魏政君，姜長城，李廣龍，李利平，鄭益謙

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

新工科建設(shè)浪潮下，為培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)貼近工程實(shí)際，緊跟科研步伐，使其更具設(shè)計(jì)性、探索性、研究性的特征；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式因?qū)W生志趣而改進(jìn)，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，線上線下，課內(nèi)課外，拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間與空間，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，積極挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)上的難題，提升實(shí)驗(yàn)參與度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的素質(zhì)能力[1-6]。

空氣彈簧作為汽車空氣懸架系統(tǒng)的核心部件，其優(yōu)良性能對于提升乘坐舒適度，減少大型汽車對路面破壞起著關(guān)鍵的作用。空氣彈簧在主要發(fā)達(dá)國家商用車中的配置率超過80%，而中國用車的配置率還非常低?？諝鈴椈勺鳛闇p振元件已跨領(lǐng)域使用，如軌道交通、機(jī)械工業(yè)、防微振領(lǐng)域等[7]。廣闊的市場需求與技術(shù)進(jìn)步要求揭示了空氣彈簧的研究有重要價(jià)值。

鑒于此，將實(shí)際工程案例中的“空氣彈簧性能實(shí)驗(yàn)”引入車輛工程本科實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為中心，以工程正向研發(fā)為主線，借助翻轉(zhuǎn)課堂，進(jìn)行課前建模仿真，課中實(shí)驗(yàn)實(shí)施，課后總結(jié)答辯，在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)下，將線上線下、虛實(shí)結(jié)合，促使教師主講的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)的殿堂，將知識傳授過程轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)人能力培養(yǎng)的過程。

1 實(shí)驗(yàn)對象

空氣彈簧是在柔性密閉氣囊中充入壓縮空氣，利用氣體非線性的受壓恢復(fù)特性的非金屬彈簧，其質(zhì)量輕、摩擦少、隔振好、噪音低、高度可調(diào)，具有較好的行駛平順性和道路友好性[7，8]。實(shí)驗(yàn)對象為某款雙曲囊式橡膠空氣彈簧，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中的橡膠氣囊由氣密層橡膠、外表層橡膠、簾線層和成形鋼絲圈硫化而成，是決定空氣彈簧性能的關(guān)鍵部件[9-10]。

圖1 實(shí)驗(yàn)對象

2 課前任務(wù)

實(shí)驗(yàn)課前任務(wù)，不能局限于狹義的實(shí)驗(yàn)，而是要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)的文獻(xiàn)研讀、建模、仿真、設(shè)計(jì)方案等，縱向拓展實(shí)驗(yàn)，增加內(nèi)容吸引力、挑戰(zhàn)度和探索性?？磶资摃膶W(xué)習(xí)效果不如動手完成一個(gè)作品來得深刻，它有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更促使學(xué)生掌握現(xiàn)代CAE 工具，提升工程實(shí)踐能力[11]。

以表1 基本參數(shù)為例，安排學(xué)生進(jìn)行建模、仿真、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備等，明確整個(gè)任務(wù)流程。

表1 舉例參數(shù)

2.1 建模仿真

根據(jù)參數(shù)，用三維建模軟件，創(chuàng)建一個(gè)軸對稱結(jié)構(gòu)的雙曲囊式空氣彈簧數(shù)模，如圖2 所示。導(dǎo)入Hypermesh中前處理，網(wǎng)格劃分如圖3 所示。在Abaqus 中進(jìn)行設(shè)置計(jì)算，用流體單元模擬氣體單元，賦予材料屬性，將上、下蓋板及卡環(huán)設(shè)置為剛體，利用rebar 單元模擬橡膠氣囊中的簾線層，仿真過程中，固定下蓋板，對上蓋板施加垂向位移[12-13]。初始工作氣壓為0.4 MPa，初始工作高度為190 mm，定義受壓為負(fù)方向，豎直位移量-30 mm～+30 mm，載荷-位移結(jié)果如圖4 所示，應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖2 模型

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 仿真結(jié)果

圖5 應(yīng)力云圖

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用MTS（Mechanical Testing & Simulation，以下簡稱MTS）測試儀，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖6 所示，空氣彈簀下蓋，通過設(shè)計(jì)的工裝夾具與MTS 試驗(yàn)臺下端的作動器連接。上蓋通過工裝與MTS 試驗(yàn)臺的固定端相連接。壓縮空氣經(jīng)過一系列閥門管路至空氣彈簧內(nèi)。在對空氣彈簧垂直拉壓循環(huán)下，傳感器獲得位移、壓力，氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)等信號，由MTS 測試儀采集與處理。

圖6 實(shí)驗(yàn)方案

3 課中實(shí)驗(yàn)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)實(shí)施是實(shí)驗(yàn)課程的核心，將課前虛擬仿真與課中空氣彈簧實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，揚(yáng)長避短，相互促進(jìn)。在有限的課堂時(shí)間里，盡可能提高學(xué)生的興趣度和參與度，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題，使其在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在疑問中提高，在爭辯中內(nèi)化。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

按設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案連接工裝、管路等，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖7 所示。在臺架上調(diào)整空氣彈簧至工況要求的初始工作高度，設(shè)置空氣壓縮機(jī)輸出壓力，打開閥門對空氣彈簧充氣至初始?xì)鈮海z查壓降，確保氣密性。

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

在MTS 測試軟件中，編制靜態(tài)、動態(tài)下的特性測試程序。靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，采用位移控制模式，壓縮為負(fù)方向，控制傳動器以5 mm/min 的速率緩慢在-30 mm ～+30 mm 之間垂直循環(huán)拉壓。動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，激勵振幅為2 mm，激勵頻率為0.5 ～18 Hz，步長為0.5 Hz，在不同頻率下進(jìn)行垂直振動。MTS 測試系統(tǒng)采集循環(huán)過程的載荷、位移、壓強(qiáng)信號并處理。

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅僅是驗(yàn)證，也是正向設(shè)計(jì)，或是研究模型獲得參數(shù)的重要途經(jīng)，如需要的空氣彈簧有效面積、面積變化率等結(jié)構(gòu)參數(shù)主要靠實(shí)驗(yàn)直接或間接獲取。通過實(shí)驗(yàn)明確參數(shù)對性能的影響以正確指導(dǎo)空氣彈簧設(shè)計(jì)，減少反復(fù)試制，節(jié)省成本，提高效率。

結(jié)果如圖8 所示，在工作壓力0.4 MPa 下，隨初始高度降低，其有效的氣體承載面更大，即空氣彈簧的有效面積更大，故承載能力增大。遲滯回線在極限位移處均存在尖角效應(yīng)，190 mm 的工作高度的曲線遲滯損耗較大。對比190 mm 初始高度下的靜態(tài)剛度仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整體斜率偏差較小。有限元法獲取的仿真結(jié)果的遲滯效應(yīng)不明顯，而試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)明顯的遲滯效應(yīng)，這是仿真中忽略了橡膠氣囊的材料非線性，此時(shí)彈簧載荷主要由壓縮空氣反作用力決定，載荷-位移趨于一條直線。

圖8 靜態(tài)剛度

空氣彈簧支承力的主要影響因素是囊內(nèi)氣壓與有效面積。根據(jù)測得囊內(nèi)氣壓，間接獲取有效面積，見圖9、圖10，空氣彈簧內(nèi)部氣體壓力在初始?xì)鈮?.4 MPa 附近變化，在壓縮行程，壓力逐漸升高，在拉伸行程，壓力逐漸降低。初始工作高度為190 mm 的氣壓曲線隨位移的變化更為明顯，非線性更強(qiáng)。這是由于較低的初始工作高度使空氣彈簧內(nèi)部體積量較小，其調(diào)節(jié)壓力波動的能力較弱。從圖10 可知，有效面積隨則壓縮位移的增大而增大，空氣彈簧的承載能力也有所提高，這與圖8 結(jié)果具有相同的趨勢。當(dāng)初始?xì)鈮合嗤瑫r(shí)，初始工作高度越低，其有效面積也越大。

圖9 囊內(nèi)氣壓

圖10 有效面積

動態(tài)剛度具有明顯的頻率相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，動態(tài)剛度要大于靜態(tài)剛度，不同的初始工作高度，其動態(tài)剛度量值雖然不同，但其整體的變化趨勢是一致的，隨著激勵頻率的增大，動態(tài)剛度量值逐漸增大。在汽車正常工作頻率18 Hz 范圍內(nèi)時(shí)，動剛度整體的平穩(wěn)緩慢增加有利于保持較低的固有頻率，以獲得更好的隔振性能，提高乘坐舒適性。

圖11 動態(tài)剛度

4 課后總結(jié)拓展

4.1 總結(jié)答辯

課后，教師與學(xué)生都要進(jìn)行總結(jié)、評價(jià)、反思，形成有效的閉環(huán)反饋。學(xué)生總結(jié)報(bào)告涵蓋課前、課中的內(nèi)容，以小論文的形式提交，并以答辯的形式結(jié)課。課程評價(jià)注重整個(gè)過程質(zhì)量監(jiān)控，關(guān)注學(xué)生的知識與能力的達(dá)成情況。

4.2 實(shí)驗(yàn)拓展

必修的第一課堂完成，順勢而為地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入第二課堂，讓更多的學(xué)生學(xué)以致用，深度科研，進(jìn)一步鍛煉自己，最終結(jié)出果實(shí)。

（1）研究附加輔助氣室對空氣彈簧隔振性能的影響。不同輔助氣室體積下、在空氣彈簧與附加氣室之間設(shè)置阻尼裝置，研究其對動靜態(tài)特性影響。

（2）用試驗(yàn)法、有限元法、圖解法等，研究影響參數(shù)變化下的性能變化，如：不同初始壓力、不同簾線角、簾線層數(shù)、皮囊長度影響下的空氣彈簧載荷-位移關(guān)系，動態(tài)剛度的變化情況。

（3）研究空氣彈簧在空氣懸架實(shí)驗(yàn)臺架上的高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的原理，進(jìn)而拓展到剛度調(diào)節(jié)、阻尼調(diào)節(jié)等主動控制方面的實(shí)現(xiàn)方法。

5 結(jié)語

將工程案例實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入車輛專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，借助翻轉(zhuǎn)課堂模式，沿著工程正向研發(fā)的邏輯順序，進(jìn)行課前建模仿真、課中實(shí)驗(yàn)分析、課后總結(jié)答辯，強(qiáng)化學(xué)生工程意識的同時(shí)，促使學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備更充分，使其更能在課堂中得心應(yīng)手，樹立自信，更加主動學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)探索。在有限的寶貴的課堂時(shí)間里，學(xué)生獲得更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會，探索更多的知識，進(jìn)行更深的交流，有效鍛煉其工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。