流过节流孔的空气质量；r为空气密度，和为主辅气室的压力变化率。当气囊微小变形时，将式(4),（5)展开成级数，并略去二阶以上的微量，得

（6）

（7）

当气囊在平衡位置沿轴向变形x后，气囊的恢复力为

（8）

式中，S是气囊的有效承载面积。由式(1~6)可得带辅助气室气囊的力学模型

（9）

（10）

式中，，为气囊内部压力产生的力；，分别为弹簧的刚度系数，其中dS/dx为气囊有效面积变化率；为节流孔的阻尼，其中γ为标准状态下气囊内部的空气的体积质量,在常温下

，为节流孔流量阻力系数，可由实验计算得到，为节流孔直径。式(9)和（10)的关系可用图4所示的力学模型表示。

2、空气气囊的刚度（载荷-位移）计算

当节流孔直径足够大（如图3），以致使时，气囊的垂直刚度可表示为

（11）

当节流孔直径足够小，以致使时，气囊的垂直刚度则为

（12）

以上两式中为气囊有效面积的变化率，由气囊的几何形状决定，计算时根据具体的气囊而定。可以看出，式（12）相当于式(11)在无辅助空气室时的特殊情况，所以通常将式(11)作为气囊垂直刚度的一般表达式。显然，对于具有节流孔阻尼的气囊，其实际刚度是介于式(11)和式(12)的计算值之间。

由式（11）和（12）可以看出气囊的垂直刚度是非线性的，利用有限元建立实体模型分析时存在着较大的误差，而且比较困难。为此在计算时需要对其进行物理当量处理，以建立适用于有限元分析的力学分析模型，对气囊系统进行等效转化。

在实际的工程中，计算气囊刚度通常有两种方法：一种方法是在标准设计高度下产生±10mm位移的载荷反作用力之差，如图5（a）所示，即

（13）

另一种方法是，通过绘制标准设计高度时载荷-挠度曲线的切线来计算，如图5（b）所示。具体做法是：在载荷-挠度曲线图中标准设计高度（f=0）处做一切线，使得该切线与载荷-挠度曲线在横坐标值f=+20mm和f=-20mm两点处的纵坐标截距L相等。再按下式计算切线的斜率，即得到标准设计高度（f=0）时悬挂的刚度。

（14）

以上两种方法得到的刚度值都比较准确，第一种方法适用于试验数据，第二种方法适用于试验得到的曲线。

三、油罐车用空气悬挂刚度的有限元计算

1、空气悬挂力-位移试验

在实际油罐车上通过加载方式测得相应载荷下悬挂的变形数据，然后运用测试数据进行估算载荷-变形关系曲线。试验时，对挂车体牵引销位置支撑，分别测得

空载条件下和一系列载荷（注一定体积的水）作用下对应悬挂的高度，其测试值如表1.1所示。

在进行估算时，假设车轮承受的载荷沿车体中轴线左右对称分布，作用于3对车轮上的载荷相等，载荷集中作用在中轴线质心位置垂直线上。挂车体相关位置的尺寸分布如图6所示。

根据力矩平衡条件：F1×4383+ F1×5743+ F1×7103= G×3260×9.8，得：

（15）

式中，F1为车轴承受的力（N）；G为施加的载荷质量（Kg）。

在挂车结构中，悬挂和其固定支架分布在车轴的两侧，具体的结构见图7，要得到悬挂在一定变形下承受的力，还需要在弹簧和车轴的系统中建立力矩平衡方程进行求解。计算时以固定支架为力矩中心建立力矩平衡关系式：F×(380+500)=0.5F1×500 ，得：

（6）

式中，F为悬挂承受的载荷（N）。

该方法计算可得，表1.2数据及图8关系曲线。

2、车用空气悬挂载荷-位移的有限元计算

空气悬挂工作过程中刚度是变化的，在分析计算时需要通过力-位移关系来确定其刚度特性。悬挂的力-位移关系，采用有限元分析软件ANSYS进行模拟计算，输入试验测得的力-位移数据，通过改变弹簧的压缩量（位移）来获得一系列位移条件下相对应的承载力。

图9为油罐半挂车用空气悬架系统的结构图和气囊结构组成示意图。该型号悬挂时垂直安装在底座上，在挂车行驶过程中主要承受竖直方向载荷，刚度计算时为了尽量做到模拟结构和悬挂的实际安装与承载方式一致，故采用图10所示的结构对其进行模拟。该结构上下为钢板，中间由弹簧连接，计算时下钢板固定（全约束），上钢板在垂直方向上不约束，对上钢板施加垂直位移激励，计算出在一系列位移下所对应的载荷。由于是等效验证，为了分析的直观性，设定位移激励为一比例函数f= -0.01t，t为气囊的压缩位移增量，假设其值范围是0~3。上下钢板弹性模量E=2.01×1011Pa,泊松比µ=0.3。