1.前言

      空气弹簧广泛使用于商用车和工程车的驾驶室和底盘上，为了更好地改善驾驶室或车辆性能，一般与高度阀结合使用。空气弹簧一般采用橡胶件进行密封，内部可采用常规气体，由于气体的可缩性，使得空气弹簧具有非线性刚度特性，同时与高度阀结合使用，可使空气弹簧具有动态刚度特性，可以根据不同需求改变高度阀的通流特性和空簧的底座形状，可实现不同车型不同路面工况的性能优化。

       本文研究的商用车驾驶室用的膜式空气弹簧，其原理简图2，高度阀（图1）外形简图。本文重点关注空气弹簧的外特性，特别是带高度阀后空气弹簧的外特性。根据空气弹簧的基础试验内容，已完成内嵌液压减振器的阻尼特性试验，空气弹簧基础特性（不带减振器）试验，包括在低速状态下不同标准压力（0.2MPa/0.4MPa/0.6MPa）的等压试验、不同标准压力（同上）下的变压试验及0.4MPa下的动特性试验。但以上试验内容并不能描述带高度阀后空气弹簧的动态特性，因此本文中所建空气弹簧模型将充分利用试验与仿真结合的方法，建立带高度阀的空气弹簧模型。

图1 高度阀

图2 空气弹簧（带减振器）

2.空气弹簧建模

    2.1 空气弹簧主要影响因素

    要准确模拟空气弹簧的外特性，需要知道空气弹簧输出特性的主要决定因素。从空气弹簧的力特性公式可以知道：

F=P·Aeq+Ff

    式中，

    F——空气弹簧的输出力

    P——空气弹簧的内部气体压力

    Aeq——空气弹簧的等效作用面积

    Ff——空气弹簧的干扰力，例如摩擦力

    从以上公式可以知道，如果准确地知道了在任意时刻空气弹簧的内部气体压力和等效作用面积，就可以准确地模拟空气弹簧在任意时刻的输力，即空气弹簧的外特性，包括动刚度特性。

    2.2 不带高度阀空气弹簧建模

    2.2.1 等效作用面积

    空气弹簧等效作用面积影响因素众多，除了有空气弹簧所处位置和底座形状的影响，同时还受橡胶材质和内部充气压力的影响，目前很难找到一种办法能够准确地模拟出空气弹簧等效作用面积。因此，充分运用试验与仿真相结合的方法，运用多组空气弹簧等压试验曲线拟合的响应面（任意位移、任意压力下的等效作用面积），运用试验数据自动寻优空气弹簧的等效作用面积。

图3 等效作用面积响应面

    运用多组空气弹簧等压试验曲线拟合的响应面（任意位移、任意压力下的等效作用面积），运用试验数据自动寻优空气弹簧的等效作用面积。

    2.2.2 内部气体压力

    在没有外接高度阀之前，空气弹簧内部气体是完全封闭的，并且由于试验是在低速状态下完成，因此可以认为是恒温状态，因此，空气弹簧内部气体满足：

P0·V0=Px·Vx

    式中，

    P0——初始压力

    V0——初始容积

    Px——任意时刻压力

    Vx——任意时刻容积

    通过变压曲线结合等效作用面积，结合变压试验曲线，可推算出任意位移下的空气弹簧内部气体压力，从而可进一步推算出空气弹簧容积变化的响应面（任意位移、任意压力下的容积）。

图4 容积变化响应面

    因此，我们不仅可以得到基于某初始压力和初始容积下的任意位移下的压力曲线，同时可以得到任意位移状态下的容积曲线。从以前的研究资料可以看出，压力对空气弹簧的体积影响是极小的，可以忽略，因此，在后期加入高度阀的空气弹簧中，可以认为在变压曲线下反推得到的容积变化是合理可用的。

    2.2.3 容积模型

    在得到了空气弹簧的容积变化响应面后，可在AMESim中建立容腔模型，将前述的容积变化效应输入到容积模型，为后面带高度阀空气弹簧建模提高容积压力效应。

图5 容积模型

    2.2.4 不带高度阀空气弹簧模型

    基于前述所建的内容，可以建立不带高度阀的空气弹簧模型，模型如下（包含液压减振器阻尼曲线）：

图6 不带高度阀空气弹簧模型

    2.3 带高度阀空气弹簧建模

    2.3.1 高度阀建模

    高度阀为外购件，根据供应商提供的高度阀试验曲线，进行高度阀阀口特性反推和模型建立。

图7 高度阀试验曲线及反推阀口特性曲线

    通过反推的阀口特性曲线，可以进行高度阀的建模（由于高度阀具有上下对称特性，且基于平衡位置拉伸和压缩时分别为排气和充气过程，因此，高度阀作了对称处理）。

图8 高度阀模型

    2.3.2 带高度阀空气弹簧建模

    基于不带高度阀模型及高度阀代模型，我们建立带高度阀的空气弹簧模型。模型中不仅加入了高度阀，同时加入了外部车载气泵和空气环境，以保证带高度阀后空气弹簧在实际工作中的充气和排气过程。

图9 带高度阀空气弹簧

3.仿真结果

    3.1 不带高度阀仿真结果

    在空气弹簧不带高度阀仿真结果输出时，可以看出其基本与试验曲线结果吻合，有一些差别，主要是因为仿真模型中虽然引用的试验曲线，但最终是通过容腔模型进行计算得到的输出特性，仿真模型中考虑了温度的细微影响，导致仿真结果有些许差别。

图10 仿真结果（等压仿真曲线、变压仿真曲线、动态仿真曲线）

    3.2 带高度阀仿真结果（带减振器）

    带高度阀后，在不同加载频率下其输出特性会发生明显变化。基于在不同频率下的空簧力输出对比，可以发现，引入高度阀后，将有效提高空簧在不同频率下的输出特性，以保证驾驶室在不同工况下的乘坐性能。

图11 1Hz阻尼特性曲线

图12 1Hz刚度特性曲线

图13 3Hz阻尼特性曲线

图14 3Hz刚度特性曲线

图15 5Hz阻尼特性曲线

图16 5Hz刚度特性曲线

4.结论

    本文仅对基于AMESim软件平台建立空气弹簧的建模方法和基本思路作一个介绍，有很多工作仍待进一步完善和调试。从仿真结果看，基于AMESim软件平台建立的带高度阀空气弹簧模型很好地模拟了空气弹簧的外特性，在研究空气弹簧动特性对驾驶室乘坐性能的影响研究中将起重要作用，将AMESim建立的空气弹簧模型与Virtual.Lab Motion建立的动力进行耦合仿真，将更全面地考虑驾驶室动力学特性空气弹簧产生的影响。

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