CN106594139A - 一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据主簧的结构参数，弹性模量，许用应力，主副簧复合加紧刚度，开始接触载荷和额定载荷，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数进行设计。通过样机试验可知，表明本发明所提供一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法是正确的，可得到准确可靠的副簧片数和各片厚度设计值，确保满足板簧复合加紧刚度和应力强度设计要求，为一级渐变刚度板簧的副簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和可靠性及车辆行驶平安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法。

背景技术

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性的设计要求，可采用一级渐变刚度板簧，其中，副簧不仅满足主副簧复合夹紧刚度的设计要求，同时还应该满足应力强度的设计要求，其中，副簧的厚度和片数影响主副簧复合夹紧刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性和行驶安全性，而且还影响板簧一系列强度、可靠性和使用寿命。由于副簧各片厚度和片数的设计，不仅与主副簧复合夹紧刚度和主簧夹紧刚度有关，而且还与接触载荷、许用应力有关，因此，副簧各片厚度和片数的设计非常复杂，同时还受受主副簧夹紧刚度和副簧根部最大应力计算等关键问题的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及悬架弹簧现代化CAD软件开发的要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对一级渐变刚度板簧悬架提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及一级渐变刚度板簧的设计要求，确保板簧同时满足刚度和应力强度的设计要求，进一步提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和可靠性及车辆行驶平顺性和安全性；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、可靠的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，设计流程如图1所示。一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1和副簧2所组成的，一级渐变刚度板簧的一半跨度，即为首片主簧的一半作用长度为L_1t，骑马螺栓夹紧距的一半为L₀，钢板弹簧的宽度为b，弹性模量为E。主簧1的片数为n，各片主簧的厚度为h_i，各片主簧的一半作用长度L_it，一半夹紧长度L_i＝L_it-L₀/2，i＝1,2,…n。副簧2的片数为m，各片副簧的厚度为h_Aj，各片副簧的一半作用长度L_Ajt，一半夹紧长度L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通过主簧和副簧初始切线弧高，确保副簧首片端部上表面与主簧末片端部下表面之间设置有一定的主副簧间隙δ_MA，以满足渐变刚度板簧开始接触载荷和完全接触载荷、主簧应力强度和悬架渐变刚度的设计要求。一级渐变刚度板簧的空载载荷P₀，开始接触载荷为P_k，完全接触载荷为P_w，额定载荷P_N。副簧的厚度和片数不仅满足主副簧复合夹紧刚度的设计要求，同时还应该满足应力强度的设计要求。根据主簧的结构参数，弹性模量，许用应力，主副簧复合夹紧刚度，开始接触载荷和额定载荷，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)一级渐变刚度板簧的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的计算：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,..,n，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行计算，即

(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部单片等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变钢板弹簧的宽度b，安装夹紧间距的一半长度L₀，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主副簧夹紧刚度设计值K_MA；预取主副簧的总片数N，取末片副簧的一半夹紧长度L_N＝3L₀-L₀/2，末片副簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_N＝L₁-L_N，取等效单片等应力主簧的抛物线段厚度比β_MA，其中，β_MA＝0.4～0.5，对主副簧根部的单片等效厚度H_MAe进行确定，即

(3)一级渐变刚度板簧的副簧根部等效厚度H_Ae的计算：

根据步骤(1)计算得到的H_Me，步骤(2)计算得到的H_MAe，对副簧根部等效厚度H_Ae进行计算，即

(4)一级渐变刚度板簧的副簧最大许用厚度[h_A]和最少片数m_min的确定：

I步骤：副簧最大许用厚度[h_A]的确定

根据渐变刚度钢板弹簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半夹紧长度L₁，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，步骤(2)中计算得到的H_MAe，对副簧最大许用厚度[h_A]进行确定，即

II步骤：副簧最少片数m_min的确定

根据步骤(3)中计算得到的H_Ae，I步骤中所确定的[h_A]，对副簧最少片数m_min进行确定，即

(5)一级渐变刚度板簧的副簧片数m及各片厚度h_Aj的设计：

根据步骤(3)中计算得到的H_Ae，步骤(4)中所确定的[h_A]，取副簧片数m≥m_min；则各片副簧的厚度h_Aj为

将h_Aj向上圆整到板簧标准系列厚度，便可得到m片等厚度副簧的各片厚度设计值h_Aj。

本发明比现有技术具有的优点

由于受主副簧夹紧刚度和副簧根部最大应力计算等关键问题的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及对悬架弹簧所提出的更高要求。本发明可根据主簧的结构参数，弹性模量，许用应力，主副簧复合夹紧刚度，开始接触载荷和额定载荷，在副簧的根部重叠部分等效厚度和最大许用厚度确定的基础上，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数进行设计。通过实例和样机设计及试验可知，本发明所提供的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法是正确的，可得到准确可靠的副簧片数和各片厚度设计值，为一级渐变刚度板簧的副簧设计奠定了可靠的技术基础，确保板簧满足复合夹紧刚度、应力强度的设计要求。利用该方法可提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量、性能和可靠性及车辆行驶安全性；同时，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是一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图。

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：某一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa，许用应力[σ]＝450MPa。板簧跨度的一半即首片主簧的一半作用长度L_1t＝525mm，主簧片数n＝3，各片厚度h_i＝8mm，i＝1,2,..,n；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm。主副簧夹紧刚度设计值K_MA＝172.9N/mm。开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N。根据一级渐变刚度板簧的宽度，弹性模量，许用应力，主副簧复合夹紧刚度，马螺栓夹紧距的一半L₀，主簧片数和厚度，首片主簧的一半夹紧长度，开始接触载荷P_k和额定载荷P_N，对该一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数进行设计。

本发明实例所提供的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的计算：

根据主簧片数n＝3，各片厚度h_i＝8mm，i＝1,2,..,n，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行计算，即

(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，主副簧夹紧刚度设计值K_MA＝172.9N/mm；主簧片数n＝3，预取副簧片数m＝2，主副簧的总片数N＝n+m＝5，取末片副簧的一半夹紧长度L_N＝3L₀-L₀/2＝125mm，末片副簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_N＝L₁-L_N＝375mm，取等效单片等应力主簧的抛物线段厚度比β_MA＝0.45，对主副簧根部等效厚度H_MAe进行确定，即

(3)一级渐变刚度板簧的副簧根部重叠部分等效厚度H_Ae的计算：

根据步骤(1)计算得到的H_Me＝11.5mm，步骤(2)计算得到的H_MAe＝16.9mm，对副簧根部重叠副等效厚度H_Ae进行计算，即

(4)一级渐变刚度板簧的副簧最大许用厚度[h_A]和最少片数m_min的确定：

I步骤：副簧最大许用厚度[h_A]的确定

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝450MPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N，步骤(2)中计算得到的H_MAe＝16.9mm，对副簧的最大许用厚度[h_A]进行确定，即

II步骤：副簧最少片数m_min的确定

根据步骤(3)中计算得到的H_Ae＝14.8mm，I步骤中所确定的[h_A]＝16.8mm，对副簧最少片数m_min进行确定，即

(5)一级渐变刚度板簧的副簧片数m及各片厚度h_Aj的设计：

根据副簧的最少片数m_min＝0.68，取副簧片数m＝2，则各片副簧厚度h_A1和h_A2为

将h_A向上圆整为板簧标准系列厚度12mm，即该渐变刚度板簧的2片副簧的实际设计厚度为h_A1＝h_A2＝12mm。

通过样机加载挠度试验可知，当主副簧完全接触之后，主副簧的复合夹紧刚度试验测试值，与设计要求值相吻合，表明本发明所提供的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法是正确的，为一级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到可靠的一级渐变刚度板簧的副簧片数和各片厚度设计值，确保各片副簧满足应力强度和主副簧复合夹紧刚度设计要求，可提高渐变刚度板簧的设计水平、产品质量、使用寿命和可靠性及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数的设计方法，其中，各片板簧为以中心穿装孔对称的结构，安装夹紧距的一半为骑马螺栓夹紧距的一半；通过主簧和副簧的初始切线弧高及渐变间隙，确保满足悬架偏频特性和主簧应力强度设计要求，即非等渐变偏频型板簧；根据主簧的结构参数，弹性模量，许用应力，主副簧复合夹紧刚度，开始接触载荷和额定载荷，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数进行设计，具体设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的计算：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,..,n，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行计算，即

$H_{Me}=\sqrt[3]{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i^3};$

(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部单片等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变钢板弹簧的宽度b，安装夹紧间距的一半长度L₀，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主副簧夹紧刚度设计值K_MA；预取主副簧的总片数N，取末片副簧的一半夹紧长度L_N＝3L₀-L₀/2，末片副簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_N＝L₁-L_N，取等效单片等应力主簧的抛物线段厚度比β_MA，其中，β_MA＝0.4～0.5，对主副簧根部的单片等效厚度H_MAe进行确定，即

$H_{MAe}=\sqrt[3]{\frac{K_{MA}2\[L_1^3+{\mathrm{\ΔL}}_N^3(1-{\mathrm{\β}}_{MA}^3)\]}{Eb}};$

(3)一级渐变刚度板簧的副簧根部等效厚度H_Ae的计算：

根据步骤(1)计算得到的H_Me，步骤(2)计算得到的H_MAe，对副簧根部等效厚度H_Ae进行计算，即

$H_{Ae}=\sqrt[3]{H_{MAe}^3-H_{Me}^3};$

(4)一级渐变刚度板簧的副簧最大许用厚度[h_A]和最少片数m_min的确定：

I步骤：副簧最大许用厚度[h_A]的确定

根据渐变刚度钢板弹簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半夹紧长度L₁，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，步骤(2)中计算得到的H_MAe，对副簧最大许用厚度[h_A]进行确定，即

$\[h_A\]=\frac{b\[\mathrm{\σ}\]H_{MAe}^3}{3(P_N-P_k)L_1};$

II步骤：副簧最少片数m_min的确定

根据步骤(3)中计算得到的H_Ae，I步骤中所确定的[h_A]，对副簧最少片数m_min进行确定，即

$m_{\min }=\frac{H_{Ae}^3}{{\[h_A\]}^3};$

(5)一级渐变刚度板簧的副簧片数m及各片厚度h_Aj的设计：

根据步骤(3)中计算得到的H_Ae，步骤(4)中所确定的[h_A]，取副簧片数m≥m_min；则各片副簧的厚度h_Aj为

$h_{Aj}=\frac{H_{Ae}}{\sqrt[3]{m}},j=1,2,...,m;$

将h_Aj向上圆整到板簧标准系列厚度，便可得到m片等厚度副簧的各片厚度设计值h_Aj。