CN106682337A - 基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据主副簧的结构参数、弹性模量、主簧加紧刚度，主副簧复合加紧刚度，主簧和副簧的初始切线弧高设计值，空载载荷和额定载荷及偏频设计要求值，在接触载荷和偏频特性仿真计算的基础上，对一级渐变刚度板簧接触载荷进行调整设计。通过实例设计和样机车辆行驶平顺性试验可知，表明本发明所提供的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法是正确的，为一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计提供了可靠的技术方法。利用该方法可提高悬架的设计水平和性能及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Description

基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法

技术领域

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法。

背景技术

为了满足车辆行驶平顺性的要求，通常采用一级渐变刚度板簧悬架，其中，悬架偏频影响车辆行驶平顺性和安全性，而且悬架偏频不仅与弹簧悬架刚度有关，而且与接触载荷有关，对于给定设计结构板簧悬架的偏频特性的仿真计算，并根据偏频仿真计算结果，依据偏频设计要求值，对一级渐变刚度板簧接触载荷进行调整设计，确保悬架偏频满足车辆平顺性设计要求。然而，由于受接触载荷仿真计算和渐变接触过程中的悬架渐变刚度及渐变偏频计算的制约，先前一直未能给出基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。然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设计要求，因此，必须建立一种精确、可靠的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，为一级渐变刚度板簧悬架系统的设计、特性仿真计算及CAD软件开发奠定可靠的技术基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及对一级渐变刚度板簧设计的要求，提高一级渐变刚度板簧悬架的设计水平、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、可靠的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，其调整设计流程，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总跨度，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，板簧的宽度为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，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，一半作用长度为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，并且还应该满足板簧安装及在额定载荷下剩余切线弧高的设计要求。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；为了满足主簧应力强度的要求，悬架开始接触载荷偏频f_0k与完全接触载荷偏频f_0w不相等，即设计为非等偏频一级渐变刚度板簧。悬架在不同载荷下的偏频特性影响车辆行驶平顺性和安全性。根据主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，主簧和副簧的初始切线弧高，空载载荷和额定载荷，及偏频设计要求值，在接触载荷仿真计算和悬架偏频特性仿真验算的基础上，对一级渐变刚度板簧接触载荷进行调整设计，确保悬架偏频特性满足车辆悬架系统设计要求。

为解决上述技术问题，本发明所提供的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，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开始接触载荷P_k的仿真计算：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧初始切线弧高H_gM0，确定末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b，即

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，副簧初始切线弧高H_gA0，确定首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a，即

C步骤：开始接触载荷P_k的仿真计算

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧跨长度L₁；A步骤中所确定的R_M0b，B步骤中所确定的R_A0a，对开始接触载荷P_k进行仿真计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(2)一级渐变刚度板簧的完全接触载荷P_w的仿真计算：

a步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw的建立

根据主簧初始切线弧高H_gM0，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，步骤(1)中仿真计算得到的P_k，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw，即

式中，A、B和C为所定义的渐变挠度计算的中间参数，B＝-CP_k，

b步骤：完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夹紧长度L₁，a步骤中所建立的H_gMw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

c步骤：完全接触载荷P_w的仿真计算

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中所得到的R_M0b、h_Me和P_k，及b步骤中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立一级渐变刚度板簧的完全接触载荷仿真计算数学模型，即

求解上述数学模型，便可得到非等偏频一级渐变板簧的完全接触载荷P_w；

(3)一级渐变刚度板簧悬架的偏频特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，空载载荷P₀，额定载荷P_N，步骤(1)的C步骤中仿真计算得到的P_k，步骤(2)中仿真计算得到的P_w，对一级渐变刚度板簧悬架系统在不同载荷下的偏频特性进行仿真计算，即

式中，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计：

根据仿真计算得到的板簧在原接触载荷下的偏频特性f₀随载荷P变化的特性，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，以开始接触载荷和完全接触载荷下的偏频设计要求值f_0kI和f_0wI为目标，对一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k和完全接触载荷P_w进行调整设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于受接触载荷仿真计算和渐变接触过程中的悬架渐变刚度及渐变偏频计算的制约，先前一直未能给出基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。悬架在不同载荷下的偏频特性影响车辆行驶平顺性和安全性；对于给定设计结构板簧悬架的偏频特性的仿真计算，可确保其偏频特性满足车辆悬架系统的设计要求。本发明可根据主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，主簧和副簧的初始切线弧高，空载载荷和额定载荷，悬架偏频设计要求值，在接触载荷仿真计算和悬架偏频仿真验算的基础上，对一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法。通过实例设计和样机的车辆行驶平顺性验测试可知，本发明所提供的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法是正确的，为一级渐变刚度板簧悬架设计提供了可靠的技术基础。利用该方法可提高悬架系统的设计水平、质量和性能，进一步提高车辆的行驶平顺性和安全性；同时，还可以降低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是基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的仿真计算得到的原设计结构和接触载荷下的一级渐变刚度板簧悬架的偏频f₀随载荷P变化的特性曲线；

图4是实施例的仿真计算得到的接触载荷调整设计之后的一级渐变刚度板簧悬架的偏频f₀随载荷P变化的特性曲线。

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悬架的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；跨度的一半即一半作用长度L_1t＝525mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm。主副簧的总片数N＝n+m＝5，其中，主簧片数n＝3，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；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＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L_A2t-L₀/2＝125mm。主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm。主簧初始切线弧高H_gM0＝102mm，副簧初始切线弧高H_gA0＝12mm。空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N。在开始接触载荷下的悬架偏频设计要求值为f_0kI＝3.17Hz，在完全接触载荷下的悬架偏频设计要求值为f_0wI＝3.1Hz。根据主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，主簧和副簧的初始切线弧高，空载载荷和额定载荷，及偏频设计要求值，在接触载荷仿真计算和偏频特性仿真验算的基础上，对该一级渐变刚度板簧的接触载荷进行调整设计。

本发明实例所提供的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，其调整设计流程如图1所示，具体调整设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k的仿真计算

A步骤：末片主簧下表面的初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，初始切线弧高H_gM0＝102mm，确定末片主簧下表面的初始曲率半径R_M0b，即

B步骤：首片副簧上表面的初始曲率半径R_A0的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝225mm，副簧初始切线弧高H_gA0＝12mm，确定首片副簧上表面的初始曲率半径R_A0a，即

C步骤：开始接触载荷P_k的仿真计算

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，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧跨长度L₁＝500mm，A步骤中所确定的R_M0b＝1300.5mm，B步骤中所确定的R_A0a＝2115.4mm，对开始接触载荷P_k进行仿真计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(2)一级渐变刚度板簧的完全接触载荷P_w的仿真计算：

a步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw的建立：

根据主簧初始切线弧高H_gM0＝102mm，主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm，步骤(1)中仿真计算得到的P_k＝1911N，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw，即

式中，B＝-1911C，

b步骤：主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，a步骤中所建立的H_gMw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

c步骤：完全接触载荷P_w的仿真计算

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(1)中所确定的R_M0b＝1300.5mm、h_Me＝11.5mm和P_k＝1911N，及b步骤中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立一级渐变刚度板簧的完全接触载荷仿真计算数学模型，即

利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到该非等偏频一级渐变板簧的主副簧完全接触载荷的仿真计算值P_w＝3843N。

(3)一级渐变刚度板簧悬架的偏频特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧夹紧复合刚度K_MA＝172.9N/mm，空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N，步骤(1)中仿真计算得到的P_k＝1911N，步骤(2)中仿真计算得到的P_w＝3843N，对该一级渐变刚度板簧悬架系统在不同载荷下的偏频特性进行仿真计算，即

利用Matlab计算程序，仿真计算所得到的该一级渐变刚度板簧悬架在原设计结构和接触载荷下的偏频f₀随载荷P变化的特性曲线，如图3所示，其中，在空载载荷P₀＝1715N，开始接触载荷P_k＝1911N，完全接触载荷P_w＝3843N和额定载荷P_N＝7227N情况下的悬架偏频分别为f₀₀＝3.3Hz，f_0k＝3.17Hz，f_0w＝3.34Hz，f_0N＝2.43Hz，其中，在完全接触载荷下的悬架偏频f_0w＝3.34Hz，高于设计要求值f_0wI＝3.1Hz。

(4)基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计：

根据主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm，以悬架系统在完全接触载荷下的偏频设计要求值f_0wI＝3.1Hz为目标，对该一级渐变刚度板簧的完全接触载荷P_w进行调整设计，即

通过Matlab计算程序，仿真计算所得到的该一级渐变刚度板簧悬架系统在完全接触载荷调整设计之后的偏频f₀随载荷P变化的特性曲线，如图4所示，可知，接触载荷调整设计之后，该一级渐变刚度板簧悬架系统的在完全接触载荷时的悬架系统偏频f_0w显著降低，其中，在完全接触载荷下的悬架偏频f_0w＝3.1Hz，满足车辆平顺性对悬架系统的设计要求。

通过样机的车辆行驶平顺性试验可知，本发明所提供的基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法是正确的，为一级渐变刚度板簧的偏频仿真及接触载荷的调整设计提供了可靠的技术方法。利用该方法可提高一级渐变刚度板簧悬架的设计水平和性能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.基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计法，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，确保满足悬架偏频特性和主簧应力强度设计要求，即非等偏频型一级渐变刚度板簧悬架；根据主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，主簧和副簧的初始切线弧高，空载载荷和额定载荷及偏频设计要求值，在接触载荷仿真计算和悬架偏频特性仿真验算的基础上，对一级渐变刚度板簧接触载荷进行调整设计，具体调整设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k的仿真计算：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧初始切线弧高H_gM0，确定末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b，即

$R_{M0b}=\frac{L_1^2+H_{gM0}^2}{2H_{gM0}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i;$

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，副簧初始切线弧高H_gA0，确定首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a，即

$R_{A0a}=\frac{L_{A1}^2+H_{gA0}^2}{2H_{gA0}};$

C步骤：开始接触载荷P_k的仿真计算

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧跨长度L₁；A步骤中所确定的R_M0b，B步骤中所确定的R_A0a，对开始接触载荷P_k进行仿真计算，即

$P_k=\frac{{\mathrm{Ebh}}_{Me}^3(R_{A0a}-R_{M0b})}{6L_1{R}_{M0b}{R}_{A0a}};$

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(2)一级渐变刚度板簧的完全接触载荷P_w的仿真计算：

a步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw的建立

根据主簧初始切线弧高H_gM0，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，步骤(1)中仿真计算得到的P_k，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw，即

$H_{gMw}=H_{gM0}-\frac{P_k}{K_M}-\frac{1}{A}ln\frac{{\mathrm{AP}}_w+B}{{\mathrm{AP}}_K+B};$

式中，A、B和C为所定义的渐变挠度计算的中间参数，B＝-CP_k，

b步骤：完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夹紧长度L₁，a步骤中所建立的H_gMw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

$R_{Mwb}=\frac{L_1^2+H_{gMw}^2}{2H_{gMw}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i,$

c步骤：完全接触载荷P_w的仿真计算

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中所得到的R_M0b、h_Me和P_k，及b步骤中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立一级渐变刚度板簧的完全接触载荷仿真计算数学模型，即

$6(P_w-P_k)R_{M0b}{R}_{Mwb}{L}_1={\mathrm{Ebh}}_{Me}^3(R_{Mwb}-R_{M0b});$

求解上述数学模型，便可得到非等偏频一级渐变板簧的完全接触载荷P_w；

(3)一级渐变刚度板簧悬架的偏频特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，空载载荷P₀，额定载荷P_N，步骤(1)的C步骤中仿真计算得到的P_k，步骤(2)中仿真计算得到的P_w，对一级渐变刚度板簧悬架系统在不同载荷下的偏频特性进行仿真计算，即

$f_0=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{{\mathrm{gK}}_M}{P}},& P_0\&le;P<P_k\\ \frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{g\&lsqb;\frac{P}{P_k}{K}_M+\frac{P-P_k}{P_w-P_k}(K_{MA}-\frac{P_w}{P_k}{K}_M)\&rsqb;}{P}},& P_k\&le;P\&le;P_w\\ \frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{{\mathrm{gK}}_{MA}}{P}}& P_w<P\&le;P_N\end{array}\right.;$

式中，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)基于偏频仿真的一级渐变刚度板簧接触载荷的调整设计：

根据仿真计算得到的板簧在原接触载荷下的偏频特性f₀随载荷P变化的特性，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，以开始接触载荷和完全接触载荷下的偏频设计要求值f_0kI和f_0wI为目标，对一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k和完全接触载荷P_w进行调整设计，即

$P_k=\frac{{\mathrm{gK}}_M}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_{0kI}^2};$

$P_w=\frac{{\mathrm{gK}}_{MA}}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_{0wI}^2}.$