CN105808863B - 端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法 - Google Patents

端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法,属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据端部平直段非等构的各片抛物线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量,首先对各片主簧的端点变形系数、一半刚度,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进行计算;最后,根据各片主簧的根部平直段的厚度、一半刚度、主副簧间隙设计值、第N片主簧的G x‑CD,对副簧起作用载荷进行验算。通过变形仿真验证可知,利用方法可对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行准确可靠的验算,从而提高产品设计水平和性能,提高车辆平顺性;同时,降低设计及试验费用,加快产品开发速度。

Description

端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法
技术领域
本发明涉及车辆悬架钢板弹簧,特别是端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法。
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,主簧与副簧相接触点之间设计有一定的主副簧间隙,确保当大于副簧起作用载荷之后,主、副簧共同工作。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式和抛物线段接触式,即端部接触式和非端部接触式两种。当载荷大于副簧起作用载荷时,主副簧共同起作用,因此,副簧起作用载荷的大小,对车辆行驶平顺性具有重要影响。然而,由于端部非等构的少片抛物线型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接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧起作用载荷的可靠验算方法。尽管先前曾有人给出了少片变截面钢板弹簧的设计和计算方法,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和计算方法,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和计算,其不足之处是不能满足端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧设计和计算的要求,更不能满足端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧起作用载荷验算的要求。
因此,必须建立一种精确、可靠的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷的验算方法,满足车辆行业快速发展及对少片抛物线型变截面主副钢板弹簧精确设计和副簧起作用载荷验算的要求,提高少片抛物线型变截面主副弹簧的设计水平、产品质量和性能,确保副簧起作用载荷的设计要求,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、可靠的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法,具体验算流程图,如图1所示。少片抛物线型变截面主副簧为对称结构,弹簧的一半对称结构可看作为变截面悬臂梁,即将对称中心线看作为一半弹簧的根部固定端,将弹簧端部受力点看作为端点。端部接触式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各片的一半长度为LM,是由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段所构成,每片根部平直段的厚度为h2,安装间距的一半为l3;主簧1各片的端部平直段非等构,即第1片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h1i和l1i,i=1,2,…,m,m为少片变截面主簧的片数,其取值范围为2~4;中间变截面为抛物线段,各片抛物线段的厚度比βi,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离为l2M=LM-l3。主簧1各片的根部平直段之间及与副簧3的根部平直段之间设有根部垫片2,主簧1的端部平直段之间设有端部垫片4,端部垫片的材料为碳纤维复合材料,以降低弹簧工作所产生的摩擦噪声。副簧3的一半长度为LA,即副簧端部触点到主簧端点的水平距离为l0=LM-LA,在第m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,以满足副簧起作用载荷的设计要。在主簧的各片结构参数、弹性模量、副簧长度、主副簧间隙给定情况下,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。
为解决上述技术问题,本发明所提供的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法,其特征在于采用以下验算步骤:
(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算:
根据抛物线型变截面主簧的一半长度LM,宽度b,弹性模量E,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M,主簧片数m,其中,第i片主簧的抛物线段的厚度比βi,i=1,2,…,m,对各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di进行计算,即
(2)第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算:
根据抛物线型变截面主簧的一半长度LM,宽度b,弹性模量E,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M,主簧片数m,其中,第m片主簧的抛物线段的厚度比βm,副簧触点与主簧端点之间的水平距离l0,对第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算,即
(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi计算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2M,主簧片数m,及步骤(1)中计算得到的Gx-Di,对各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi进行计算,即
(4)端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK验算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2M,主副簧间隙δ,主簧片数m,步骤(3)中计算所得到的KMi,步骤(2)中计算所得到的Gx-CD,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK进行验算,即
式中,KMm为第m片主簧的一半刚度。
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,先前一直未能给出端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法。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,首先确定出端部非等构的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,利用各片主簧在端点处的变形系数,对各片主簧的刚度进行计算;最后,根据主簧的根部厚度,主簧平直段与副簧端部触点之间的间隙δ,第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数,及各片主簧的刚度,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。
通过设计实例及ANSYS仿真验证可知,利用该方法可得到准确、可靠的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷的验算值,为端部非等构的少片抛物线型变截面主副簧的副簧起作用载荷的验算,提供了可靠的验算方法,并且为少片抛物线型变截面主副簧的CAD及特性仿真软件的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,确保副簧起作用载荷的设计要求,提高车辆行驶平顺性;同时,还可降低悬架弹簧质量和成本,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是端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷的验算流程图;
图2是端部接触式少片变截面主副簧的一半对称结构示意图;
图3是实施例一的端部接触式少片抛物线型变截面主簧的变形仿真云图;
图4是实施例二的端部接触式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m=2,其中,各片主簧的一半长度LM=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,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M=LM-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=h11/h2=0.64,第2片主簧的端部平直段的厚度h12=6mm,第2片主簧的抛物线段的厚度比β2=h12/h2=0.55。副簧的一半长度为LA=455mm,副簧触点与主簧端点的水平距离l0=LM-LA=120mm,在副簧触点与主簧端部平直段之间的主副簧间隙δ=27.53mm。对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的副簧起作用载荷PK进行验算。
本发明实例所提供的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法,其验算流程如图1所示,具体验算步骤如下:
(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算:
根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度LM=575mm,宽度b=60mm,弹性模量E=200GPa,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M=520mm,主簧片数m=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=0.55,对第1片和第2片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-D1和Gx-D2分别进行计算,即
(2)第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算:
根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度LM=575mm,宽度b=60mm,弹性模量E=200GPa,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M=520mm,主簧片数m=2,其中,第2片主簧的抛物线段的厚度比β2=0.55,副簧触点与主簧端点的水平距离l0=120mm,对第2片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副接触点处的变形系数Gx-CD进行计算,即
(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi计算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2=11mm,及步骤(1)中计算所得到的各片主簧的端点变形系数Gx-D1=98.16mm4/N和Gx-D2=102.63mm4/N,主簧片数m=2,对第1片、第2片抛物线型变截面主簧的一半刚度KM1和KM2,分别进行计算,即
(4)端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK的验算:
根据各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m=2,主副簧间隙δ=27.53mm,步骤(3)中计算所得到的KM1=13.56N/mm,KM2=12.97N/mm,步骤(2)中计算所得到的Gx-CD=62.45mm4/N,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK进行验算,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各片主簧结构参数和材料特性参数,建立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,在端点施加副簧起作用载荷的一半即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%;结果表明该发明所提供的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的。
实施例二:某少片抛物线型变截面主簧的片数m=2,其中,各片主簧的一半长度LM=600mm,宽度b=60mm,弹性模量E=200GPa,根部平直段的厚度h2=14mm,安装间距的一半l3=60mm,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M=LM-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=h11/h2=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=h12/h2=0.57。副簧的一半长度LA=490mm,即副簧触点与主簧端点的水平距离l0=LM-LA=110mm,副簧触点与主簧端部平直段之间的主副簧间隙δ=40.49mm。对该少片抛物线型变截面钢板弹簧的副簧起作用载荷PK进行验算。
采用与实施例一相同的计算方法和步骤,对该少片抛物线型变截面主簧的副簧起作用载荷PK进行验算,具体验算步骤如下:
(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算:
根据少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的一半长度LM=600mm,宽度b=60mm,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M=540mm,弹性模量E=200GPa,主簧片数m=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Gx-D1和Gx-D2分别进行计算,即
(2)第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段上与副簧接触点的变形系数Gx-CD计算:
根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度LM=600mm,宽度b=60mm,弹性模量E=200GPa,抛物线段的根部到弹簧端点的水平距离l2M=540mm,主簧片数m=2,其中,第2片主簧的抛物线段的厚度比β2=0.57,副簧触点与主簧端点的水平距离l0=110mm,对第2片抛物线型变截面主簧在端部平直段上与副接触点处的变形系数Gx-CD进行计算,即
(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi计算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2=14mm,主簧片数m=2,及步骤(1)中计算所得到的第1片主簧和第2片主簧的端点变形系数Gx-D1=110.54mm4/N和Gx-D2=114.69mm4/N,对第1片、第2片抛物线型变截面主簧的一半刚度KM1和KM2分别进行计算,即
(4)端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK验算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2M=14mm,主副簧间隙δ=40.49mm,主簧片数m=2,步骤(3)中计算得到的KM1=24.82N/mm,KM2=23.92N/mm,步骤(2)中计算得到的Gx-CD=75.46mm4/N,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK进行计算,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,在端点施加副簧起作用载荷的一半即单端点载荷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,该钢板弹簧主簧变形量的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%;结果表明该发明所提供的端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的。

Claims (1)

1.端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法,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、端部平直段三段构成,各片主簧的端部平直段非同构,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,在主簧端部平直段与副簧触点之间设有一定的主副簧间隙,当载荷达到副簧起作用载荷时,副簧触点与主簧部平直段某点相接触;在主簧的各片结构参数、弹性模量、副簧长度、主副簧间隙给定情况下,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算,具体验算步骤如下:
(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算:
根据抛物线型变截面主簧的一半长度LM,宽度b,弹性模量E,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M,主簧片数m,其中,第i片主簧的抛物线段的厚度比βi,i=1,2,…,m,对各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di进行计算,即
(2)第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算:
根据抛物线型变截面主簧的一半长度LM,宽度b,弹性模量E,抛物线段的根部到主簧端点的水平距离l2M,主簧片数m,其中,第m片主簧的抛物线段的厚度比βm,副簧触点与主簧端点之间的水平距离l0,对第m片抛物线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算,即
(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi计算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2M,主簧片数m,及步骤(1)中计算得到的Gx-Di,对各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMi进行计算,即
(4)端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK验算:
根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2M,主副簧间隙δ,主簧片数m,步骤(3)中计算所得到的KMi,步骤(2)中计算所得到的Gx-CD,对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷PK进行验算,即
式中,KMm为第m片主簧的一半刚度。
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