空气弹簧帘线-橡胶复合材料结构具有刚度可变、轻量化、高度可调、隔振效果好等优势，在汽车“新四化”的发展趋势下，车用空气弹簧力学成为学术和工程研究热点。但其受力的“有效面积”这一重要参数还未建立完善理论模型。结合复合材料力学特性与几何学特征，提出一种车用膜式空气弹簧有效面积理论分析与预测方法。给出了空气弹簧有效面积理论预测表达式，体现了空气弹簧气囊内压强、空气弹簧高度等因素对有效面积的综合影响。利用力学综合实验台架设计实验，对某型号空气弹簧进行有效面积测量，实验结果与理论分析的对比显示在实验测量的范围内，理论预测的有效面积误差在1%以内，表明了这种理论分析方法的合理性。这种方法对进行有效面积的预测、空气弹簧的准确建模及进一步进行高精度的车高控制具有一定的指导意义。

　　空气悬架作为一种可实现高度调节的车辆半主动悬架，越来越受到关注。空气悬架的核心是可通过充放气调节高度和刚度的空气弹簧(下简称空簧)。空簧的有效面积被定义为空簧支承力与内部气体相对压强的比值，其特性对于空气悬架的准确建模与控制设计十分关键。然而，这是一个等效物理量，无法直接测量得到。

　　在实际中，空簧有效面积主要是空簧高度和内部压强的函数，且存在一定的非线性特征。文献中研究有效面积主要采用有限元仿线]、胡德安等[4]提出的有效面积确定方法结合有限元工具进行了验证。杨泽彪[7]给出一种几何意义上的有效面积定义，确定了有效面积及其随高度的变化率。其他几何图解方法也沿用了文献[7]中的一些变形规律假设。罗贤光[10]分析了不同受力状态下的囊式空簧有效面积情况。Li等[13-14]在对轨道车辆空簧刚度的分析中给出了有效面积变化率的图解公式。不同形式的空簧有效面积变化规律也有差异[17]。部分空气悬架设计与建模工作采用空簧活塞面积或最大外径面积[16]代替有效面积，精度不高。采用实验拟合方法确定的有效面积规律一般随高度以线]规律变化。

　　文献中大多仅考虑空簧有效面积与高度的关系[18-21]，对其随压强变化规律研究相对较少。在不同车辆载荷下，即使空簧处于同一高度，其内部压强也会变化，进而显著影响有效面积和悬架动力学性能。本文结合复合材料力学与几何学分析，提出一种新的车用膜式空簧的有效面积预测方法，探究空簧各参量(尤其是压强)对有效面积变化的影响，并与实验结果进行比对以验证其合理性。

　　空簧气囊结构一般如图1所示，通过钢丝圈紧箍密闭，以中心帘线-橡胶层为主要承力部位，内外涂以胶层。常用于乘用车的空簧一般为膜式空簧，活塞上下移动时通过气囊壁垂耳在活塞边缘翻卷以改变空簧高度。一般来说，空簧有效面积Aeff与其高度和内部压强相关：

　　在气囊工作范围内可视其横截面为圆形，其纵截面如图2所示。这里取远离上下盖板及垂耳处、高度为dy的微元高度横切气囊壁进行分析，横切气囊壁微元段在径向和周向的受力情况如图3、图4所示。

　　(2)式中：dA为微元面积；R为横切面的半径；dT为垂向的微元力。假定横切面在垂向上受到的与有效面积相关的拉力F0为

　　(4) 式中：dF为周向的微元力；T、F分别为垂向与周向单位长度上产生的力。由于取的微元体很小，近似符合平面应力条件，可将圆柱坐标系转化为随体直角坐标系。在该直角坐标系中，忽略内外气压差对垂直于平面方向应变的影响，结合转换关系dx=Rdθ，该微元体在随体坐标系下平面内受力状态如图4所示。

　　下面对微元体的材料结构进行分析。忽略内外胶层对气囊力学特性的影响，假定完全由帘线-橡胶层承载气囊所受的力。橡胶在大变形情况下具有非线性力学特性，但考虑到气囊是帘线增强的复合材料结构，在力学分析时为简化起见用线弹性材料描述橡胶基体行为。基于此假设，将帘线-橡胶看作正交各向异性复合材料，其中，橡胶作为基体提供支撑，尼龙帘线作为增强体起主要承力作用。

　　单层帘线-橡胶材料的帘线铺层随体坐标与主方向定义如图5所示。图中的x、y随体坐标轴方向分别对应于前述的空簧气囊的纬线分别对应平行与垂直帘线 微元体随体坐标与主方向定义

　　式中，Ef、Cf、νf和Gf分别表示帘线的弹性模量、相对体积含量、泊松比和剪切模量，与之相对应的m下标四个参量均为橡胶的等效材料参量。采用线弹性小变形的假设，存在如下关系[23]：

　　其中，K、G分别为橡胶材料等效的体积模量与剪切模量。值得注意的是，不同理论可对复合材料参数给予不同的预报，这里选择了较通用的一种，暂不研究参数预报方法的准确性。

　　其中：σ1、ε1、σ2、ε2、γ12与τ12分别为面内1方向、2方向和1-2切向的应力与应变；S为柔度矩阵。进一步利用折减刚度矩阵Q表示本构方程：

　　本构方程(11)中存在的四个独立的弹性常数，可利用前述预报公式求得，式(12)中1-2方向的泊松比ν12利用麦克斯韦方程式计算。进一步结合转移矩阵T进行复合材料的转轴转化：

　　式中：σx、εx、σy、εy、γxy与τxy分别为面内x方向、y方向和x-y切向的应力与应变；Q¯¯为转轴折减刚度矩阵。

　　考虑到本文主要关注气囊x、y方向上的宏观作用力产生的应变，忽略层合板的扭曲率，即Kxy = 0，结合式(4)，简化式(17)为

　　其中，n为层数。由上文的简化可见，拉扭耦合矩阵B对有效面积计算没有影响。结合层合板的反对称性，式(18)进一步可以简化为

　　其中：Q1、Q2为式(22)中定义的Q0矩阵第一行第一列和第二列的元素，材料特性确定后，为α的函数，且有Q1 0、Q2 0；R为压强变化后的气囊半径；RD为气囊内压强较小时，随压强变化不再发生明显径向形变的初始半径，经实验确定为内部相对压强为0.2 MPa时的气囊外半径。式(23)进一步转化为

　　空簧气囊的高度主要由气囊壁垂耳的翻卷改变，前述分析没有考虑到这一高度变化的影响。基于实验[19]与几何图解[3]的方法均指出有效面积随高度的近似线性变化规律。这里设定高度对有效面积的影响为线性，由根据实验确定的参量κ表征[20]。这一部分对有效面积的影响写为

　　在实验中，首先将空簧上端固定，调节下端位置到一定高度并充气至较低的初始压强。保持空簧高度不变，利用减压阀改变空簧内的气体压强，其值通过与管路相连的压强传感器读出。在不同压强下，当力传感器、压强传感器测得的数据基本保持稳定时，记录对应的力与压强。在同一高度下完成不同充气压强的实验测量后，再调整台架至另一实验高度，重复上述过程。最终根据测得的力与压强的比值作为各测量工况下的有效面积。为保证数据的准确性，同一高度的实验中先逐步升压至最大测量压强，再逐步减压至初始压强，每一个压强测量点在升降压过程中均进行数据采集并求平均以减小误差。实验选择了230 mm、250 mm、270 mm和290 mm的空簧高度进行实验，压强变化范围为0.3~0.8 MPa，这基本覆盖了该空簧的实际工况。

　　根据上节所述的理论分析方法，结合空簧的基本参数，对该空簧的有效面积计算公式进行了拟合，部分参数取值如表3所示，实验数据与理论预测数据如图10所示，理论与实验的误差情况如表4所示。由图10可知，随高度减小、压强增大，有效面积有变大的趋势，此时经线方向上卷耳部分的长度增加，导致空簧气囊整体有变得矮粗的趋势。由表4可以看出，在实验对应的测量范围中，理论预测的有效面积误差都小于1%，这表明上述空簧有效面积的理论分析方法能很好地与实验数据相符合，对进行空簧有效面积的预测具有一定的指导意义。