CN106704428B - 基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据主簧的宽度，弹性模量，许用应力，首片主簧的一半加紧长度，主簧加紧刚度，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各片主簧的厚度和长度进行设计。通过样机加载挠度及刚度试验可知，本发明所提供的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片主簧的厚度和长度计算值，确保主簧满足加紧刚度和应力强度设计要求。利用该方法可提高产品的设计水平、质量、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

基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法。

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，主簧不仅满足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，主簧夹紧刚度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；主簧应力强度影响板簧可靠性和使用寿命。主簧的夹紧刚度和应力强度是由主簧的片数、厚度和长度所决定的。然而，由于主簧各片的厚度和长度设计非常复杂，不仅与额定载荷和许用应力有关，还与接触载荷和副簧结构有关，同时，还受主簧夹紧刚度和根部最大应力计算等关键问题的制约，而且还与接触载荷和副簧有关，因此，据所查资料可知，先前一直未能给出基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，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。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、可靠的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，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，提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性和安全性的设计要求；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、可靠的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，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，一半夹紧长度L_i＝L-L₀/2，i＝1,2,…n。副簧2的片数为m，各片副簧的厚度为h_Aj，一半夹紧长度L_Aj＝L_A-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，以满足渐变刚度钢板弹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；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，即设计为一级渐变刚度板簧。渐变刚度板簧的主簧不仅满足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，主簧夹紧刚度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；主簧应力强度影响板簧可靠性和使用寿命。根据主簧的宽度，弹性模量，许用应力，首片主簧的一半夹紧长度，主簧夹紧刚度，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各片主簧的厚度和长度进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)基于主簧夹紧刚度K_M的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的设计：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，骑马螺栓夹紧距的一半L₀，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧夹紧刚度设计要求值K_M；预取主簧片数n，取末片主簧的一半夹紧长度L_n＝L₁-2(n-1)L₀，则末片主簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_n＝L₁-L_nf＝2(n-1)L₀，取主簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_M，其中，β_M＝0.7～0.8，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行设计，即

(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部重叠部分等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E，骑马螺栓夹紧距的一半L₀；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主副簧复合夹紧刚度设计值K_MA；预取主副簧的总片数N，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；取主副簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_MA，其中，β_MA＝0.4～0.5，对主副簧根部重叠部分等效厚度H_MAe进行确定，即

(3)基于应力的主簧的最大板簧许用厚度h_max和最少主簧片数n_min的确定：

I步骤：主簧的最大板簧许用厚度h_max的确定

根据一级渐变刚度板簧的宽度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(1)中设计所得到的H_Me，步骤(2)中所确定的H_MAe，对各片主簧的最大板簧许用厚度h_max进行确定，即

II步骤：主簧最少片数n_min的确定

根据步骤(1)中设计得到的H_Me，I步骤中所确定的h_max，对主簧最少片数n_min进行确定，即

(4)基于刚度的一级渐变刚度板簧的主簧片数n和各片厚度h_i的设计：

根据步骤(1)中设计得到的H_Me，步骤(3)中所确定的n_min，对n_min向上圆整取主簧片数n，并对各片等厚度主簧的厚度h_i进行设计，即

将h_i的值圆整到板簧标准系列厚度，即得到各片主簧的实际厚度设计值h_i，i＝1,2,...,n；

(5)基于应力的一级渐变刚度板簧的各片主簧的一半作用长度L_it设计：

A步骤：主簧各不同片数重叠段的等效厚度h_ke计算

根据步骤(4)中设计得到主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n，对一级渐变刚度板簧的主簧的各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke计算，即

B步骤：首片主簧之外的其他各片主簧的最小一半作用长度的设计

根据渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半作用长度L_1t,步骤(4)中设计得到的主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，及A步骤中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,n-1，对首片之外的其他各片主簧的最小一半作用长度L_itmin进行设计，即

对L_itmin向上圆整，便可得到得到其他各片主簧的一半作用长度的设计值L_it，i＝2,3,...,n。

本发明比现有技术具有的优点

渐变刚度板簧的主簧不仅满足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。由于主簧各片的厚度和长度设计非常复杂，不仅与额定载荷和许用应力有关，还与接触载荷和副簧结构有关，同时，还受主簧夹紧刚度和根部最大应力计算等关键问题的制约，而且还与接触载荷和副簧有关，因此，据所查资料可知，先前一直未能给出基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，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。本发明可根据主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，板簧一半跨度，宽度，弹性模量，许用应力，接触载荷和额定载荷，对一级渐变刚度板簧的各片主簧的厚度和长度进行设计。通过实例设计、ANSYS仿真验证和样机加载变形及刚度试验可知，本发明所提供的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片主簧的厚度和长度计算值，确保主簧满足刚度和应力强度设计要求。利用该方法可提高产品的设计水平、质量、性能及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低产品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是基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的一级渐变刚度板簧的主簧变形ANSYS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：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，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，主簧预设计片数n＝3。主簧夹紧刚度设计值K_M＝75.4N/mm，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。根据主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，板簧跨度的一半，宽度，弹性模量，许用应力，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各片主簧的厚度和长度进行设计。

本发明实例所提供的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)基于主簧夹紧刚度K_M的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的设计：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，主簧夹紧刚度设计值K_M＝75.4N/mm；预取主簧片数n＝3，末片主簧的一半夹紧长度L_n＝L₁-2(n-1)L₀＝300mm，末片主簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_n＝L₁-L_n＝2(n-1)L₀＝200mm，取主簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_M＝0.7，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行设计，即

(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部重叠部分等效厚度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，安装夹紧间距的一半长度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；预取主副簧的总片数N＝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，取主副簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_MA＝0.45，对主副簧根部重叠部分等效厚度H_MAe进行确定，即

(3)基于应力的主簧的最大板簧许用厚度h_max和最少主簧片数n_min的确定：

I步骤：主簧的最大板簧许用厚度h_max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(1)中设计得到的H_Me＝11.6mm，步骤(2)中所确定的H_MAe＝16.8mm，对主簧的最大板簧许用厚度h_max进行确定，即

II步骤：主簧最少片数n_min的确定

根据步骤(1)中设计得到的H_Me＝11.6mm，I步骤中所确定的h_max＝8.1mm，对主簧最少片数n_min进行确定，即

(4)基于刚度的一级渐变刚度板簧的主簧片数n和各片厚度h_i的设计：

根据步骤(1)中设计得到的H_Me＝11.6mm，步骤(3)中所确定的n_min＝2.96，对n_min向上圆整取主簧片数n＝3，并对各片主簧的厚度h_i进行设计，即

其中，各片主簧的厚度恰好为板簧标准系列厚度，即h₁＝h₂＝h₃＝8.0mm，即为各片主簧的实际厚度设计值。

(5)基于应力的一级渐变刚度板簧的首片主簧之外其他各片主簧的一半作用长度设计：

A步骤：主簧各不同片数重叠段的等效厚度计算

根据步骤(4)中设计得到的主簧片数n＝3，各片厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，对该一级渐变刚度板簧的主簧各不同片数k重叠段的等效厚度计算，k＝1,2,3，即

B步骤：首片主簧之外其他各片主簧的最小一半作用长度的设计

根据渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝450MPa；首片主簧的一半作用长度L_1t＝5025mm,开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N，步骤(4)中设计得到的主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，及A步骤中计算得到的h_1e＝8.0mm和h_2e＝10.1mm，对等厚度主簧的第2片和第3片主簧的最小一半作用长度L_2tmin和L_3tmin进行设计，分别为

对第2和第3片主簧的最小一半作用长度的L_2tmin＝441.3mm和L_3tmin＝357.6mm进行向上圆整，得到第2和第3片主簧的一半作用长度的设计值，分别为

L_2t＝445mm，

L_3t＝360mm。

利用ANSYS有限元仿真软件，根据所设计各片主簧的结构参数，建立主簧一半对称夹紧结构的ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F＝1300N，仿真得到的主簧ANSYS变形仿真云图如图3所示，其中，最大挠度f_M＝34.984mm，因此，该设计主簧的ANSYS刚度验证值为K_M＝2F/f_M＝74.32N/mm，相对偏差仅为1.43％，说明主簧的各片的厚度和长度设计值是准确可靠的。

通过样机加载挠度及夹紧刚度试验测试可知，主簧夹紧刚度的试验测试值，与设计要求值相吻合，表明本发明所提供的基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧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。利用该方法可得到准确可靠的一级渐变刚度板簧的各片主簧的厚度和长度设计值，可同时满足主簧夹紧刚度和应力强度的设计要求，提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.基于刚度和应力的一级渐变刚度板簧各片主簧的设计方法，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，确保满足板簧渐变刚度、悬架偏频特性和主簧应力强度的设计要求，即非等偏频型一级渐变刚度板簧；根据主簧的宽度，首片主簧的一半夹紧长度，弹性模量，许用应力，主簧夹紧刚度，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各片主簧的厚度和长度进行设计，其特征在于采用以下具体设计步骤：

(1)基于主簧夹紧刚度K_M的主簧根部重叠部分等效厚度H_Me的设计：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，骑马螺栓夹紧距的一半L₀，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧夹紧刚度设计要求值K_M；预取主簧片数n，取末片主簧的一半夹紧长度L_n＝L₁-2(n-1)L₀，则末片主簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_n＝L₁-L_nf＝2(n-1)L₀，取主簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_M，其中，β_M＝0.7～0.8，对主簧根部重叠部分等效厚度H_Me进行设计，即

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(2)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部重叠部分等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E，骑马螺栓夹紧距的一半L₀；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主副簧复合夹紧刚度设计值K_MA；预取主副簧的总片数N，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；取主副簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_MA，其中，β_MA＝0.4～0.5，对主副簧根部重叠部分等效厚度H_MAe进行确定，即

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(3)基于应力的主簧的最大板簧许用厚度h_max和最少主簧片数n_min的确定：

I步骤：主簧的最大板簧许用厚度h_max的确定

根据一级渐变刚度板簧的宽度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(1)中设计所得到的H_Me，步骤(2)中所确定的H_MAe，对各片主簧的最大板簧许用厚度h_max进行确定，即

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> <mi>b</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>3</mn> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

II步骤：主簧最少片数n_min的确定

根据步骤(1)中设计得到的H_Me，I步骤中所确定的h_max，对主簧最少片数n_min进行确定，即

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(4)基于刚度的一级渐变刚度板簧的主簧片数n和各片厚度h_i的设计：

根据步骤(1)中设计得到的H_Me，步骤(3)中所确定的n_min，对n_min向上圆整取主簧片数n，并对各片等厚度主簧的厚度h_i进行设计，即

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将h_i的值圆整到板簧标准系列厚度，即得到各片主簧的实际厚度设计值h_i，i＝1,2,...,n；

(5)基于应力的一级渐变刚度板簧的各片主簧的一半作用长度L_it设计：

A步骤：主簧各不同片数重叠段的等效厚度h_ke计算

根据步骤(4)中设计得到主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n，对一级渐变刚度板簧的主簧的各不同片数k重叠段的等效厚度h_ke计算，即

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B步骤：首片主簧之外的其他各片主簧的最小一半作用长度的设计

根据渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半作用长度L_1t,步骤(4)中设计得到的主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...,n，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，及A步骤中计算得到的h_ke，k＝1,2,...,n-1，对首片之外的其他各片主簧的最小一半作用长度L_itmin进行设计，即

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对L_itmin向上圆整，便可得到得到其他各片主簧的一半作用长度的设计值L_it，i＝2,3,...,n。