汽车行驶平顺性的研究内容主要是汽车振动模型的研究、振动响应的求解以及汽车行驶平顺性评价方法及评价指标等。路面不平度是汽车振动的基本输入，研究路面不平度的统计规律则是研究汽车振动与平顺性的重要基础工作。汽车的振动模型是研究汽车行驶平顺性的基础，从单自由度到多自由度，从平面模型到空间模型。实际的汽车是一个复杂振动系统，要对它进行模拟研究须建立合适的动力学模型和数学模型[16]。本文选用车辆八自由度模型进行计算仿真。平顺性的评价是一个极为复杂的过程。当前对汽车振动的评价主要分两类：主观评价和客观评价。主观评价方法主要考虑乘员的主观反应，进行统计分析并对车辆进行评价；客观评价方法主要考虑车辆的隔振性能，以机械振动的各物理量(如振幅、频率、加速度等)作为评价指标并适当考虑人体对振动反应的敏感程度来评价汽车的平顺性，这是一种较为合适的评价方法[17]。 1.3本文研究的内容及意义
由于空气弹簧在减振性能、储存能量方面与其它弹性元件相比有较大的优势，因此装有空气弹簧的汽车也越来越多地受到广大消费者和开发商的青睐
[18]
。在公路比较发达的地区，人们对汽车的追求已经不仅仅是汽车的经济性，
而越来越注重汽车的乘坐舒适性。本文主要是针对目前高档大客车、重型载货汽车、部分高级轿车广泛采用的空气弹簧的弹性特性进行分析与研究，并进行平顺性仿真与分析，为我国今后汽车空气悬架系统设计选型、空气弹簧生产厂家的产品开发提供理论基础和科学依据，具有重要的理论意义和实际工程应用价值。
本文根据某空气悬架客车进行分析，主要从空气弹簧的各个自身参数分析其对空气弹簧垂向刚度和横向刚度的影响，然后根据其结果进行平顺性仿真并分析空气弹簧参数对汽车平顺性的影响，最后开展了客车平顺性试验研究，并验证了仿真模型的正确性。
其具体内容如下： 1． 2． 3．
根据空气弹簧结构分析其非线性特性； 建立空气弹簧有限元模型并进行有限元分析；
分析空气弹簧参数（主要包括气压、帘线角、帘布层厚度、帘布层层数）对空气弹簧垂向、横向刚度的影响，并得到整车空载、满载工况下空气弹簧的刚度曲线； 4． 5． 6．
根据各个参数分别建立路面模型、空气悬架八自由度整车模型； 八自由度整车模型平顺性仿真，并分析空气弹簧内压、帘线角等参数对整车平顺性的影响；
根据国家标准GB/T 4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验》，完成客车平顺性试验和实验数据处理。
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第二章 空气弹簧及其有限元模型
2.1空气弹簧的分类、结构及特点 2.1.1空气弹簧的分类
空气弹簧有囊式和膜式之分。
囊式空气弹簧是由橡胶制成的提灯(灯笼)形结构，可以是一段或者由数段串接而成，分别称为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。在各段之间镶有金属腰环，借以承受初始压力张力的作用[19]。其结构图如图2-1所示。
图2- 1 囊式空气弹簧结构图
膜式空气弹簧可以通过改变活塞形状来控制有效面积变化率，其弹性特性曲线更加理想，可以得到较低的自振频率。其结构图如图2-2所示。
图2- 2 膜式空气弹簧结构图
2.1.2空气弹簧的结构
空气弹簧主要是由下底座、气囊、上盖板、应急簧等组成，其中气囊是空
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气弹簧的主要部件，它是由承载骨架材料(帘线)与橡胶所组成的柔性部分[20]。其结构图如2-3所示。
图2- 3 空气弹簧气囊结构图
2.1.3空气弹簧的特点
空气弹簧的弹力可由下式表示：
F?PA (2-1)
其中A为有效面积，P为任意时刻相对气压。
假设气囊中气体的热交换过程是处于等温和绝热过程之间（称为多变过程)
[21]
则它的状态方程：
n(P?PA)Vn?(PA?P)V0o (2-2)
PA为标准大气压，P0为静平衡位置时的相对气压，V为任意时刻空气弹簧体积，Vo为静平衡位置时空气弹簧的体积，n为多变指数。
有：
P?(PA?P0)(F?[(PA?P0)(Von)?PA (2-3) VVon)?PA]A (2-4) VdFdAV0ndVk??p?nA(p0?pa)n?1 (2-5)
dxdxVdxf?12?gk1?F2?V0ndVdAg[p?nA(p0?pa)n?1]dxVdx (2-6)
F由以上公式可知空气弹簧的刚度与有效面积变化率和有效体积变化率有关，由于空气弹簧的面积和体积随载荷的变化而变化，故导致空气弹簧的刚度是非线性。
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对于钢板弹簧的刚度k一般是保持不变的，根据式2-7故有如图2-4(a)图所示的载荷与固有频率关系曲线，由图可以看出：系统固有频率随载荷的增加而
f?12?gk (2-7) F降低。即：重载时系统固有频率低，轻载时固有频率高。换言之，如果重载时隔振性能好，则轻载时隔振性能差，二者不可兼顾。而对于空气弹簧来说，空气弹簧的刚度是随着载荷的变化而变化的，其固有频率与载荷之间有如下关系，如图2-4(b)图所示，当载荷F增加时，k也变大，而固有频率在数值上基本不变，所以无论是重载还是轻载都能保证很好的隔振效果。
（a） (b)
图2- 4 钢板弹簧、空气弹簧载荷与固有频率关系曲线
由上面式子可知，空气弹簧刚度与空气弹簧有效面积变化率及有效体积变化率有关。
有效面积变化率的计算：
图2-5所示是典型的膜式空气弹簧计算模型，图中的轮廓线为气囊的内表面，计算时假设条件是：空气弹簧在变形前后，气囊在经线方向上的长度保持不变，气囊外径保持不变。图中主要参数的意义如下：H为空气弹簧的总高度，
H1为活塞作用高度，R为空气弹簧半径，R2为空气弹簧的有效半径，R3为气囊上止口半径，R1为气囊下止口半径。
有效半径R2可以表示为
R2?R1?H1tg??Rbsec? (2-8)
R2?R1?R?R1??H1tg (2-9)
1?cos?2气囊的有效面积为：
A??R22 (2-10)
通过计算能够得到空气弹簧的有效面积变化率
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dRdA?dH1?2?R22?2?R2tg?dxdx2dx （2-11） ?12?R2tg?2[1?sec??(3????2?tg?)tg?]22
图2- 5 空气弹簧有效面积计算模型
有效体积变化率的计算：
有效体积可由9个简单的体积代数和得到，如图2-6所示。图中V1、V2、
V3为空气弹簧气囊容积与应急簧、下底座等体积和，V4、V5、V6为空气弹簧下底座在气囊内部的体积，V7、V8为应急簧所占得体积，V9为上盖板凸起部分在气囊中的体积。
图2- 6 空气弹簧有效体积计算模型
由上图可以看出，空气弹簧的有效体积为：
V?V1?V2?V3?V4?V5?V6?V7?V8?V9 (2-12)
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