CN105608300B - 少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片抛物线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片主簧的端点变形系数，及第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G _x‑CD；然后，根据副簧起作用载荷设计要求值，各片主簧的端点变形系数，得到第N片的端点力F _N；随后，根据第N片主簧根部平直段厚度h ₂和F _N及G _x‑CD，对主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。通过仿真验证可知，利用方法可得到准确可靠的主副簧间隙设计值，满足副簧起作用载荷的设计要求，提高产品设计水平和性能及车辆平顺性；同时，加快产品开发速度，降低设计及试验费用。

Description

少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法。

背景技术

为了满足在不同载荷下的车辆悬架变刚度设计要求，通常将少片变截面钢板弹簧设计为主、副簧，其中，主簧在与副簧相接触点处设计有一定的间隙，确保当大于一定载荷之后，主、副簧相接触而共同工作。由于少片变截面主簧的第1片其受力复杂，不仅承受垂向载荷，同时还承受扭转载荷和纵向载荷，因此，实际所设计的第1片钢板弹簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚一些，即大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧；同时为了满足主副簧不同复合刚度的设计要求，通常采用不同长度的副簧，即主簧与副簧的接触位置也不同，因此，可分为端部平直段接触和抛物线段接触两种。然后，由于端部非等构的少片变截面钢板弹簧在任意位置处的变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出端部非等构的少片变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计方法。

尽管先前曾有人给出了少片变截面钢板弹簧的设计方法，例如，彭莫，高军曾在《汽车工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了变断面钢板弹簧的设计计算方法，该方法主要是针对端部等构的少片抛物型变截面钢板弹簧进行设计，其不足之处是不能满足端部非等构的少片变截面钢板弹簧的设计要求，更不能满足少片变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计。目前，尽管有人曾对少片变截面主、副簧间隙，采用ANSYS建模仿真法，但是该方法只能对给出实际设计结构的少片变截面主、副簧间隙进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，以满足解析设计的要求，更不能满足车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。

因此，必须建立一种精确、可靠的少片抛物线型主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计方法，满足车辆行业快速发展及对少片变截面主、副钢板弹簧精确设计的要求，提高变截面钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

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简便、可靠的少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法，设计流程图如图1所示。少片抛物线型变截面主副簧为对称结构，对称结构的一半弹簧可看作悬臂梁，即将对称中心线看作为弹簧的根部固定端，将主簧的端部受力点及副簧的触点分别看作为主簧端点和副簧端点。少片抛物线型变截面主副簧的一半对称结构示意图，如图2所示，其中包括，主簧1，根部垫片2，副簧3，端部垫片4；主簧1由N片组成,其中，2≤N<5，各片主簧的一半长度为L，是由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段构成，每片根部平直段的厚度为h₂，长度为l₃；主簧1各片的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，分别大于其他各片的厚度和长度，各片端部平直段的厚度和长度分别为h_1i和l_1i，i＝1,2,…,N；中间变截面为抛物线段，各片抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂；副簧3的长度小于主簧1的长度，副簧的一半长度L_A，副簧3的端点与主簧1的端点之间的水平距离为l₀，在第N片主簧的端部平直段与副簧3的端部触点之间设有一定的主、副簧间隙δ，确保满足副簧起作用载荷的设计要求。主簧1的各片根部平直段之间及与副簧的根部平直段之间，设有根部垫片2；主簧1的各片端部平直段之间，设有端部垫片4，端部垫片4的材料为碳纤维复合材料，以降低弹簧工作时所产生的摩擦噪声。在主簧各片的结构参数、材料特性参数、副簧长度、副簧起作用载荷给定情况下，对少片抛物线型变截面主簧端部与副簧之间的主副簧间隙进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，主簧抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i，i＝1,2,…,N，对各片主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，主簧抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，副簧端部触点到主簧端点的水平距离l₀，主簧片数N，其中，第N片主簧的抛物线段的厚度比β_N，对第N片主簧在端部平直段与副接触点处的变形系数G_x-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第N片主簧的端点力F_N计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，及步骤(1)中计算得到的各片主簧的端点变形系数G_x-Di，确定各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi，即

II步骤：根据副簧起作用载荷的一半P，主簧片数N，及I步骤中所确定的各片主簧的一半刚度K_Mi，对副簧起作用载荷下的第N片主簧的端点力F_N进行计算，即

式中，K_MN为第N片抛物线型变截面主簧的一半刚度；

(4)少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙δ设计：

根据抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，II步骤中计算得到的F_N，及步骤(2)中计算所得到的G_x-CD，对少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主副簧间隙δ进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于端部非等构的少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出少片抛物线型主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计方法。

本发明可根据少片抛物线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片主簧在端点处的变形系数，及第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数；然后，通过各片端点处的变形系数及刚度，得到第N片主簧在端点所分担的载荷；随后，根据第N片主簧根部厚度和端点所分担载荷，及在端部平直段与副簧接触点处的变形系数，对少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点位置处的主、副簧间隙进行设计。

通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的参数设计值，为端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧在端部平直段内的主、副簧间隙设计，提供了可靠的设计方法，并且为CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可提高少片变截面主、副钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，降低悬架弹簧质量和成本，提高车辆行驶平顺性；同时，还降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。

图1是少片抛物线主簧在端部平直段与副簧间隙的设计流程图；

图2是少片抛物线型变截面主副簧的一半结构示意图；

图3是实施例一少片抛物线型变截面主簧的变形仿真云图；

图4是实施例二少片抛物线型变截面主簧的变形仿真云图。

具体实施方案

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：某少片抛物线型变截面主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部平直段的厚度h₂＝11mm，安装间距的一半l₃＝55mm，主簧抛物线段的根部到弹簧端点的距离l₂＝L-l₃＝520mm；第1片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝7mm，即第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.64；第2片主簧的端部平直段的厚度h₁₂＝6mm，即第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.55；副簧的一半长度L_A＝455mm，即副簧端点到主簧端点的水平距离l₀＝L-L_A＝120mm，副簧与主簧端部平直段内某点相接触，所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N。对该少片抛物线型变截面钢板弹簧的主簧在端部平直段与副簧的间隙进行设计。

本发明实例所提供的少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法，其设计流程如图1所示，具体步骤如下：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，主簧抛物线段的根部到弹簧端点的距离l₂＝520mm，主簧片数N＝2，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.55，对第1片、第2片抛物线型变截面弹簧的端点变形系数G_x-D1、G_x-D2分别进行计算，即

(2)第2片主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，主簧抛物线段的根部到弹簧端点的距离l₂＝520mm，主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.55，副簧端点到主簧端点的水平距离l₀＝120mm，对第2片主簧在端部平直段与副接触点处的变形系数G_x-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第2片主簧的端点力F₂计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝11mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算所得到的G_x-D1＝98.16mm⁴/N和G_x-D2＝102.63mm⁴/N，确定第1片、第2片主簧的一半刚度K_M1、K_M2，分别为

II步骤：根据副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N，主簧片数N＝2，及I步骤中所确定的K_M1＝13.56N/mm和K_M2＝12.97N/mm，对副簧起作用载荷下的第2片抛物线型变截面主簧的端点力F₂进行计算，即

(4)少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙δ设计：

根据主簧的根部厚度h₂＝11mm，II步骤中计算得到的F₂＝586.66N，及步骤(2)中计算得到的G_x-CD＝62.45mm⁴/N，对少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙δ进行设计，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片抛物线型变截面钢板弹簧的主簧结构参数和材料特性参数，建立该少片抛物线型变截面主簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在弹簧端点施加集中载荷P＝1200N，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图3所示，其中，该主簧在距离端部位置120mm处的变形量δ＝27.78mm。

可知，在相同载荷情况下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝27.78mm，与主副簧间隙设计值δ＝27.53mm相吻合，相对偏差仅为0.90％；结果表明所提供的少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。

实施例二：某少片抛物线型变截面主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部厚度h₂＝14mm，安装间距的一半l₃＝60mm，主簧抛物线端的根部到弹簧端点的距离l₂＝L-l₃＝540mm；第1片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝9mm，即第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的端部平直段的厚度h₁₂＝8mm，即第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.57；副簧长度的一半L_A＝490mm，即副簧端点到主簧端点的水平距离l₀＝L-L_A＝110mm。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，当载荷大于副簧起作用载荷时，副簧端点与主簧端部平直段内某点相接触。对该少片抛物线型变截面钢板弹簧的主簧在端部平直段与副簧的主副簧间隙进行设计。

采用与实施例一相同的设计步骤和方法，对该少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧的主副簧间隙进行设计，具体步骤如下：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，主簧抛物线端的根部到弹簧端点的距离l₂＝540mm，主簧片数N＝2，其中，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.57，对第1片、第2片主簧的端点变形系数G_x-D1、G_x-D2分别进行计算，即

(2)第2片主簧在端部平直段上与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，主簧抛物线段的根部到弹簧端点的距离l₂＝540mm，副簧端点与主簧接触点的水平距离l₀＝110mm，主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.57，对第2片主簧在端部平直段与副接触点处的变形系数G_x-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第2片主簧的端点力F₂计算：

I步骤：根据抛物线型变截面主簧的根部平直段厚度h₂＝14mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算所得到的G_x-D1＝110.54mm⁴/N和G_x-D2＝114.69mm⁴/N，确定第1片、第2片主簧的一半刚度K_M1、K_M2，分别为

II步骤：根据副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，主簧片数N＝2，及I步骤中所确定的K_M1＝24.82N/mm和K_M2＝23.92N/mm，对第2片主簧的端点力F₂进行计算，即

(4)少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主副簧间隙δ设计：

根据主簧的根部厚度h₂＝14mm，II步骤中计算所得到的F₂＝1472.30N，及步骤(2)中计算所得到的G_x-CD＝75.46mm⁴/N，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧在端部平直段与副簧接触点处的主副簧间隙δ进行设计，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片抛物线型变截面主簧的结构参数和材料特性参数，建立该少片抛物线型变截面主簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在弹簧端点施加集中载荷P＝3000N，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图4所示，其中，该主簧在距离端部位置110mm处的变形量δ＝40.68mm。

可知，在相同载荷情况下，该少片抛物线型变截面主簧的变形量的ANSYS仿真验证值δ＝40.68mm，与主副簧间隙设计值δ＝40.49mm相吻合，相对偏差仅为0.47％；结果表明所提供的少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。

Claims (1)

1.少片抛物线型变截面主簧端部与副簧间隙的设计方法，其中，少片抛物线型变截面主簧的一半对称结构由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段所构成，各片主簧的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，分别大于其他各片主簧的端部平直段的厚度和长度；副簧长度小于主簧长度，且在第N片主簧的端部平直段与副簧端部触点之间设有一定的主副簧间隙，以满足副簧起作用载荷的设计要求；在主簧各片的结构参数、弹性模量、副簧长度给定情况下，对少片抛物线型变截面主簧的端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计，具体设计步骤如下：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，主簧抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i，i＝1,2,…,N，对各片主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，主簧抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，副簧端部触点到主簧端点的水平距离l₀，主簧片数N，其中，第N片主簧的抛物线段的厚度比β_N，对第N片主簧在端部平直段与副接触点处的变形系数G_x-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第N片主簧的端点力F_N计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，及步骤(1)中计算得到的各片主簧的端点变形系数G_x-Di，确定各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi，即

II步骤：根据副簧起作用载荷的一半P，主簧片数N，及I步骤中所确定的各片主簧的一半刚度K_Mi，对副簧起作用载荷下的第N片主簧的端点力F_N进行计算，即

式中，K_MN为第N片抛物线型变截面主簧的一半刚度；

(4)少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙δ设计：

根据抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，II步骤中计算得到的F_N，及步骤(2)中计算所得到的G_x-CD，对少片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主副簧间隙δ进行设计，即