CN106611092A - 基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量，对主副簧复合加紧刚度进行验算，在此基础上，根据复合加紧刚度设计要求值，对一级渐变刚度板簧末片副簧的长度或厚度进行调整设计。通过样机加载挠度及刚度试验可知，本发明所提供的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法是正确的，可在复合加紧刚度验算的基础上，对末片副簧进行精确调整设计，为一级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保板簧复合加紧刚度满足设计要求，提高产品设计水平、性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法。

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，主簧夹紧刚度是由各片主簧的厚度和长度所决定的，并且影响主副簧复合夹紧刚度、渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性。然而，由于受板簧根部等效厚度及主副簧复合夹紧刚度解析计算等关键问题的制约，先前一直未能给出基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，不能对主副簧复合夹紧刚度进行解析验算，更不能在验证基础上对末片副簧的长度或厚度进行精确调整设计，大都是利用传统的试验测试法，因此，不能满足车辆行业快速发展及一级渐变刚度板簧现代化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、可靠的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及安全性及一级渐变刚度板簧设计的要求，确保满足主副簧复合夹紧刚度、悬架偏频和车辆行驶平顺性的设计要求，进一步提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产性能及车辆行驶平顺性；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、可靠的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，调整设计流程如图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，主簧的一半作用长度为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为L_Ajt，一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j＝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。主副簧复合夹紧刚度是由各片主簧和副簧的厚度和长度所决定，并且影响悬架偏频及车辆行驶平顺性。根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量，在复合夹紧刚度验算的基础上，以主副簧复合夹紧刚度设计要求值为目标，对一级渐变刚度板簧末片副簧的长度或厚度进行调整设计，确保主副簧的复合夹紧刚度满足设计要求。

为解决上述技术问题，本发明所提供的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，其特征在于采用以下调整设计步骤：

(1)一级渐变刚度板簧的各不同片数重叠段的等效厚度计算：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的厚度h_Aj，j＝1,2,...,m；主副簧的总片数N＝n+m，对一级渐变刚度板簧的各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke进行计算，k＝1,2,...,N，即

(2)一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度K_MA的验算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m；主副簧的总片数N＝n+m；步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N，对主副簧复合夹紧刚度K_MA进行验算，即

(3)基于复合夹紧刚度的末片副簧的调整设计：

根据主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值，及步骤(2)中验算得到的K_MA；当验证值K_MA小于设计要求值，则根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；各片主簧夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，前m-1片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m-1，主副簧的总片数N＝n+m，及步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N，以主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值为目标，对末片副簧的一半夹紧长度L_Am进行调整设计，即

即末片副主簧的一半作用长度L_Amt＝L_Am+L₀/2；

当验证值K_MA大于设计要求值，则根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m，主副簧簧的总片数N＝n+m，及步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N-1，以主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值为目标，对末片副簧的厚度h_Am进行调整设计，即

(4)调整设计之后的主簧夹紧刚度的ANSYS仿真验证：

根据末片副簧调整设计之后的各片主簧和副簧的厚度和一半夹紧长度，建立一半对称夹紧结构的ANSYS仿真模型，在端点施加一集中力F，对其进行ANSYS变形仿真及复合夹紧刚度验证，仿真所得到的最大挠度为f_Mmax，则主副簧复合夹紧刚度的ANSYS仿真验证值K_MA＝2F/f_Mmax。

本发明比现有技术具有的优点

由于受板簧根部等效厚度和主副簧复合夹紧刚度解析计算等关键问题的制约，先前一直未能给出基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，不能对主副簧复合夹紧刚度进行解析验算，更不能在验证基础上对末片副簧的长度或厚度进行精确解析调整设计，大都是利用传统的试验测试法，因此，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。本发明可根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量，在主副簧复合夹紧刚度验算的基础上，对一级渐变刚度板簧末片副簧的长度或厚度进行调整设计。通过样机加载挠度及刚度试验可知，表明本发明所提供的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法是正确的，该方法可在主副簧复合夹紧刚度验算的基础上，对末片副簧的厚度或长度进行精确调整设计，为一级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础，确保主副簧复合夹紧刚度满足设计要求。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、性能及车辆行驶平顺性；同时，还可节省设计和试验测试费用，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是基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例一的末片副簧调整设计之前的一级渐变刚度板簧的ANSYS变形仿真云图；

图4是实施例一的末片副簧调整设计之后的一级渐变刚度板簧的ANSYS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。主副簧的复合夹紧刚度设计要求值K_MA＝181N/mm，主簧片数n＝3，其中，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm，L_2t＝450mm，L_3t＝350mm；各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝325mm。副簧片数m＝2，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm，各片副簧的一半作用长度分别为L_A1t＝250mm，L_A2t＝150mm；一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L₅＝L_A2＝L_A2t-L₀/2＝125mm。根据该渐变刚度板簧的各片主簧和副簧的结构参数，弹性模量，对该一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度进行验算，并根据设计要求值对末片副簧进行调整设计。

本发明实例所提供的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，其调整设计的流程如图1所示，具体调整设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的各不同片数重叠段的等效厚度计算：

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm；副簧片数m＝2，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm；主副簧的总片数N＝n+m＝5，对该一级渐变刚度板簧的各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke计算，k＝1,2,...,N，即

(2)一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度K_MA的验算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧片数n＝3，各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝500mm，L₂＝425mm，L₃＝325mm；副簧片数m＝2，各片副簧的一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝225mm，L_A3＝L₅＝125mm，主副簧的总片数N＝n+m＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，h_5e＝18.1mm，k＝1,2,…N，对该一级渐变刚度板簧的主副的复合夹紧刚度K_MA进行验算，即

根据各片主簧和副簧的厚度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立一半对称夹紧结构板簧的ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F＝4000N，进行ANSYS变形仿真及刚度验证，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图3所示，其中，端部最大挠度f_MAmax＝45.44mm，因此，主副簧的复合夹紧刚度ANSYS仿真验证值K_MA＝2F/f_MAmax＝176.05N/mm,与计算值K_MA＝172.9N/mm的相对偏差仅为1.82％，结果表明该一级渐变刚度板簧的主副簧的复合夹紧刚度K_MA的验算值是准确可靠的。

(3)基于复合夹紧刚度的末片副簧的调整设计

根据步骤(2)中得到的主副簧夹紧刚度验证值K_MA＝172.9N/mm，小于设计要求值K_MA＝181N/mm；为了满足主副簧复合夹紧刚度设计要求，对末片副簧的长度进行调整设计，即根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，主副簧复合夹紧刚度的设计要求值K_MA＝181N/mm；主簧片数n＝3，各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝500mm，L₂＝425mm，L₃＝325mm；副簧片数m＝2，首片副簧的一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝225mm，主副簧的总片数N＝n+m＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，h_5e＝18.1mm；对末片副簧的一半夹紧长度L_A2进行调整设计，即

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，即第2片副簧的一半作用L_A2t＝L₅+L₀/2＝194mm。

(4)调整设计之后的主簧夹紧刚度的ANSYS仿真验证：

根据末片副簧调整设计之后的各片主簧和副簧的厚度和一半夹紧长度，建立一半对称夹紧结构的ANSYS仿真模型，在端点施加一集中力F＝4000N，仿真所得到的ANSYS变形仿真云图，如图4所示，其中，最大挠度f_Mmax＝41.18mm，即主副簧复合夹紧刚度的ANSYS仿真验证值K_MA＝2F/f_Mmax＝181.08N/mm。可知，末片副簧的长度调整设计之后，主副簧复合夹紧刚度验算值K_MA＝181.08N/mm与设计要求值K_MA＝181N/mm相吻合。

实施例二：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，主簧片数n＝3，其中，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm，L_2t＝450mm，L_3t＝375mm；各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝350mm。副簧片数m＝2，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm，各片主副簧的一半作用长度分别为L_A1t＝250mm，L_A2t＝175mm；各片主副簧的一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L₅＝L_A2t-L₀/2＝150mm。主副簧的总片数N＝n+m，主副簧复合夹紧刚度设计要求值K_MA＝175N/mm。根据该渐变刚度板簧的各片主簧和副簧的结构参数，弹性模量，对该一级渐变刚度板簧的复合夹紧刚度K_MA进行验算，并根据夹紧刚度验证值和设计要求值比较情况，对末片副簧进行调整设计。

本实例采用与实施例一相同的方法和步骤，对该一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度进行验证，并对末片副簧进行调整设计，具体调整设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的主簧各不同片数重叠段的等效厚度计算

由于实例二的主簧和副簧的片数及厚度，与实例一的相同，因此，该渐变刚度板簧在各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke也与实施例一的完全相同，即

(2)一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度K_MA的验算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，主簧片数n＝3，各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝500mm，L₂＝425mm，L₃＝325mm；副簧片数m＝2，各片副簧的一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝225mm，L_A3＝L₅＝150mm；主副簧的总片数N＝n+m＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，h_5e＝18.1mm，k＝1,2,…N，对该一级渐变刚度板簧的主副簧的复合夹紧刚度K_MA进行验算，即

(3)基于复合夹紧刚度设计要求的末片副簧的调整设计

根据步骤(2)中得到的主副簧夹紧刚度的验证值K_MA＝180.96N/mm，大于设计要求值K_MA＝175N/mm；为了满足主副簧复合夹紧刚度设计要求，对末片副簧的厚度h_A2进行调整设计，即根据一级渐变刚度板簧的复合夹紧刚度的设计要求值K_MA＝175N/mm；宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm、L₃＝350mm；副簧片数m＝2，各片副簧的一半夹紧长度分别为L_A1＝L₄＝225mm，L_A2＝L₅＝150mm，首片副簧的厚度h_A1＝13mm，主副簧的总片数N＝n+m＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm；h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，对末片副簧厚度h_A2进行调整设计，即

即末片副簧厚度调整之后的厚度h_A2＝12mm。

(4)调整设计之后的主副簧复合夹紧刚度的ANSYS仿真验证

根据末片副簧厚度调整设计之后的板簧的各片主簧和副簧厚度和一半夹紧长度，建立一半对称夹紧结构的ANSYS仿真模型，在端点施加一集中力F＝4000N，其中，仿真所得到的ANSYS变形最大挠度f_Mmax＝45.70mm，即主副簧夹紧刚度的ANSYS仿真验证值K_MA＝2F/f_Mmax＝175.05N/mm。可知，末片主副簧的长度调整设计之后，主副簧的复合夹紧刚度K_MA与设计要求值相吻合。

通过样机加载挠度及夹紧刚度试验测试可知，主副簧复合夹紧刚度K_MA的试验测试值，与设计要求值相吻合，表明本发明所提供的基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法是正确的，为渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可对主副簧的复合夹紧刚度进行验算，并根据验算值和设计要求值，对末片副簧的长度或厚度进行调整设计，确保满足复合夹紧刚度的设计要求，提高渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.基于复合刚度的一级渐变刚度板簧末片副簧的调整设计法，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，确保满足悬架偏频和主簧应力强度的设计要求，即非等渐变偏频型一级渐变刚度板簧；根据各片板簧的结构参数、弹性模量，在复合夹紧刚度验算的基础上，以主副簧复合夹紧刚度设计要求值为目标，对一级渐变刚度板簧末片副簧的长度或厚度进行调整设计，确保主副簧的复合夹紧刚度满足设计要求，具体调整设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的各不同片数重叠段的等效厚度计算：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的厚度h_Aj，j＝1,2,...,m；主副簧的总片数N＝n+m，对一级渐变刚度板簧的各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke进行计算，k＝1,2,...,N，即

$h_{ke}=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt[3]{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{h}_i^3},& 1\≤k\≤n\\ \sqrt[3]{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i^3+\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{h}_{Aj}^3},& n+1\≤k\≤N\end{array}\right.;$

(2)一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度K_MA的验算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m；主副簧的总片数N＝n+m；步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N，对主副簧复合夹紧刚度K_MA进行验算，即

$K_{MA}=\frac{bE}{2\[\frac{{\left(L_1-L_2\right)}^3}{h_{1e}^3}+\underset{k=2}{\overset{N-1}{\Σ}}\frac{{(L_1-L_{k+1})}^3-{(L_1-L_k)}^3}{h_{ke}^3}+\frac{L_1^3-{(L_1-L_N)}^3}{h_{Ne}^3}\]};$

(3)基于复合夹紧刚度的末片副簧的调整设计：

根据主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值，及步骤(2)中验算得到的K_MA；当验证值K_MA小于设计要求值，则根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；各片主簧夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，前m-1片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m-1，主副簧的总片数N＝n+m，及步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N，以主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值为目标，对末片副簧的一半夹紧长度L_Am进行调整设计，即

$L_{Am}=L_1-\sqrt[3]{\frac{\frac{bE}{2K_{MA}}-\underset{k=2}{\overset{N-2}{\Σ}}\frac{{(L_1-L_{k+1})}^3-{(L_1-L_k)}^3}{h_{ke}^3}-\frac{L_1^3}{h_{Ne}^3}-\frac{{\left(L_1-L_2\right)}^3}{h_{1e}^3}}{\[\frac{1}{h_{N-1e}^3}-\frac{1}{h_{Ne}^3}\]}};$

即末片副主簧的一半作用长度L_Amt＝L_Am+L₀/2；

当验证值K_MA大于设计要求值，则根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧夹紧长度L_i，i＝1,2,...,n；副簧片数m，各片副簧的一半夹紧长度L_Aj＝L_n+j，j＝1,2,...,m，主副簧簧的总片数N＝n+m，及步骤(1)中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,N-1，以主副簧复合夹紧刚度K_MA设计要求值为目标，对末片副簧的厚度h_Am进行调整设计，即

$h_{Am}=\sqrt[3]{\frac{L_1^3-{(L_1-L_N)}^3}{\frac{bE}{2K_{MA}}-\frac{{(L_1-L_2)}^3}{h_{1e}^3}-\underset{k=2}{\overset{N-1}{\Σ}}\frac{{(L_1-L_{k+1})}^3-{(L_1-L_k)}^3}{h_{ke}^3}}-h_{N-1e}^3};$

(4)调整设计之后的主簧夹紧刚度的ANSYS仿真验证：

根据末片副簧调整设计之后的各片主簧和副簧的厚度和一半夹紧长度，建立一半对称夹紧结构的ANSYS仿真模型，在端点施加一集中力F，对其进行ANSYS变形仿真及复合夹紧刚度验证，仿真所得到的最大挠度为f_Mmax，则主副簧复合夹紧刚度的ANSYS仿真验证值K_MA＝2F/f_Mmax。