CN104421363A - 汽车悬架螺旋弹簧设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法，包括如下步骤：获得悬架系统设计参数，并根据所述悬架系统设计参数确定螺旋弹簧的初始基本参数；根据悬架空间要求确定弹簧结构形状，根据所选择的弹簧结构形状确定与之对应的可变参数，根据确定的可变参数及所选择的弹簧材料计算弹簧线径；根据弹簧线径、初始基本参数及所选择的弹簧材料计算弹簧结构参数和弹簧性能参数；根据计算得到的弹簧结构参数、弹簧性能参数及所选择的弹簧材料对以上弹簧设计方案进行校核判断。本发明的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，弹簧线径直接由计算得到，在设计不同结构形状的弹簧时计算线径的可变参数相应地发生改变，能够更为准确的计算出相应的弹簧结构参数和性能参数。

Description

汽车悬架螺旋弹簧设计方法

技术领域

本发明涉及汽车悬架技术领域，特别是涉及一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法。

背景技术

在采用螺旋弹簧做弹性元件的悬架系统中，螺旋弹簧是其中一个非常重要的零部件，它不仅影响到整车的疲劳寿命，而且对整车的乘坐舒适性有决定性的影响，由此可见，弹簧设计是汽车设计的一个重要环节。

如图1所示，目前，汽车悬架螺旋弹簧的设计方法一般都是先初选一个弹簧线径（材料直径），然后计算出弹簧其他的参数，根据计算情况修正线径的取值，重新计算相关参数，如此反复。针对不同结构形状的弹簧计算线径的可变参数都是一样的（即计算公式相同），计算结果误差较大，往往不能满足实际要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的螺旋弹簧设计方法在设计不同结构形状的弹簧时计算线径的可变参数相同而导致的计算结果误差较大的缺陷，提供一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，提供一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法，包括以下步骤：

获得悬架系统设计参数，并根据所述悬架系统设计参数确定螺旋弹簧的初始基本参数；

根据悬架空间要求确定弹簧结构形状，然后，根据所选择的弹簧结构形状确定与之对应的可变参数，根据确定的可变参数及所选择的弹簧材料计算弹簧线径；

根据上述确定的弹簧线径、初始基本参数及所选择的弹簧材料计算弹簧结构参数和弹簧性能参数；

根据计算得到的弹簧结构参数、弹簧性能参数及所选择的弹簧材料对以上弹簧设计方案进行校核判断。

进一步地，所述悬架系统设计参数包括轴荷M_Z、簧下质量M_H、偏频n_f、衬套等效刚度C_T和杠杆比i；

所述初始基本参数包括弹簧刚度C_S、设计状态载荷P、设计状态高度H、压缩极限高度H_m及拉伸极限高度H_e。

进一步地，所述弹簧刚度C_S由以下公式计算得到：

$C_S=({(2\mathrm{\π}\×n_f)}^2\×\frac{M_Z-M_H}{2}-C_T)\×i^2;$

所述设计状态载荷P是指汽车处于半载状态螺旋弹簧所承受的载荷，由以下公式计算得到：

$P=\frac{M_Z-M_H}{2}\×9.8\×i;$

所述设计状态高度H、压缩极限高度H_m及拉伸极限高度H_e由悬架空间机构确定。

进一步地，所述弹簧结构形状为圆柱形、一端锥形或两端锥形。

进一步地，针对圆柱形螺旋弹簧，所述可变参数包括中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

针对一端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

针对两端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、下端中径D′′、下端过渡有效圈n′′、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′。

进一步地，所述“根据确定的可变参数计算弹簧线径”，针对圆柱形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×n\×D^3\×C_S}{G}};$

针对一端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3)\×C_S}{G}};$

针对两端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3+n^{\′\′}\×{\left(\frac{D^{\′\′}+D}{2}\right)}^3)\×C_S}{G}};$

其中，G为所选弹簧材料的切变模量。

进一步地，所述弹簧结构参数包括弹簧有效圈数N、总圈数N1、上端外径D₂′、中端外径D₂、下端外径D₂′、旋绕比C、螺旋升角α、自由状态高度H₀、压并状态高度H_s、压缩极限间隙δ及节距t；

所述弹簧性能参数包括拉伸极限载荷P_e、压缩极限载荷P_m、压并状态载荷P_s、拉伸极限应力τ_e、设计状态应力τ、压缩极限应力τ_m、压并状态应力τ_s、循环次数N_c、弹簧展开长度L及弹簧质量W。

进一步地，所述的校核判断包括压缩极限间隙的判断、压缩极限应力的判断、疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核。

进一步地，所述“根据计算得到的弹簧结构参数和弹簧性能参数对以上弹簧设计方案进行校核判断”步骤之后还包括如下步骤：

以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化。

进一步地，所述“以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化”步骤中采用多学科设计优化方法来优化以上弹簧设计方案。

根据本发明的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，与现有技术相比，弹簧线径直接由计算得到，且在设计不同结构形状的弹簧时计算弹簧线径的可变参数相应地发生改变，从而能够更为准确的计算出相应的弹簧结构参数和性能参数，计算结果误差较小，弹簧设计更符合实际要求。另外，由于不需要反复修正弹簧线径的取值，由此可以大大降低计算量，节省设计时间。

附图说明

图1是现有的一种汽车悬架螺旋弹簧的设计方法；

图2是本发明一实施例提供的汽车悬架螺旋弹簧设计方法；

图3是圆柱形螺旋弹簧的结构示意图；

图4是一端锥形螺旋弹簧的结构示意图；

图5是两端锥形螺旋弹簧的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参照图2至图5，本发明一实施例提供了一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法，提供一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法，包括以下步骤：

获得悬架系统设计参数，并根据所述悬架系统设计参数确定螺旋弹簧的初始基本参数；此处的悬架系统设计参数，是在悬架系统设计时确定的参数，在弹簧设计时，这些参数为已知的参数。

根据悬架空间要求确定弹簧结构形状，然后，根据所选择的弹簧结构形状确定与之对应的可变参数，根据确定的可变参数及所选择的弹簧材料计算弹簧线径；此处的空间要求是指，要求弹簧不能与周边件出现干涉，同时与减振器弹簧座匹配。此处，弹簧材料根据弹簧的应用要求选择；此处应用要求是指，弹簧材料的许用应力要满足设计要求，即所选择的弹簧材料的许用应力要大于计算得到的弹簧压缩极限应力，这里的选择是材料的初始选择，其根据经验选择，如果在后面的弹簧校核中，材料不满足应用要求，则需要重新选择材料后再次计算；弹簧材料的选择可以参照国标《GB-T23935-2009圆柱螺旋弹簧设计计算》中的相关规定。

根据上述确定的弹簧线径、初始基本参数及所选择的弹簧材料（利用所选弹簧材料的切变模量）计算弹簧结构参数和弹簧性能参数；

根据计算得到的弹簧结构参数、弹簧性能参数及所选择的弹簧材料（利用所选弹簧材料的切变模量与许用应力）对以上弹簧设计方案进行校核判断。

本实施例中，所述悬架系统设计参数包括轴荷M_Z、簧下质量M_H、偏频n_f、衬套等效刚度C_T和杠杆比i；上述的轴荷M_Z、簧下质量M_H、偏频n_f、衬套等效刚度C_T和杠杆比i均为已知条件（由悬架系统设计决定）。

所述初始基本参数包括弹簧刚度C_S、设计状态载荷P、设计状态高度H、压缩极限高度H_m及拉伸极限高度H_e。其中，弹簧刚度C_S、设计状态载荷P根据上述的轴荷M_Z、簧下质量M_H、偏频n_f、衬套等效刚度C_T和杠杆比i计算得到。

本实施例中，所述弹簧刚度C_S由以下公式计算得到：

$C_S=({(2\mathrm{\π}\×n_f)}^2\×\frac{M_Z-M_H}{2}-C_T)\×i^2;$

所述设计状态载荷P是指汽车处于半载状态螺旋弹簧所承受的载荷，由以下公式计算得到：

$P=\frac{M_Z-M_H}{2}\×9.8\×i;$

所述设计状态高度H、H_m及拉伸极限高度H_e由悬架空间机构确定。

本实施例中，如图3至图5所示，所述弹簧结构形状为圆柱形、一端锥形或两端锥形。其中，图3所示为圆柱形螺旋弹簧；图4所示为一端锥形螺旋弹簧；图5所示为两端锥形螺旋弹簧。

本实施例中，如图3所示，针对圆柱形螺旋弹簧，所述可变参数包括中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

如图4所示，针对一端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

如图5所示，针对两端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、下端中径D′′、下端过渡有效圈n′′、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′。

以上的可变参数由技术人员根据经验确定，即上述的可变参数为经验值。由这些经验值即可得到弹簧线径d。

本实施例中，所述“根据确定的可变参数计算弹簧线径”，针对圆柱形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×n\×D^3\×C_S}{G}};$

针对一端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3)\×C_S}{G}};$

针对两端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3+n^{\′\′}\×{\left(\frac{D^{\′\′}+D}{2}\right)}^3)\×C_S}{G}};$

其中，G为所选弹簧材料的切变模量，弹簧材料选定后，则其切变模量G及许用应力也确定。

本实施例中，所述弹簧结构参数包括弹簧有效圈数N、总圈数N1、上端外径D₂′、中端外径D₂、下端外径D₂′、旋绕比C、螺旋升角α、自由状态高度H₀、压并状态高度H_s、压缩极限间隙δ及节距t。

此处，针对圆柱形螺旋弹簧，弹簧有效圈数N即为中端有效圈n；总圈数N1为上端支撑圈n_z′、中端有效圈n及下端支撑圈n_z′′之和；针对一端锥形螺旋弹簧，弹簧有效圈数N即为上端过渡有效圈n′、中端有效圈n之和，总圈数N1为上端支撑圈n_z′、上端过渡有效圈n′、中端有效圈n、及下端支撑圈n_z′′之和；针对两端锥形螺旋弹簧，弹簧有效圈数N即为上端过渡有效圈n′、中端有效圈n及下端过渡有效圈n′′之和，总圈数N1为上端支撑圈n_z′、上端过渡有效圈n′、中端有效圈n、下端过渡有效圈n′′及下端支撑圈n_z′′之和。

所述弹簧性能参数包括拉伸极限载荷P_e、压缩极限载荷P_m、压并状态载荷P_s、拉伸极限应力τ_e、设计状态应力τ、压缩极限应力τ_m、压并状态应力τ_s、循环次数N_c、弹簧展开长度L及弹簧质量W。

在得到弹簧线径d以后，则可以根据上述确定的弹簧线径、初始基本参数及所选择的弹簧材料（利用所选弹簧材料的切变模量）计算弹簧结构参数和弹簧性能参数；切变模量G。例如，上述弹簧结构参数和弹簧性能参数可以由国标《GB-T23935-2009圆柱螺旋弹簧设计计算》中的计算方法直接得到或者是通过简单推导得到，其不是本发明的核心，在此不再描述。

本实施例中，所述的校核判断包括压缩极限间隙的判断、压缩极限应力的判断、疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核。所述压缩极限间隙的判断条件为压缩极限间隙δ≥设定值，此设定值为一经验值，根据要求可以设定不同数值；所述压缩极限应力的判断条件为压缩极限应力τ_m＜材料许用应力，材料许用应力由所选择的弹簧材料决定；所述疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核参照国标《GB-T23935-2009圆柱螺旋弹簧设计计算》中的相关条件进行。

本实施例中，所述“根据计算得到的弹簧结构参数和弹簧性能参数对以上弹簧设计方案进行校核判断”步骤之后还包括如下步骤：

以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化。优选地，所述“以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化”步骤中采用多学科设计优化方法MDO来优化以上弹簧设计方案。

所述“根据计算得到的弹簧结构参数和弹簧性能参数对以上弹簧设计方案进行校核判断”步骤中，若压缩极限间隙的判断、压缩极限应力的判断、疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核都通过，则进入“以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化”步骤，弹簧设计方案优化完毕后，即完成了悬架螺旋弹簧的整个设计；若压缩极限间隙的判断、压缩极限应力的判断、疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核其中一项或多项未通过，则需要重新选择弹簧材料和/或重新确定可变参数的数值，重新计算弹簧线径、弹簧结构参数、弹簧性能参数及校核判断，直到设计满足要求。

根据本发明的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，与现有技术相比，弹簧线径直接由计算得到，且在设计不同结构形状的弹簧时计算弹簧线径的可变参数相应地发生改变，从而能够更为准确的计算出相应的弹簧结构参数和性能参数，计算结果误差较小，弹簧设计更符合实际要求。另外，由于不需要反复修正弹簧线径的取值，由此可以大大降低计算量，节省设计时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得悬架系统设计参数，并根据所述悬架系统设计参数确定螺旋弹簧的初始基本参数；

根据悬架空间要求确定弹簧结构形状，然后，根据所选择的弹簧结构形状确定与之对应的可变参数，根据确定的可变参数及所选择的弹簧材料计算弹簧线径；

根据上述确定的弹簧线径、初始基本参数及所选择的弹簧材料计算弹簧结构参数和弹簧性能参数；

根据计算得到的弹簧结构参数、弹簧性能参数及所选择的弹簧材料对以上弹簧设计方案进行校核判断。

2.根据权利要求1所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述悬架系统设计参数包括轴荷M_Z、簧下质量M_H、偏频n_f、衬套等效刚度C_T和杠杆比i；

所述初始基本参数包括弹簧刚度C_S、设计状态载荷P、设计状态高度H、压缩极限高度H_m及拉伸极限高度H_e。

3.根据权利要求2所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述弹簧刚度C_S由以下公式计算得到：

$C_S=({(2\mathrm{\π}\×n_f)}^2\×\frac{M_Z-M_H}{2}-C_T)\×i^2;$

所述设计状态载荷P是指汽车处于半载状态螺旋弹簧所承受的载荷，由以下公式计算得到：

$P=\frac{M_Z-M_H}{2}\×9.8\×i;$

所述设计状态高度H、压缩极限高度H_m及拉伸极限高度H_e由悬架空间机构确定。

4.根据权利要求1所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述弹簧结构形状为圆柱形、一端锥形或两端锥形。

5.根据权利要求4所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，针对圆柱形螺旋弹簧，所述可变参数包括中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

针对一端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′；

针对两端锥形螺旋弹簧，所述的可变参数包括上端中径D′、上端过渡有效圈n′、中端中径D、中端有效圈n、下端中径D′′、下端过渡有效圈n′′、上端支撑圈n_z′、下端支撑圈n_z′′。

6.根据权利要求5所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述“根据确定的可变参数计算弹簧线径”，针对圆柱形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×n\×D^3\×C_S}{G}};$

针对一端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3)\×C_S}{G}};$

针对两端锥形螺旋弹簧，弹簧线径d计算公式为：

$d=\sqrt[4]{\frac{8\×(n^{\′}\×{\left(\frac{D^{\′}+D}{2}\right)}^3+n\×D^3+n^{\′\′}\×{\left(\frac{D^{\′\′}+D}{2}\right)}^3)\×C_S}{G}};$

其中，G为所选弹簧材料的切变模量。

7.根据权利要求6所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述弹簧结构参数包括弹簧有效圈数N、总圈数N1、上端外径D₂′、中端外径D₂、下端外径D₂′、旋绕比C、螺旋升角α、自由状态高度H₀、压并状态高度H_s、压缩极限间隙δ及节距t；

所述弹簧性能参数包括拉伸极限载荷P_e、压缩极限载荷P_m、压并状态载荷P_s、拉伸极限应力τ_e、设计状态应力τ、压缩极限应力τ_m、压并状态应力τ_s、循环次数N_c、弹簧展开长度L及弹簧质量W。

8.根据权利要求7所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述的校核判断包括压缩极限间隙的判断、压缩极限应力的判断、疲劳强度校核、稳定性校核和共振校核。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述“根据计算得到的弹簧结构参数和弹簧性能参数对以上弹簧设计方案进行校核判断”步骤之后还包括如下步骤：

以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化。

10.根据权利要求9所述的汽车悬架螺旋弹簧设计方法，其特征在于，所述“以压缩极限应力τ_m最小和弹簧质量W最小为目标对以上弹簧设计方案进行优化”步骤中采用多学科设计优化方法来优化以上弹簧设计方案。