CN106682354A - 高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，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、首片副簧的长度、弹性模量、主簧加紧刚度、主副簧复合加紧刚度、接触载荷、额定载荷及剩余切线弧高设计要求值，对高强度一级渐变刚度板簧的主簧和副簧的初始切线弧高进行设计。通过样机加载试验可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧的主副簧初始切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的主副簧初始切线弧高设计值，为高强度一级渐变刚度板簧设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法可提高产品设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性，同时，降低产品设计和试验测试费用，加快产品开发速度。

Description

高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法。

背景技术

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性及悬架渐变偏频保持不变的设计要求，随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度一级渐变刚度板簧，其中，高强度一级渐变刚度板簧的主簧挠度及夹紧刚度，影响悬架系统偏频及车辆行驶平顺性，且主簧挠度总不同载荷下的计算，制约着强度一级渐变刚度板簧的主副簧切线弧高设计。然而，由于主簧和副簧在渐变过程中的渐变复合夹紧刚度的不仅与高强度一级渐变刚度板簧的结构有关，而且还与接触载荷大小有关，因此，高强度一级渐变刚度板簧在不同载荷下主簧挠度的计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对高强度一级渐变刚度设计板簧提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，为高强度一级渐变刚度板簧设计奠定可靠的技术基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及高强度一级渐变刚度板簧的设计要求，提高产品设计水平、质量和性能，满足车辆行驶平顺性的设计要求；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、可靠的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，设计流程图，如图1所示。板簧采用高强度钢板，宽度为b，弹性模量为E，各片板簧为以中心穿装孔对称的结构，其安装夹紧距的一半L₀为骑马螺栓夹紧距的一半L₀；高强度一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，由主簧1和副簧2构成，其中，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，一半夹紧长度为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，一半夹紧长度为L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…,m。主簧初始切线弧高为H_gM0，副簧初始切线弧高为H_gA0，以确保末片主簧的下表面与首片副簧的上表面之间的主副簧渐变间隙δ_MA，当载荷达到开始起作用载荷P_k时，在骑马螺栓夹紧距外侧，末片主簧下表面与首片副簧上表面开始接触；当载荷达到完全接触载荷P_w时，末片主簧下表面与首片副簧上表面完全接触。当载荷在[P_k,P_w]范围内变化时，主簧末片下表面与副簧首片上表面的接触位置，及主副簧渐变复合夹紧刚度K_kwP随载荷而变化，从而满足悬架偏频保持不变的设计要求，即等偏频型一级渐变刚度板簧悬架。高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的大小，不仅影响开始接触载荷和完全接触载荷，而且还影响渐变复合夹紧刚度K_kwP及在额定载荷下的剩余切线弧高的大小。在各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、开始接触载荷、完全接触载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值给定情况下，对高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧渐变复合夹紧刚度K_kwP的计算：

根据开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，主簧夹紧刚度K_M，对高强度一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP进行计算，即

(2)高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0设计：

根据额定载荷下的剩余弧高H_gMsy，开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，额定载荷P_N，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，及步骤(1)中计算所得到的K_kwP，对高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0进行设计，即

(3)高强度一级渐变刚度板簧的首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a的计算：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，步骤(2)中设计得到的H_gM0，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a计算

根据高强度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，主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，开始接触载荷P_k，及A步骤中计算得到的R_M0b，对首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a进行计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(4)高强度一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0设计：

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，步骤(3)的B步骤中计算得到的R_A0a，对副簧初始切线弧高H_gA0进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于高强度一级渐变刚度板簧的在主簧和副簧渐变过程中的挠度及渐变复合夹紧刚度的计算非常复杂，据所查资料可知，先前一直未能给出高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，大都是利用样机试验测试方法，对其在不同载荷下的主簧挠度进行确定，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设计要求。本发明可根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度、弹性模量、各片主簧和副簧的结构参数、开始接触载荷、完全接触载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余弧高设计要求值，对高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高进行设计。通过样机加载变形试验测试可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的主副簧初始切线弧高设计值，为高强度一级渐变刚度板簧设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础；同时，利用该方法，可提高产品设计水平、产品质量和车辆行驶平顺性；同时，还可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是高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计流程图；

图2是高强度一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的高强度一级渐变刚度板簧的渐变复合夹紧刚度K_kwP随载荷P变化曲线。

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：某高强度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＝2片，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，首片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm，一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm。副簧片数m＝3片，首片副簧的一半作用长度L_A1t＝350mm，一半夹紧长度分别为L_A1＝L_A1t-L₀/2＝325mm。主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝178.62N/mm，开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，额定载荷P_N＝7227N，及在额定载荷下的剩余切线弧高H_gMsy＝26mm。根据该高强度一级渐变刚度板簧的主簧结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、首片副簧的一半夹紧长度，开始接触载荷P_k、完全接触载荷P_w和额定载荷P_N、及在额定载荷下的剩余切线弧高H_gMsy设计要求值，对该高强度一级渐变刚度板簧的主副簧初始切线弧高进行设计。

本发明实例所提供的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧渐变复合夹紧刚度K_kwP的计算：

根据开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm，对高强度一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP进行计算，即

利用MATLAB程序，计算所得到该高强度一级渐变刚度板簧载荷在[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度随载荷的变化曲线，如图3所示，其中，当载荷P＝P_k＝1842N时，K_kwP＝K_M＝51.44N/mm；当载荷P＝P_w＝6398N时，K_kwP＝K_MA＝178.62N/mm。

(2)高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0设计：

根据开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，额定载荷P_N＝7227N，主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝178.62N/mm，额定载荷下的剩余切线弧高H_gMsy＝26mm，及步骤(1)中所得到的对该高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0进行设计，即

(3)高强度一级渐变刚度板簧的首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a计算：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n＝2，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(2)中设计得到的H_gM0＝111mm，对末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧片数n＝2，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，开始接触载荷P_k＝1842N，及A步骤中计算得到的R_M0b＝1197.2mm，对首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a进行计算，即

式中，h_Me为主簧重叠部分的等效厚度，

(4)高强度一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0设计：

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝325mm，步骤(3)中计算得到的R_A0a＝2457.1mm，对副簧初始切线弧高H_gA0进行设计，即

通过样机试验测试可知，该高强度一级渐变刚度板簧的主簧和副簧的初始切线弧高设计值是可靠的，可满足高强度一级渐变刚度板簧的开始接触载荷、完全接触载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高的设计要求，表明本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法是正确的。利用该方法可得到准确可靠的一级渐变刚度板簧的主簧和副簧的初始切线弧高的设计值，提高产品设计水平、质量和性能及车辆的行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.高强度一级渐变刚度板簧主副簧初始切线弧高的设计方法，其中，板簧采用高强度钢板，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，确保满足板簧渐变刚度及在渐变载荷时车辆悬架偏频保持不变的设计要求，即等偏频型一级渐变刚度板簧悬架；根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、接触载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余弧高设计要求值，对高强度一级渐变刚度板簧的主簧和副簧初始切线弧高进行设计，具体设计步骤如下：

(1)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧渐变复合夹紧刚度K_kwP的计算：

根据开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，主簧夹紧刚度K_M，对高强度一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP进行计算，即

$K_{kwP}=\frac{P}{P_k}{K}_M,P\∈\[P_k,P_w\];$

(2)高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0设计：

根据额定载荷下的剩余弧高H_gMsy，开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，额定载荷P_N，主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，及步骤(1)中计算所得到的K_kwP，对高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0进行设计，即

$H_{gM0}=\frac{P_k}{K_M}+{\∫}_{P_k}^{P_w}\frac{1}{K_{kwP}}dP+\frac{P_N-P_w}{K_{MA}}+H_{gMsy};$

(3)高强度一级渐变刚度板簧的首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a的计算：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，步骤(2)中设计得到的H_gM0，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，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_A0a计算

根据高强度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，主簧片数n，各片主簧的厚度h _i ，i＝1,2,…,n，开始接触载荷P_k，及A步骤中计算得到的R_M0b，对首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a进行计算，即

$R_{A10a}=\frac{R_{M0b}{\mathrm{Ebh}}_{Me}^3}{{\mathrm{Ebh}}_{Me}^3-6R_{M0b}{P}_k{L}_1};$

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(4)高强度一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0设计：

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，步骤(3)的B步骤中计算得到的R_A0a，对副簧初始切线弧高H_gA0进行设计，即

$H_{gA0}=R_{A0a}-\sqrt{R_{A0a}^2-L_{A1}^2}.$