基于SolidWorks的空气弹簧三维建模方法研究

　　0 引言

　　空气弹簧是利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件。由于其良好的非线性特性，在车辆上得到广泛的应用。目前，随着计算机技术的快速发展和有限元计算理论的不断成熟，对空气弹簧进行仿真分析与试验相结合是空气弹簧研究开发的趋势，而建立三维建模是仿真分析的前提，三维模型的建立越来越受重视。笔者介绍了空气弹簧的原理，建立了空气弹簧的三维模型，为空气弹簧的仿真分析打下了基础。

　　1 空气弹簧结构

　　根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧的结构形式主要分为囊式和膜式两大类，如图1、2所示。其中橡胶气囊是空气弹簧的重要部件，一般由内橡胶层、外橡胶层、帘线层和成型钢丝圈硫化（交联）而成。

图1 囊式空气弹簧

图2 膜式空气弹簧

　　2 空气弹簧原理

　　空气弹簧工作原理是利用橡胶气囊内部压缩的空气，空气弹簧的支承和弹性作用主要取决于弹簧内的压缩气体。容积比与气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的性能。一般采用以下气体定律描述压力和容积的关系：

　　若气体质量m为常数，则压力和容积的关系为

　　空气弹簧的承载力F可表示为

　　式中：pi为空气弹簧内气体工作压力；

　　Ae为空气弹簧有效承压面积。

　　通过承载力F对弹簧行程s求导可得空气弹簧刚度k。

　　空气弹簧工作时其内部气体满足气体状态方程，即

　　式中：p为空气压力；

　　pa为大气压力；

　　V为空气体积；

　　C为常数；

　　n为气体的多变指数。

　　多变指数n的选择取决于空气弹簧变形的速度，变形慢时可视为等温过程，n≈1；变形快时为绝热过程，n≈1.3～1.4。

　　将式(3)两边对弹簧行程s求导，得

　　式中：负号表示弹簧内气体压力变化趋势与容积变化趋势相反，在计算刚度时取其绝对值，其中δV/δs=Ae。将式(4)代入式(2)，得空气弹簧刚度的一般表达式

　　可见，空气弹簧的有效承压面积Ae及其变化率δAe/δs、橡胶气囊内空气容积和工作压力对空气弹簧刚度有显著的影响。