CN105843988B - 端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片端部非等构的斜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、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；随后，根据主簧的根部平直段的厚度、第N片主簧的G _x‑CD、各片主簧的一半刚度、及主副簧间隙设计值，对端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。通过仿真验证可知，利用方法可得到准确的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷验算值，从而提高产品设计水平和性能，提高车辆行驶平顺性；同时，降低设计、制造及试验费用，加快产品开发速度。

Description

端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法。

背景技术

对于少片变截面钢板弹簧，为了满足变刚度的要求，通常将其设计为主副簧，并通过主副簧间隙，确保在大于副簧起作用载荷之后，主副簧接触而一起工作，满足车辆悬架在不同载荷情况下对钢板弹簧刚度的设计要求。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，即在实际设计和生产中，大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧。目前少片变截面钢板弹簧主要有两种类型，一种是抛物线型，另外一种是斜线型，其中，抛物线型的应力为等应力，其所受应力比斜线型的更加合理。然而，由于抛物线型变截面的加工工艺复杂，需要复杂、昂贵的加工设备，而斜线型的加工工艺简单，只需要简单的设备便可加工，因此，在满足应力强度条件下，可采用斜线型的变截面钢板弹簧。对于少片斜线型变截面主副簧，可采用不同的副簧长度以满足不同复合刚度的设计要求，因此，由于副簧的长度不同，副簧触点与主簧的接触位置也不相同，主副簧可分为端部平直段接触和斜线段接触即分为端部接触式和非端部接触式。当载荷大于副簧起作用载荷时，主副簧相接触而共同起作用，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斜线型变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出简便、准确、可靠的端部非等构的端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷的验算方法。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，给出了变截面钢板弹簧的设计和计算方法，主要针对端部等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设计和计算，其不足之处是不能满足端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设计和计算的要求，也不能满足端部接触式少片斜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斜线型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悬架钢板弹簧精确设计的要求，提高少片斜线型变截面主副簧的设计水平、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、可靠的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，验算流程如图1所示。端部接触式斜线型变截面主副簧为对称结构，主副簧的一半对称结构可看作变截面悬臂梁，即将对称中心线看作根部固定端，将主簧的端部受力点和副簧触点分别看作为主簧端点和副簧端点。少片斜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L，由根部平直段、斜线段、端部平直段三段所构成，各片主簧的根部平直段的厚度为h₂，长度即安装间距的一半为l₃；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，各片端部平直段的厚度和长度分别为h_1i和l_1i；各片斜线段的根部到主簧端点的距离为l₂＝L-l₃，各片斜线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂，i＝1,2,…,N，其中N为主簧的片数。主簧1的各片根部平直段及与副簧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，用来降低弹簧工作时所产生的摩擦噪声。副簧3的一半长度为L_A，即副簧端部触点到主簧端点的水平距离为l₀；副簧3的端部触点与主簧1的第N片的端部平直段之间设有一定的主、副簧间隙δ，以满足副簧起作用载荷的要求。在主簧各片的结构参数、弹性模量、副簧的长度、主副簧间隙给定情况下，对端部接触式少片斜线型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斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，其特征在于采用以下验算步骤：

(1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的端部平直段的厚度为h_1i，第i片主簧的斜线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂，其中，i＝1,2,…,N，对各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第N片主簧的端部平直段的厚度为h_1N，第N片主簧的斜线段的厚度比β_N＝h_1N/h₂，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀，对第N片斜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G_x-CD进行计算，即

(3)各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片斜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，对各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，主副簧间隙δ，步骤(2)中计算得到的第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，及步骤(3)中所确定的各片主簧的一半刚度K_Mi，对端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

式中，K_MN为第N片主簧的一半刚度。

本发明比现有技术具有的优点

由于端部非等构的斜线型少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出简便、准确、可靠的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法。本发明可根据各片端部非等构的斜线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片斜线型变截面主簧的端点变形系数和一半刚度，及第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数；然后，根据各片主簧的端点变形系数及刚度计算，得到第N片主簧在端点所承受的载荷；随后，根据第N片主簧的根部厚度，第N片主簧在端点所承受的载荷，及在端部平直段与副簧接触点位置处的变形系数，对斜线型少片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，该方法可对端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行准确的验算，为斜线型少片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。利用该方法，可提高车辆悬架变截面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，提高车辆的运输效率和行驶安全性；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是端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算流程图；

图2是端部接触式斜线型主副簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例一的少片斜线型变截面主簧的变形仿真云图；

图4是实施例二的少片斜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：某少片斜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，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝L-l₃＝520mm；第1片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝7mm，第1片主簧的斜线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂＝0.64；第2片主簧的的端部平直段的厚度h₁₂＝6mm，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝h₁₂/h₂＝0.55；副簧的一半长度L_A＝465mm，副簧触点到主簧端点的水平距离l₀＝110mm，副簧触点与主簧端部平直段之间的主副簧间隙δ＝30.38mm。对该端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

本发明实例所提供的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，其验算流程如图1所示，具体验算步骤如下：

(1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝520mm，主簧片数N＝2，其中，第1片主簧的斜线段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝0.55，对第1片和第2片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-D1和G_x-D2分别进行计算，即

(2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝520mma，主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝0.55，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝110mm，对第2片斜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G_x-CD进行计算，即

(3)各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片斜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)中计算得到的第1片主簧和第2片主簧的端点变形系数G_x-D1＝101.68mm⁴/N和G_x-D2＝109.72mm⁴/N，确定第1片和第2片斜线型变截面主簧的一半刚度K_M1和K_M2，分别为

(4)端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝11mm，主簧片数N＝2，主副簧间隙δ＝30.38mm，步骤(2)中计算所得到的G_x-CD＝70.06mm⁴/N，及步骤(3)中所确定的第1片主簧和第2片主簧的一半刚度K_M1＝13.09N/mm和K_M2＝12.13N/mm，对端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片斜线型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立该少片斜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，在端点施加验算所得到的副簧起作用载荷的一半即P＝1200N，对该少片斜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110mm处的变形量δ＝30.58mm。

可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝30.58mm，与主副簧间隙设计值δ＝30.38mm相吻合，相对偏差仅为0.65％；结果表明该发明所提供的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法是正确的，载荷验算值是准确可靠的。

实施例二：某少片斜线型变截面钢板弹簧的主簧片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，根部厚度h₂＝14mm，安装间距的一半l₃＝60mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝L-l₃＝540mm，弹性模量E＝200GPa；第1片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝9mm，第1片主簧的斜线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂＝0.64；第2片主簧的端部平直段的厚度h₁₂＝8mm，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝h₁₂/h₂＝0.57；副簧的一半长度L_A＝510mm，副簧触点到主簧端点的水平距离l₀＝90mm，副簧触点与主簧端部平直段之间的主副簧间隙δ＝46.18mm。对该端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

采用与实施例一相同的验算方法和步骤，对该端部接触式少片斜线型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)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝540mm，主簧片数N＝2，其中，第1片主簧的斜线段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝0.57，对第1片和第2片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-D1和G_x-D2分别进行计算，即

(2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂＝540mm，主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的斜线段的厚度比β₂＝0.57，副簧触点到主簧端点的水平距离l₀＝90mm，对第2片斜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G_x-CD进行计算，即

(3)各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片主簧的根部平直段的厚度h₂＝14mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝114.27mm⁴/N、G_x-D2＝121.28mm⁴/N，确定第1片、第2片斜线型变截面主簧的一半刚度K_M1、K_M2，分别为

(4)端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片主簧的根部平直段的厚度h₂＝14mm，主簧片数N＝2，主副簧间隙δ＝46.18mm，步骤(2)中计算得到的第2片主簧的端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-CD＝87.05mm⁴/N，及步骤(3)中所确定的第1片主簧和第2片主簧的一半刚度K_M1＝24.01N/mm和K_M2＝22.63N/mm，对副簧起作用载荷P_K进行验算，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片斜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，在端点施加所验算得到的副簧起作用载荷的一半P＝3000N，对该少片斜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90mm处的变形量δ＝46.31mm。

可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝46.31mm，与主副簧间隙设计值δ＝46.18mm相吻合，相对偏差仅为0.28％；结果表明该发明所提供的端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法是正确的，载荷验算值是准确可靠的。

Claims (1)

1.端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，其中，端部接触式斜线型变截面主簧的一半对称结构由根部平直段、斜线段和端部平直段三段构成，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；第N片主簧的端部平直段与副簧端部触点之间设计有一定的主副簧间隙；在斜线型变截面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，对端部接触式斜线型主副簧的副簧起作用载荷进行验算，具体验算步骤为：

(1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的端部平直段的厚度为h_1i，第i片主簧的斜线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂，其中，i＝1,2,…,N，对各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点的变形系数G_x-CD计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第N片主簧的端部平直段的厚度为h_1N，第N片主簧的斜线段的厚度比β_N＝h_1N/h₂，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀，对第N片斜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G_x-CD进行计算，即

(3)各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片斜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，对各片斜线型变截面主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，主副簧间隙δ，步骤(2)中计算得到的第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，及步骤(3)中所确定的各片主簧的一半刚度K_Mi，对端部接触式少片斜线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

式中，K_MN为第N片主簧的一半刚度。