空气弹簧性能试验台架的设计

计颖聪，李 美，张少波，王德志

(海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228)

空气弹簧是利用封闭内腔中的压缩空气来实现其弹性作用，主要作为车辆悬架的弹性元件，具有变刚度的特点.在车辆行驶的过程中，可以通过降低空气弹簧的刚度值来降低自振频率[1]，同时，空气弹簧的刚度特性对车辆的操稳性和平顺性具有重要影响.因此，对空气弹簧刚度特性的研究显得尤为重要.空气弹簧刚度特性主要包括：垂向刚度、横向刚度和扭转刚度特性[2].现有的空气弹簧试验台架，只能完成单一自由度性能的检测[3-4].为了模拟车辆真实的行驶工况，设计一套完善的试验台对空气弹簧的检测研究工作具有重要意义.

1 空气弹簧试验台架总体方案设计

空气弹簧试验台架由3个部分组成，分别是：机械结构、数据采集系统和计算机控制系统，结合某乘用车悬架用膜式空气弹簧对空气弹簧试验台架进行设计.空气弹簧试验台架的机械部分主要有配重机构、六自由度平台、固定框架、六分力传感器和附加气室等，其原理如图1所示.该试验台架可模拟空气弹簧在不同工况下的负载形式，通过六自由度平台提供的垂向和横向激励，从而实现以下检测功能：静态垂向刚度试验、静态横向刚度试验、动态垂向刚度试验和动态横向刚度试验.

空气弹簧性能试验台架具体包括：承载立柱2个，可调式斜撑6个，配重支承架1个，配重块30块，横梁1个，六自由度平台1个，六分力传感器1个，空气弹簧上下夹具各1个，附加气室1个，驱动电机1个.其机构如图2所示.

配重块六分力种感器附加气室空气弹簧运动平台图1 空气弹簧试验台原理图图2 空气弹簧试验台架结构图

当该乘用车满载单个空气弹簧承受的负载约为500 kg，考虑到试验台架的安全性，以最大可实现对空气弹簧进行720 kg的载荷作为该试验台架的关键设计指标之一.承载立柱、横梁及斜撑组成了配重机构的固定支架，在试验过程中，配重机构会随着空气弹簧的运动而运动.因此，需要固定支架的支承来保证整个试验台架的稳定性.该试验台架属于单件产品设计，同时综合考虑试验台架的特殊功用及试验的可靠性，在结构设计过程中采取适当放大设计余量的处理方法.

2 空气弹簧试验台架机械结构设计

2.1 配重机构结构设计用配重机构模拟车辆在行驶过程中空气弹簧的垂向载荷，结构如图3所示.在满载状态下，该车簧载质量为2 000 kg，因此单个空气弹簧最多需要承受的质量大约为500 kg.

为了使配重机构实现重量可调，容易拆装，采用多块配重块叠加的方式.配重块的结构，如图4所示.

配重块配重支承架图3 配重机构结构图4 配重块结构图

单块配重块的尺寸约500 mm×500 mm×10 mm，材料为铸钢，密度为7.80/(g·cm-3)，计算得每块配重块的质量为19.5 kg.由于每块配重块带有4个吊耳，因此每块配重块的实际质量大约为20 kg.

配重机构由配重支承架和配重块组成，配重块共30块，总重量600 kg，配重支承架自重120 kg，通过增减配重块来调整空气弹簧的垂向载荷，以满足不同的试验工况要求.

1为通气管； 2为上盖板； 3为转盘； 4为棘轮； 5为下盖板； 6为摇杆图5 附加气室结构

2.2 附加气室构结构设计空气弹簧的容积与空气悬架系统的刚度息息相关，为提高车辆行驶的平顺性，可以在空气弹簧的基础上增加附加气室[5].普通的附加气室容积固定，不能随着车辆行驶工况的不同而改变空气弹簧的刚度，该设计中的附加气室容积可以随着车辆行驶工况的不同而改变.附加气室与空气弹簧的连接方式有2种：1)通过节流孔将附加气室连接在空气弹簧的顶端或底端；2)通过管路将空气弹簧和附加气室相连[6].考虑到将空气弹簧与附加气室分开的布置形式在整体布局上较为灵活，采用第二种连接方式，附加气室的结构如图5所示.

附加气室主要由腔体、摇杆、上下盖板、棘轮和转盘等构成.腔体中设置2个带有通气孔的隔板，将腔体分割成3个“子气室”.隔板上均匀分布5个通气孔，分别在2个隔板的外侧设置一个转盘，转盘上均匀分布5个通气孔，中心位置均带有棘爪，与摇杆上的棘轮相配合.当需要改变附加气室容积时，电机驱动摇杆，棘轮机构驱动转盘转动，当转盘和隔板上的通气孔处于同轴心位置时，附加气室容积增大.附加气室虽然可以有效降低空气弹簧的刚度和频率，但是空气弹簧的刚度不会随着附加气室容积的增加而无限减小，当附加气室容积超过弹簧容积2倍以后, 附加气室容积的变化对空气弹簧刚度的影响便不再明显[7-8].因此，将附加气室设计成高1 000 mm，内径500 mm的柱形圆筒，容积约为空气弹簧容积的2倍.

2.3 配重机构固定支架结构设计固定支架结构用以约束配重机构，起到了支撑的作用.为了保证刚度、强度和稳定性，在设计中加入了斜撑，配重机构固定支架由2个立柱、6个可调试斜撑、1个横梁及若干夹板铰链座组成.可调式斜撑长度可调，可以通过调节斜撑的长度来调整安装高度和角度，为了增加结构的稳定性，将斜撑安装在立柱的中间位置，同时夹角为45 °，连接方式为铰链连接，其结构如图6所示.

1为横梁； 2为立柱； 3为可调式斜撑； 4为夹板铰链座

2.4 空气弹簧夹具的设计与校核

2.4.1 空气弹簧夹具设计空气弹簧的夹具是空气弹簧的固定装置，包括上夹具和下夹具.根据该车空气弹簧的安装方式，设计的空气弹簧上夹具如图7所示.

图7 空气弹簧上夹具结构

图7a中1和2为螺纹孔，图7b中3为该空气弹簧的定位销安装孔.上夹具通过螺纹孔1与六分力传感器相连接，通过螺纹孔2与空气弹簧上盖板相连接，同时将空气弹簧的定位销与安装孔3配合.

如图8所示，该车空气弹簧下夹具上设置多个螺纹孔，其中1为上端面的2个螺纹孔，用于连接空气弹簧的下盖板，4为下底面上的4个螺纹孔，可以通过螺栓连接的方式把下夹具固定在六自由度平台的上运动平台上，3为该车空气弹簧的定位安装孔，2为空气弹簧的充气孔.该空气弹簧的下夹具与上夹具配套使用，根据不同的空气弹簧类型，需要设计不同的夹具.

图8 空气弹簧下夹具结构

2.4.2 空气弹簧夹具强度校核上夹具的上表面与六分力传感器连接，六分力传感器通过连接盘固定在配重机构下表面，夹具的强度关系着固定空气弹簧的能力.因此，为了试验结果的可靠性，除了对上下夹具进行强度校核，还应对六分力传感器及连接盘进行强度校核.图9为上夹具与六分力传感器及连接盘的装配图.

1为连接盘； 2为六分力传感器； 3为上夹具

利用Solid Works软件建立上夹具的三维模型，导入ANSYS Workbench中，材料为Q235结构钢，采用四面体单元对有限元模型进行网格划分，共有14 345个单元，24 180个节点，把空气弹簧上夹具的上表面设置为约束，在下表面施加载荷.为了使仿真环境比试验环境更加恶劣，对空气弹簧上夹具施加10 kN的外力，求解得到上夹具的应力应变如图10和11所示.

图10 空气弹簧上夹具应力图 图11 空气弹簧上夹具应变图

从图10和11可以看出，上夹具受到垂向载荷后，最大应力出现在加强筋的中下端，最大应力为51 MPa，小于材料的最大屈服应力235 MPa，最大应变同样位于该位置，最大形变为0.23 mm，几乎没有变形，可知该设计的强度和刚度满足试验要求.

利用Solid Works软件建立下夹具的有限元模型，导入ANSYS Workbench中，材料为Q235结构钢，采用四面体单元对有限元模型进行网格划分，共有20 304个单元，32 748个节点，把空气弹簧下夹具的上表面设置为约束，在下表面施加载荷.为了使仿真环境比试验环境更加恶劣，对空气弹簧下夹具施加10 kN的外力，求解得到下夹具的应力应变如图12和13所示.

图12 空气弹簧下夹具应力图 图13 空气弹簧下夹具应变图

从图12和13可以看出，下夹具受到垂向载荷后，最大应力出现在夹具下表面的中间位置，最大应力为14 MPa，小于材料的最大屈服应力235 MPa，最大应变同样位于该位置，最大形变为0.68 mm，几乎没有变形，可知该设计的强度和刚度满足试验要求.

3 六自由度运动平台结构分析与强度校核

1为上平台；2为上铰链； 3为作动器；4为下平台；5为下铰链图14 Stewart平台工作原理

3.1 六自由度运动平台结构分析Stewart平台具有结构简单、刚度高、承载能力强和误差小等优点，已经成为航空航天、海底作业、制造装配和车载设备进行动态可靠性研究的重要模拟试验装置.该平台的工作原理如图14所示.

Stewart平台由1个动平台、1个基座、6个作动器缸筒和6个活塞杆共14个构件组成.采用空间机构自由度的计算方法来计算Stewart运动平台的自由度F[9]，如式

(1)

其中，n为活动构件数量，i为i级运动副的约束数.

该机构共有18个运动副，自由度为1的运动副有6个，自由度为3的运动副数目为6个.因此，该机构的自由度为6.

3.2 六自由度运动平台机构强度校核

图15 下支承平台结构图

3.2.1 下支撑平台的强度校核当空气弹簧试验台架进行试验时，下支撑平台不仅要承受着配重机构的垂向冲击，也要承受整个六自由度平台的重力.因此，下支撑平台的可靠性尤为重要，需要对其进行强度校核，其结构如图15所示.

利用Solid Works软件建立下支撑平台的三维模型，导入ANSYS Workbench中，材料为Q235结构钢，采用四面体单元对有限元模型进行网格划分，共有4 947个单元，10 083个节点，将下支承平台的下表面设置为约束，在平台上表面的6个铰链座上施加垂向载荷.考虑到受力环境的极端性，使仿真环境比实际工作环境更加恶劣，对下支承平台每个铰链座施加10 kN的外力，求解得到上平台的应力应变如图16和17所示.

图16 下支承平台应力图 图17 下支承平台应变图

从图16和17可以看出，下平台受到垂向载荷后，最大应力出现在下支承平台铰链座上，最大应力为7 MPa，小于材料的最大屈服应力235 MPa，最大应变也位于该位置，为0.36 mm，几乎没有变形，由仿真结果可知该设计的强度和刚度满足试验要求.

图18 上运动平台与下夹具的装配图

3.2.2 上运动平台的强度校核将空气弹簧的下夹具固定在运动平台表面上，同时在运动平台的底部有6个铰链座，如图18所示.作动器工作时，上运动平台承受垂向和横向载荷，且6个作动器作用力的大小与方向不同，做受力分析比较困难.因此，在ANSYS Workbench进行有限元分析时，同时进行垂向和横向振动工况的仿真.

利用Solid Works软件建立上运动平台的三维模型，导入ANSYS Workbench中，材料为Q235结构钢，随后采用四面体单元对有限元模型进行网格划分，共有11 390个单元，20 451个节点，将上运动平台的上表面设置为约束，在平台下表面的6个铰链座上施加垂向和横向载荷.对上运动平台施加10 kN的外力，求解得到上平台的应力应变如图19和20所示.

图19 上运动平台应力图 图20 上运动平台应变图

从图19和20可以看出，上平台受到垂向载荷后，最大应力出现在上运动平台铰链座上，最大应力为11 MPa，小于材料的最大屈服应力235 MPa，最大应变同样位于该位置，最大形变为0.58 mm，变形很小，可以看出该设计的强度和刚度满足试验要求.

4 液压作动器的设计

液压作动器的作用是将液压能转化成机械能，从而实现试验台架的往复运动，结构如图21所示.

图21 作动器结构

图21中D为缸筒内径，d为活塞杆径，δ为缸筒壁厚，F为工作中的最大外载荷.

根据六自由度运动平台的负载情况，取工作压力P=21 MPa，单个作动器的作用力F=100 kN.缸筒内径计算可得

(2)

计算得缸筒内径为D=78 mm，参考机械设计手册，取缸筒内径D=80 mm，P>7 MPa时，d=0.7D=56 mm.

作动器的最大推力和拉力计算可得

(3)

(4)

计算得最大推力和拉力分别为F1=105.504 kN,F2=53.807 kN.

液压作动器设计缸筒壁厚δ=11 mm，即δ/D=0.08～0.30.对缸筒厚度进行校核

(5)

缸筒壁厚通过校核，满足设计要求.

5 小 结

设计了一种新型空气弹簧性能试验台架，并进行了相关的仿真及试验，得出以下结论:

1) 利用ANSYS Workbench对台架的主要承重件进行了有限元分析和强度校核，有限元分析结果显示主要承重件的强度能够满足试验要求，保证试验的安全可靠性；

2) 对液压作动器进行了设计及选型，通过缸筒壁厚校核可知作动器的设计符合试验要求.该设计可以为空气弹簧刚度特性的研究提供有效的试验平台，有效提高空气弹簧的试验效率，节约试验成本.