CN104239618B - 汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车等强度叠加钢板弹簧的拆分设计方法，属于车辆悬架钢板弹簧技术领域。先前钢板弹簧大都是采用图解法或ANSYS仿真验证法，不能满足车辆悬架等强度叠加钢板弹簧CAD设计要求。该发明特征在于：根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷，设计出汽车等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度，然后利用等效原理及等应力强度条件设计要求，对汽车等强度叠加钢板弹簧进行拆分设计，从而设计得到汽车等强度叠加钢板弹簧各片的厚度和长度。利用本发明可准确、可靠地对汽车等强度叠加钢板弹簧进行拆分设计，并且还可降低设计及试验费用，为钢板弹簧的设计奠定了重要的设计技术和方法。

Description

汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法

技术领域

本发明涉及汽车悬架钢板弹簧，特别是汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法。

背景技术

悬架钢板弹簧是车辆悬架系统的重要组成部件之一，对车身质量起重要支撑的作用，对车辆悬架系统特性具有重要影响，然而目前对于汽车等强度钢板弹簧的拆分设计却一直没有给出准确、可靠的解析设计方法，大都利用图解法进行近似设计，然后通过反复试验验证，最终确定出钢板弹簧的设计参数。随着汽车工业的快速发展及车辆行驶速度的不断提高，对车辆悬架钢板弹簧的设计提出了更高的要求，汽车生产厂家迫切需要准确可靠的解析设计方法，以满足车辆行驶平顺性和乘坐舒适性的要求。因此，必须建立一种准确、可靠的汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，即根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷，设计出汽车等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度理论设计值，然后利用等效原理及等应力条件对汽车等强度钢板弹簧进行解析拆分设计，从而得到准确、可靠的汽车等强度叠加钢板弹簧各片的设计厚度和长度，并且可降低设计及试验费用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、可靠的汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，其中等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，如图1所示；钢板弹簧拆分设计示意图，如图2所示。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，拆分设计流程图如图3所示，其技术方案实施步骤如下：

(1)等强度单片变厚度曲面钢板弹簧最大厚度的计算:

根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，等强度钢板弹簧的一半长度l₁，宽度b，所要求的安全许用应力[σ]，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度h_Amax，具体步骤如下：

1)根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，等强度钢板弹簧的一半长度l₁，宽度b，所要求的安全许用应力[σ]，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，即：

2)根据步骤1)中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧在安装中心处，即在x＝0处的最大厚度h_Amax，即：

(2)等强度叠加钢板弹簧各片厚度的设计和长度的设计：

I：在钢板弹簧厚度系列中，选取第1片钢板弹簧的设计厚度h₁，其中h₁<h_Amax；第1片钢板弹簧的设计长度L₁为悬架钢板弹簧的总跨度，即L₁等于一半跨度l₁的两倍，L₁＝2l₁；

II：在钢板弹簧厚度系列中选取第2片钢板弹簧的设计厚度h₂，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，确定第2片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l′₂圆整为l₂，得到第2片钢板弹簧的设计长度L₂＝2l₂；若h_2e≥h_Amax，则拆分完毕；

III：在钢板弹簧厚度系列中选取第3片钢板弹簧的设计厚度h₃，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，设计第3片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l′₃圆整为l₃，得到第3片钢板弹簧的设计长度L₃＝2l₃；若h_3e≥h_Amax，则拆分完毕，否则执行A步骤；

A：在钢板弹簧厚度系列中选取第i片钢板弹簧的设计厚度h_i，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，设计第i片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l′_i圆整为l_i，确定第i片钢板弹簧的设计长度L_i＝2l_i；若h_ie≥h_Amax，则拆分完毕；否则，令i＝i+1，重复执行A步骤，直到当h_ie≥h_Amax时，拆分完毕；

(3)对所设计的等强度叠加钢板弹簧进行ANSYS变形仿真验证:

根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，及步骤(2)中拆分设计所得到的叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立相应模型，进行静力学变形仿真分析，具体步骤如下：

a：等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的ANSYS建模与仿真:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W，及1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的仿真模型，进行静力学变形仿真分析；

b：等强度叠加钢板弹簧的ANSYS建模与仿真:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W，及步骤(2)中拆分设计所得到的等强度叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立等强度叠加钢板弹簧的仿真模型，进行静力学变形仿真分析；

c：设计等强度叠加钢板弹簧的仿真结果对比验证：

根据b步骤中所得到的等强度叠加钢板弹簧的变形仿真结果，与a步骤中所得到的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的变形仿真结果，进行比较，若两者相吻合，则表明所设计的等强度叠加钢板弹簧是合理的，满足实际工程等强度叠加钢板弹簧的设计要求及应用。

本发明比现有技术具有的优点：

先前对于汽车等强度叠加钢板弹簧的拆分设计一直没有给出准确、可靠的解析设计方法，大都利用图解法进行近似设计，然后通过反复试验验证，最终确定出钢板弹簧的设计参数，不能满足现代汽车日趋精益化的设计要求。本发明汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷，设计出汽车等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度，然后利用等效原理及等应力条件，对等强度叠加钢板弹簧进行拆分设计，从而得到精确、可靠、且满足设计要求的等强度叠加钢板弹簧各片的设计厚度和长度，同时，利用该方法还可降低设计及试验费用，为实际等强度叠加钢板弹簧拆分设计、生产提供了重要的技术支撑和方法。

附图说明

为了更好地理解本发明下面结合附图作进一步的说明。

图1是等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型图；

图2是汽车等强度叠加钢板弹簧的拆分设计示意图；

图3是汽车等强度叠加钢板弹簧的拆分设计流程图；

图4是实施例等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的变形仿真云图；

图5是实施例拆分设计所得到的等强度叠加钢板弹簧的变形仿真云图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：某车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W＝10000N，等强度钢板弹簧的一半长度l₁＝600mm，宽度b＝40mm，安全许用应力[σ]＝700MPa，钢板弹簧材料的弹性模量E＝200GPa。

本发明实例所提供的汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，具体步骤如下：

(1)等强度单片变厚度曲面钢板弹簧最大厚度的计算:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W＝10000N，等强度钢板弹簧的一半长度l₁＝600mm，宽度b＝40mm，所要求的安全许用应力[σ]＝700MPa，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度h_Amax，具体步骤如下：

1)步骤：根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W＝10000N，等强度钢板弹簧的一半长度l₁＝600mm，宽度b＝40mm，所要求的安全许用应力[σ]＝700MPa，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，即：

2)步骤：根据1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度h_Amax，即：

(2)等强度叠加钢板弹簧各片厚度的设计和长度的设计：

I步骤：在钢板弹簧厚度系列中，选取第1片钢板弹簧的设计厚度h₁＝15mm，其中h₁<h_Amax；第1片钢板弹簧的长度为L₁＝2l₁＝2×600mm＝1200mm；

II步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第2片钢板弹簧的设计厚度h₂＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第2片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₂圆整为l₂＝470mm，得到第2片钢板弹簧的设计长度L₂＝2l₂＝940mm；

III步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第3片钢板弹簧的设计厚度h₃＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第3片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₃圆整为l₃＝430mm，得到第3片钢板弹簧的设计长度L₃＝2l₃＝860mm；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第4片钢板弹簧的设计厚度h₄＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第4片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₄圆整为l₄＝360mm，确定第4片钢板弹簧的设计长度L₄＝2l₄＝720mm；令i＝4+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第5片钢板弹簧的设计厚度h₅＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第5片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₅圆整为l₅＝310mm，确定第5片钢板弹簧的设计长度L₅＝2l₅＝620mm；令i＝5+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第6片钢板弹簧的设计厚度h₆＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第6片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₆圆整为l₆＝260mm，确定第6片钢板弹簧的设计长度L₆＝2l₆＝520mm；令i＝6+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第7片钢板弹簧的设计厚度h₇＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第7片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₇圆整为l₇＝230mm，确定第7片钢板弹簧的设计长度L₇＝2l₇＝460mm；令i＝7+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第8片钢板弹簧的设计厚度h₈＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第8片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₈圆整为l₈＝210mm，确定第8片钢板弹簧的设计长度L₈＝2l₈＝420mm；令i＝8+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第9片钢板弹簧的设计厚度h₉＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第9片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₉圆整为l₉＝170mm，确定第9片钢板弹簧的设计长度L₉＝2l₉＝340mm；令i＝9+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第10片钢板弹簧的设计厚度h₁₀＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第10片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₁₀圆整为l₁₀＝140mm，确定第10片钢板弹簧的设计长度L₁₀＝2l₁₀＝280mm；令i＝10+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第11片钢板弹簧的设计厚度h₁₁＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第11片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₁₁圆整为l₁₁＝110mm，确定第11片钢板弹簧的设计长度L₁₁＝2l₁₁＝220mm；令i＝11+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第12片钢板弹簧的设计厚度h₁₂＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第12片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₁₂圆整为l₁₂＝60mm，确定第12片钢板弹簧的设计长度L₁₂＝2l₁₂＝120mm；令i＝12+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第13片钢板弹簧的设计厚度h₁₃＝15mm，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第13片钢板弹簧的一半理论设计长度将l′₁₃圆整为l₁₃＝40mm，确定第13片钢板弹簧的设计长度L₁₃＝2l₁₃＝80mm；令i＝13+1，循环执行A步骤；

A步骤：在钢板弹簧厚度系列中选取第14片钢板弹簧的设计厚度h₁₄＝13mm，且重叠部分的当量厚度

根据许用应力[σ]＝700MPa，设计第14片钢板弹簧的一半理论设计长度将将l′₁₄圆整为l₁₄＝10mm，确定第14片钢板弹簧的设计长度L₁₄＝2l₁₄＝20mm；因为h_14e≈h_Amax，则拆分完毕；

因此，汽车等强度钢板弹簧从第1片至第14片的厚度和长度拆分设计结果依次为：

h₁＝15mm，L₁＝1200mm；

h₂＝15mm，L₂＝940mm；

h₃＝15mm，L₃＝860mm；

h₄＝15mm，L₄＝720mm；

h₅＝15mm，L₅＝620mm；

h₆＝15mm，L₆＝520mm；

h₇＝15mm，L₇＝460mm；

h₈＝15mm，L₈＝420mm；

h₉＝15mm，L₉＝340mm；

h₁₀＝15mm，L₁₀＝280mm；

h₁₁＝15mm，L₁₁＝220mm；

h₁₂＝15mm，L₁₂＝120mm；

h₁₃＝15mm，L₁₃＝80mm；

h₁₄＝13mm，L₁₄＝20mm；

(3)对所设计的等强度钢板弹簧进行ANSYS变形仿真验证:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W＝10000N，1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，及步骤(2)中拆分设计所得到的等强度叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件建立仿真模型，进行静力学变形仿真分析，具体步骤如下：

a步骤：根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W＝10000N，及1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立等强度单片变厚度曲面钢板弹簧模型，进行静力学变形仿真分析，仿真得到的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的变形仿真云图如图4所示，最大变形量w_1max＝46.89mm；

b步骤：根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W＝10000N，及步骤(2)中拆分设计所得到的叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立叠加钢板弹簧模型，进行静力学变形仿真分析，仿真得到的叠加钢板弹簧的变形仿真云图，如图5所示，最大变形量w_2max＝46.619mm；

c步骤：根据a步骤中仿真所得到的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大变形量w_1max＝46.89mm，及b步骤中仿真所得到的拆分设计等强度叠加钢板弹簧的最大变形量w_2max＝46.619mm，可知，两者相吻合，相对偏差仅为0.5779％。出现偏差的原因有三：一是由于圆整每片钢板弹簧长度而产生的；二是由于实际的钢板弹簧不可能是无限片，采用有限片代替无限片产生误差；三是有限元分析软件在对模型进行单元网格划分时，不同划分方式及单元格大小，也会产生偏差。仿真结果对比表明，所建立的汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法是准确、可靠的，能够满足实际车辆对等强度叠加钢板弹簧的设计要求。

Claims (1)

1.汽车等强度叠加钢板弹簧的解析拆分设计方法，其具体设计步骤如下：

(1)等强度单片变厚度曲面钢板弹簧最大厚度的计算:

根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，等强度钢板弹簧的一半长度l₁，宽度b，所要求的安全许用应力[σ]，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的最大厚度h_Amax，具体步骤如下：

1)根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，等强度钢板弹簧的一半长度l₁，宽度b，所要求的安全许用应力[σ]，及等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的力学模型，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，即：

<mrow> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>6</mn> <msub> <mi>F</mi> <mi>W</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>b</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

2)根据步骤1)中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧任意位置x处的厚度h(x)，确定等强度单片变厚度曲面钢板弹簧在安装中心处，即在x＝0处的最大厚度h_Amax，即：

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(2)等强度叠加钢板弹簧各片厚度的设计和长度的设计：

I：在钢板弹簧厚度系列中，选取第1片钢板弹簧的设计厚度h₁，其中h₁<h_Amax；第1片钢板弹簧的设计长度L₁为悬架钢板弹簧的总跨度，即L₁等于一半跨度l₁的两倍，L₁＝2l₁；

II：在钢板弹簧厚度系列中选取第2片钢板弹簧的设计厚度h₂，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，确定第2片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l₂′圆整为l₂，得到第2片钢板弹簧的设计长度L₂＝2l₂；若h_2e≥h_Amax，则拆分完毕；

III：在钢板弹簧厚度系列中选取第3片钢板弹簧的设计厚度h₃，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，设计第3片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l₃′圆整为l₃，得到第3片钢板弹簧的设计长度L₃＝2l₃；若h_3e≥h_Amax，则拆分完毕，否则执行A步骤；

A：在钢板弹簧厚度系列中选取第i片钢板弹簧的设计厚度h_i，且重叠部分的当量厚度根据许用应力[σ]，设计第i片钢板弹簧的一半长度的理论设计值将l_i′圆整为l_i，确定第i片钢板弹簧的设计长度L_i＝2l_i；若h_ie≥h_Amax，则拆分完毕；否则，令i＝i+1，重复执行A步骤，直到当h_ie≥h_Amax时，拆分完毕；

(3)对所设计的等强度叠加钢板弹簧进行ANSYS变形仿真验证:

根据车辆单轮钢板弹簧一端承受的载荷F_W，1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，及步骤(2)中拆分设计所得到的叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立相应模型，进行静力学变形仿真分析，具体步骤如下：

a：等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的ANSYS建模与仿真:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W，及1)步骤中所确定的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的仿真模型，进行静力学变形仿真分析；

b：等强度叠加钢板弹簧的ANSYS建模与仿真:

根据车辆单轮钢板弹簧一端所承受的载荷F_W，及步骤(2)中拆分设计所得到的等强度叠加钢板弹簧，利用ANSYS有限元分析软件，建立等强度叠加钢板弹簧的仿真模型，进行静力学变形仿真分析；

c：设计等强度叠加钢板弹簧的仿真结果对比验证：

根据b步骤中所得到的等强度叠加钢板弹簧的变形仿真结果，与a步骤中所得到的等强度单片变厚度曲面钢板弹簧的变形仿真结果，进行比较，若两者相吻合，则表明所设计的等强度叠加钢板弹簧是合理的，满足实际工程等强度叠加钢板弹簧的设计要求及应用。