大型车用空气弹簧CAE分析.PDF

大型車用空氣彈簧 CAE 分析 楊偉良 財團法人車輛研究測試中心 陳東茂 怡馨橡膠工業有限公司 Email : wlyang＠artc.org.tw 摘要 本文目的為利用有限元素法進行空氣彈簧之靜態剛性分析，由於空氣彈簧之負載性能受氣墊 本體之橡膠、簾線與內壓之影響甚大，因而希望藉由 abaqus/standards模擬空氣彈簧垂直受壓行 為，探討不同初始內壓下之簾線排列對於垂直向之力量-位移曲線，以及側向氣墊本體膨脹行為， 以作為後續空氣彈簧開發之設計依據。 關鍵詞： 空氣彈簧、橡膠、剛性分析 1. 前言 討氣墊本體各項設計參數對於空氣彈簧垂直 早期台灣的客車業者多採用片狀或圈狀 剛性影響，以及側向之形變量，以提供產品於 彈簧懸吊之底盤，因其購買成本較為業者所能 初期開發時之相關設計參考。 接受，但乘坐之舒適性卻大打折扣。而隨著造 車工藝的精緻化，乘客對於客車之要求提高， 2. 有限元素模型建立 業者因而由國外引進單價較高之氣墊巴士，迄 於空氣彈簧有限元素模型之建構上，因考 今，依大客車打造廠引進之底盤粗估統計，97 量其結構之作動行為，橡膠本體 含簾線( ) 、內 年度所進口之底盤已達九成採用氣墊式空氣 部氣體、鋼板及油壓治具皆需建立有限元素模 彈簧懸吊。 型，如圖一所示。 空氣彈簧之作動，是藉由鋼板及氣墊本體 構成封閉氣室，並利用空氣可壓縮性及具高度 彈性之氣墊本體，進而實現具優良彈性作用的 非金屬彈簧。空氣彈簧主要之負載形式多為垂 直向載荷，藉由充壓/洩壓方式，可改變空氣 彈簧之垂直剛性，達到不同之避震需求，亦可 改變車身高度，因應不同之載重及路面需求， 圖一、空氣彈簧結構示意圖 因此空氣彈簧之垂直剛度性能於其開發時極 具指標意義；此外，空氣彈簧在垂直運動時， 於橡膠本體中，橡膠之力學性能受溫度、 亦於側向體積會產生變化，對於設計空間狹隘 環境、作動速度及應變率 …等之影響甚大，而 的懸吊系統中，容易造成非預期之不當磨損。 本文僅對於空氣彈簧之內壓及簾線排列對其 而影響空氣彈簧垂直性能則主要取決於 靜態擠壓性能進行探討，因此為簡化其分析設 內壓、簾線及橡膠之幾何尺寸及排列狀態，因 定，而對橡膠之模擬進行相關假設：1.假設橡 此本文希望藉由有限元素軟體 ABAQUS ，探 膠為均值等向性材料， 2.擠壓過程橡膠不產生 1 遲滯效應， 3.橡膠為不可壓縮之超彈性材料， 在空氣彈簧之靜態分析上，由於空氣彈簧 因此在模擬橡膠之材料採用 hyperelastic ，其應 除擠壓過程產生結構之垂直向剛性變化外，在 變能方程式則採用 Mooney- Rivlin 之數學方 空氣彈簧初始進行充氣時亦會對於初始結構 程，元素類型則採用 S4R 薄殼元素。 產生形變，而影響整體之結構剛性，因此分析 橡膠本體除橡膠層外，最重要之結構便為 將採用兩種試驗方式進行。 簾線結構，如圖二所示[1] ，簾線的用料則相當 試驗方法一，分成兩個步驟進