致 谢
本文的研究工作是在尊敬的导师陈无畏教授、王其东教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢敬爱的老师们为我的成长所倾注的心血。在我攻读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了陈老师和王老师的精心指导和热情关怀。本论文中的每一项研究成果，都凝聚着陈老师和王老师的心血。陈老师和王老师严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、一丝不苟的科研态度、无私奉献的工作精神，时刻感染教育着我，将使我受益终生，在将来的工作和学习中，我将铭记陈老师和王老师的教诲，严格要求自己。
我要感谢我亲爱的父母，正是他们的厚望和无私奉献使我能够全身心地投入到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力！
感谢祝辉、赵林峰、刘翔宇、朱茂飞、王磊、王家恩、夏光、陈晓新、王景蓉、杨军、汪东斌、李健、高新颖、黄鹤、王洪成、钱海清、韦端立、李超、赵甲运、罗凯杰、肖灵芝、郝芳芳、梁媛媛以及格物楼412、410和108所有的兄弟姐妹们在我的研究课题及论文写作期间给予我的帮助。在此，祝愿他们快乐人生、事业有成！
最后要感谢机械与汽车工程学院的各位老师在我的硕士研究生阶段给予我的教导！
感谢所有支持和爱护我的人！
作者：王海波
2011年4月
目 录
第一章 绪 论 .................................................................................................................... 1
1.1国内外研究的现状 ................................................................................................ 1
1.1.1空气悬架国外的发展历史和研究现状 ................................................... 1 1.1.2空气悬架国内的发展历史和研究现状 ................................................... 2 1.2汽车平顺性的发展 ................................................................................................ 3 1.3本文研究的内容及意义 ....................................................................................... 4 第二章 空气弹簧及其有限元模型 ............................................................................... 5
2.1空气弹簧的分类、结构及特点 .......................................................................... 5
2.1.1空气弹簧的分类 .......................................................................................... 5 2.1.2空气弹簧的结构 .......................................................................................... 5 2.1.3空气弹簧的特点 .......................................................................................... 6 2.2有限元软件简介 .................................................................................................... 9 2.3空气弹簧中的非线性问题 ................................................................................... 9
2.3.1橡胶材料非线性特性 ................................................................................. 9 2.3.2帘布层材料的处理 .................................................................................... 11 2.3.3空气弹簧接触问题分析 ........................................................................... 11 2.4气囊内压模拟....................................................................................................... 12 2.5有限元模型单元的选取 ..................................................................................... 13
2.5.1Solid45单元简介 ....................................................................................... 13 2.5.2 Shell181单元简介 .................................................................................... 13 2.6空气弹簧的有限元模型 ..................................................................................... 14
2.6.1空气弹簧的三维实体模型 ....................................................................... 14 2.6.2空气弹簧的有限元模型 ........................................................................... 14 2.6.3空气弹簧的约束与加载 ........................................................................... 15 2.7本章小结 ............................................................................................................... 16 第三章 空气弹簧刚度特性分析 ................................................................................. 17
3.1空气弹簧垂向特性的分析 ................................................................................. 17
3.1.1空气弹簧内压 ............................................................................................ 17 3.1.2空气弹簧帘线角 ........................................................................................ 19 3.1.3空气弹簧帘布层厚度 ............................................................................... 20 3.1.4空气弹簧帘布层层数 ............................................................................... 22 3.2空气弹簧横向特性分析 ..................................................................................... 23
3.2.1空气弹簧内压 ............................................................................................ 23 3.2.2空气弹簧帘线角 ........................................................................................ 25
3.2.3空气弹簧帘布层厚度 ............................................................................... 26 3.2.4空气弹簧帘布层层数 ............................................................................... 27 3.3弹簧刚度 ............................................................................................................... 28
3.3.1空气弹簧垂向特性拟合 ........................................................................... 28 3.3.2空气弹簧垂向特性多项式拟合 .............................................................. 29 3.3.3满载、空载空气弹簧刚度的拟合 .......................................................... 29 3.4本章小结 ............................................................................................................... 32 第四章 八自由度整车模型及平顺性仿真 ................................................................ 33
4.1路面模型 ............................................................................................................... 33
4.1.1路面不平度的功率谱密度 ....................................................................... 33 4.1.2时间频率功率谱描述 ............................................................................... 34 4.1.3滤波白噪声路面模型 ............................................................................... 34 4.2八自由度整车模型 .............................................................................................. 36
4.2.1汽车八自由度平顺性动力学模型 .......................................................... 36 4.2.2汽车八自由度平顺性数学模型 .............................................................. 37 4.2.3汽车八自由度平顺性仿真模型 .............................................................. 42 4.3整车平顺性仿真 .................................................................................................. 43 4.4空气弹簧参数对平顺性的影响 ........................................................................ 45
4.4.1空气弹簧参数 ............................................................................................ 46 4.4.2空气弹簧内压 ............................................................................................ 50 4.5本章小结 ............................................................................................................... 53 第五章
整车平顺性实验 .............................................................................................. 55 5.1试验路面及实验仪器.......................................................................................... 55 5.2试验数据分析....................................................................................................... 56 5.3模型的验证 ........................................................................................................... 58 5.4本章小结 ............................................................................................................... 60 第六章 总结与展望 ....................................................................................................... 61
6.1总结 ........................................................................................................................ 61 6.2展望 ........................................................................................................................ 61 参考文献 ............................................................................................................................. 63 硕士期间参与的科研项目 .............................................................................................. 66 攻读硕士学位期间发表的论文 ...................................................................................... 66
插图清单
图1-1“路面——汽车——人”系统的框图 ...................................................... 3 图2- 1 囊式空气弹簧结构图 .................................................................................. 5 图2- 2 膜式空气弹簧结构图 .................................................................................. 5 图2- 3 空气弹簧气囊结构图 .................................................................................. 6 图2- 4 钢板弹簧、空气弹簧载荷与固有频率关系曲线 ............................................ 7 图2- 5 空气弹簧有效面积计算模型 ........................................................................ 8 图2- 6 空气弹簧有效体积计算模型 ........................................................................ 8 图2- 7 SOLID45单元结构图 .................................................................................. 13 图2- 8 SHELL181单元结构图 ............................................................................... 14 图2- 9 空气弹簧三维实体模型 ............................................................................ 14 图2- 10 空气弹簧1/4有限元模型 ........................................................................ 15 图2- 11 空气弹簧接触单元模型 ........................................................................... 15 图2- 12 空气弹簧约束模型 .................................................................................. 16 图3- 1 空气弹簧内压不同时，空气弹簧垂向特性曲线 .......................................... 18 图3- 2 0.3MPA、载荷不同时，空气弹簧的变形 ................................................... 18 图3- 3 不同帘线角垂直载荷与垂向变形关系曲线 ................................................. 19 图3- 4 垂向载荷为19000N、帘线角为50°、60°、70°弹簧应变图 ................... 20 图3- 5 帘布层厚度不同时，垂直载荷与垂向变形关系曲线 ................................... 21 图3- 6 垂向载荷为19000N、帘布层厚度为0.5MM、0.75MM、1MM弹簧应变图 ..... 21 图3- 7 帘布层层数不同时，垂直载荷与垂向变形关系曲线 ................................... 22 图3- 8 垂向载荷为19000N、帘布层层数分别为1、2、4层弹簧应变图 ................ 23 图3- 9内压不同时，空气弹簧垂向载荷与横向变形的关系曲线 ............................. 24 图3- 10静平衡位置时，0.3MPA、0.4MPA、0.5MPA弹簧应变图 ............................. 24 图3- 11帘线角不同时，空气弹簧垂向载荷与横向变形的关系曲线 ........................ 25 图3- 12垂向载荷14000N、帘线角不同时，空气弹簧应变图 ................................ 25 图3- 13 帘布层厚度不同时，弹簧垂向载荷与横向变形的关系曲线 ....................... 26 图3- 14 垂向载荷14000N、帘布层厚度不同时，空气弹簧应变图 ......................... 26 图3- 15 帘布层层数不同时，弹簧垂向载荷与横向变形的关系曲线 ....................... 27 图3- 16垂向载荷14000N、帘布层层数为1、2、4层时，空气弹簧应变图 ............ 27 图3- 17 空气弹簧负载曲线 .................................................................................. 28 图3- 18 ORIGIN中多项式拟合函数PLOYNOMIAL FIT ................................................ 29 图3- 19 前悬架空气弹簧满载垂向特性曲线 ......................................................... 30 图3- 20 前悬架空气弹簧空载垂向特性曲线 ......................................................... 30 图3- 21后悬架空气弹簧满载垂向特性曲线 .......................................................... 31
图3- 22 后悬架空气弹簧空载垂向特性曲线 ......................................................... 31 图3- 23 空气弹簧刚度模型 .................................................................................. 32 图4- 1 随机滤波白噪声路面模型 ......................................................................... 35 图4- 2 随机路面生成模型 ................................................................................... 35 图4- 3 40KM/H、B级路面垂直位移仿真时域信号 ............................................... 36 图4- 4 汽车动力学模型 ....................................................................................... 37 图4- 5 八自由度平顺性时域仿真模型 .................................................................. 43 图4- 6 车速40KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 43 图4- 7车速50KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 44 图4- 8车速60KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 44 图4- 9车速70KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 44 图4- 10车速80KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 ........ 45 图4- 11 满载整车质心处侧倾、俯仰加速度时域图 ............................................... 45 图4- 12 前悬架空气弹簧0.48MPA不同刚度曲线 .................................................. 46 图4- 13 后悬架空气弹簧0.45MPA不同刚度曲线 .................................................. 46 图4- 14 前悬架刚度曲线为1时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 47 图4- 15前悬架刚度曲线为2时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 48 图4- 16前悬架刚度曲线为3时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 48 图4- 17后悬架刚度曲线为1时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 49 图4- 18后悬架刚度曲线为2时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 49 图4- 19后悬架刚度曲线为3时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 ...... 49 图4- 20 前空气弹簧内压0.3MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 51 图4- 21 前空气弹簧内压0.4MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 51 图4- 22前空气弹簧内压0.5 MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 52 图4- 23后空气弹簧内压0.3 MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 52 图4- 24后空气弹簧内压0.4 MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 53 图4- 25后空气弹簧内压0.5 MPA时，前桥上方地板处加速度及加速度功率谱密度 53 图5- 1 某空气悬架客车 ....................................................................................... 55 图5- 2 平顺性实验路面 ....................................................................................... 55 图5- 3 椅面三向加速度传感器 ............................................................................ 56 图5- 4 加速度传感器 .......................................................................................... 56 图5- 5 笔记本电脑及数据采集仪 ......................................................................... 56 图5- 6 车速40KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 57 图5- 7 车速50KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 57 图5- 8 车速60KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 57 图5- 9 车速70KM/H、满载前桥上方地板处垂向加速度及加速度功率谱密度 .......... 58