空气弹簧刚度基于有限元的空气弹簧垂直刚度.性分析

作为重要的汽车弹性元件，空气弹簧采用夹有帘线的橡胶气囊内压缩空气的反力作为弹性恢复力，在载重车辆和高速客车中有着广泛的应用。在空气弹簧的相关.性中，垂直刚度.性对汽车整车性能的影响.别显著[1-3]。空气弹簧橡胶气囊的初始压力、帘线角和帘线层数是空气弹簧的三个重要参数，对空气弹簧的刚度.性有着重要的影响[4]。本文以某品牌的商用车自由膜式空气弹簧为例，通过ADINA非线性有限元分析软件对其静态垂直刚度.性进行了仿真分析，并对影响空气弹簧垂直刚度.性的各种主要参数进行了详细分析，得到一些有意义的结论。

1 空气弹簧的垂直刚度.性[5, 6]

空气弹簧的支承和弹性作用的大小主要取决 于空气弹簧内的压缩气体密度，因此空气弹簧的承载力F可表示为：

F=Pi Ae (1)

通过承载力F对弹簧行程s求导可得空气弹簧刚度k。

式中： k为空气弹簧刚度;pi为空气弹簧内气体工作压力; po为大气压力;n为气体的多变指数;Ae为空气弹簧有效承压面积; V为空气体积。

由公式(5)可知，影响空气弹簧垂直刚度.性的主要因素有空气弹簧的初始压力、分子运动过程、有效承压面积、底座的形状、辅助气室等。

2 FEA分析方法

本文采用ADINA软件进行有限元分析，ADINA作为通用的模拟计算工具，能分析应力、位移等复杂的非线性问题。大量的复杂问题都可以通过选项块的不同组合模拟出来[7]。

采用ADINA进行有限元分析的基本步骤如下：

步骤1：使用前处理系统ADINA-AUI 定义空气弹簧有限元模型;

步骤2：应用ADINA，ADINA-T，ADINA-F等求解器对空气弹簧模型实施数值计算;

步骤3：运行ADINA-AUI 对上述计算结果进行处理。

3 基于有限元的垂直刚度.性分析

3.1 有限元模型的建立

.先，建立空气弹簧整体三维几何模型，对材料.性定义、单元组定义、网格划分、接触的定义、约束的定义、载荷的定义以及定义载荷的时间函数、时间步和步长，.后得到膜式空气弹簧的静.性有限元模型，如图1所示。

3.2.1 不同初始压力下的空气弹簧垂直刚度.性

对自由膜式空气弹簧的模拟工况为：空气弹簧压缩到-10mm位移时，对有限元模型腔内分别设定0.3MPa和0.4MPa的初始压力，研究不同初始压力对空气弹簧垂直刚度.性的影响，应力和应变的云图如图2图5所示。