CN106704431B - 非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法 - Google Patents

非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，属于车辆悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据主簧首片的一半夹紧长度，各片主簧和各级副簧的厚度，许用应力，空载载荷和额定载荷，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计。通过对样机试验可知，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法是正确的，为非等偏频型三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。利用该方法可得到可靠的各次接触载荷设计值，不仅满足悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，而且还能满足主簧应力强度的设计要求；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Description

非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法
技术领域
本发明涉及车辆悬架板簧，特别是非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法。
背景技术
为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性，可将原一级渐变刚度板簧的主簧和副簧分别拆分为两级，即采用三级渐变刚度板簧；同时，为了确保主簧的应力强度，通常通过主簧和三级副簧初始切线弧高及三级渐变间隙，使三级副簧适当提前承担载荷，从而降低主簧的应力，即采用非等偏频型三级渐变刚度板簧悬架，其中，各次接触载荷不仅影响板簧渐变夹紧刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性，同时，接触载荷还影响板簧应力强度、悬架可靠性及车辆行驶安全性，并且各次接触载荷匹配设计也是非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计的前提。然而，由于受非等偏频型三级渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及最大应力计算问题制约，先前国内外一直未给出非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计及CAD软件开发要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对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、可靠的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，为非等偏频型三级渐变刚度板簧设计及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非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计要求，提高产品的设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及剩余费用，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、可靠的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其设计流程如图1所示。非等偏频型三级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3和第三级副簧4所组成的，板簧的一半总跨度等于首片主簧的一半作用长度L1T，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，许用应力[σ]。其中，主簧1的片数n片，各片主簧的厚度为hi，一半作用长度为LiT，一半夹紧长度Li＝LiT-L0/2，i＝1,2,…,n。第一级副簧2的片数为n1，第一级副簧各片的厚度为hA1j，一半作用长度为LA1jT，一半夹紧长度LA1j＝LA1jT-L0/2，j＝1,2,…,n1。第二级副簧3的片数为n2，第二级副簧片各片的厚度为hA2k，一半作用长度LA2kT，一半夹紧长度LA2k＝LA2kT-L0/2，k＝1,2,…,n2。第三级副簧4的片数为n3，第三级副簧各片的厚度为hA3l，一半作用长度LA3lT，一半夹紧长度LA3l＝LA3lT-L0/2，l＝1,2,…,n3。通过主簧和各级副簧的初始切线弧高，在主簧末片下表面与第一级副簧首片上表面之间设置有第一级渐变间隙δMA1；第一级副簧末片下表面与第二级副簧首片上表面之间设置有第二级间隙δA12；第二级副簧末片下表面与第三级副簧首片上表面之间设置有第三级渐变间隙δA23；以满足板簧各次开始接触载荷、应力强度、渐变刚度、悬架偏频和车辆行驶平顺性的设计要求。根据三级渐变刚度板簧的结构参数，许用应力，空载载荷和额定载荷，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计。
为解决上述技术问题，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其特征在于采用以下匹配设计步骤：
(1)主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度hMe、hMA1e、hMA2e和hMA3e的计算：
I步骤：主簧根部重叠部分的等效厚度hMe的计算
根据主簧片数n,各片主簧的厚度hi，对主簧根部重叠部分的等效厚度hMe进行计算，即
II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e的计算
根据第一级副簧的片数n1，第一级副簧各片的厚度hA1j，j＝1,2,…,n1，及I步骤中计算得到的hMe，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e进行计算，即
III步骤：主簧与第一级和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e的计算
根据第二级副簧的片数n2，第二级副簧各片的厚度hA2k，k＝1,2,…,n2，及II步骤中计算得到的hMA1e，对主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e进行计算，即
IV步骤：主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e的计算
根据第三级副簧的片数n3＝1，第三级副簧各片的厚度hA3l，l＝1,2,…,n3，及III步骤中计算得到的hMA2e，对主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e进行计算，即
(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷Pk1的匹配设计：
A步骤：主簧最大厚度板簧的厚度hmax的确定
根据主簧片数n，各片主簧的厚度hi，i＝1,2,…,n，确定主簧最大厚度板簧的厚度hmax，即
hmax＝max(hi)，i＝1,2,…,n；
B步骤：最大第1次开始接触载荷Pk1max的计算
根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]，额定载荷PN；主簧首片的一半夹紧长度L1，A步骤中确定的hmax，及(1)步骤中计算得到的hMe、hMA1e、hMA2e和hMA3e，建立最大第1次开始接触载荷Pk1max的数学模型，即
利用Matlab计算程序，求解上述关于Pk1max的数学模型，便可得到最大第1次开始接触载荷Pk1max；
C步骤：第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计
根据空载载荷P0，及B步骤计算得到的Pk1max，对第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计，即
Pk1＝P0+0.618(Pk1max-P0)；
(3)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3的匹配设计：
根据额定载荷PN，及步骤(2)的C步骤中计算得到的Pk1，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3进行匹配设计，即
(4)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷Pk2的匹配设计：
根据步骤(2)的C步骤中设计得到的Pk1，步骤(3)中匹配设计得到的Pw3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷Pk2进行匹配设计，即
(5)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷Pk3的匹配设计：
根据步骤(4)中匹配设计得到的Pk2，步骤(3)中匹配设计得到的Pw3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷Pk3进行匹配设计，即
本发明比现有技术具有的优点
由于受非等偏频型三级渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及最大应力计算问题制约，先前国内外一直未给出非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计及CAD软件开发要求。本发明可根据三级渐变刚度钢板弹簧的主簧首片的一半夹紧长度L11，各片主簧和各级副簧的厚度，许用应力，空载载荷P0和额定载荷PN，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次、2次和3次开始接触载荷Pk1、Pk2、Pk3及第3次完全接触载荷Pw3进行匹配设计。通过样机仿真及车辆行驶平顺性试验可知，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法是正确的。利用该方法可得可靠的接触载荷设计值，不仅满足悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，而且还能满足主簧应力强度的设计要求，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，还可降低设计和试验费用，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是非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计流程图；
图2是非等偏频型三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：某非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L0＝50mm，许用应力[σ]＝600MPa。板簧的总片数N＝5，其中，主簧的片数n＝2,各片主簧的厚度h1＝h2＝8mm；各片主簧的一半作用长度为L1T＝525mm，L2T＝450mm；一半夹紧长度为L1＝L1T-L0/2＝500mm；L2＝L2T-L0/2＝425mm。第一级副簧的片数n1＝1，厚度hA11＝8mm，一半作用长度为LA11T＝350mm，一半夹紧长度为LA11＝LA11T-L0/2＝325mm。第二级副簧的片数n2＝1,厚度hA21＝13mm，一半作用长度为LA21T＝250mm，一半夹紧长度为LA21＝LA11T-L0/2＝225mm。第三级副簧的片数n3＝1，厚度hA31＝13mm，一半作用长度为LA31T＝150mm，一半夹紧长度为LA31＝LA31T-L0/2＝125mm。空载载荷P0＝1715N，额定载荷PN＝7227N。根据板簧的结构参数，许用应力，空载载荷和额定载荷，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计。
本发明实例所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其匹配设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：
(1)主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度hMe、hMA1e、hMA2e和hMA3e的计算：
I步骤：主簧根部重叠部分的等效厚度hMe的计算
根据主簧片数n＝2,各片主簧的厚度h1＝h2＝8mm，对主簧根部重叠部分的等效厚度hMe进行计算，即
II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e的计算
根据第一级副簧的片数n1＝1，厚度hA11＝8mm，及I步骤中计算得到的hMe＝10.1mm，主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e进行计算，即
III步骤：主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e的计算
根据第二级副簧的片数n2＝1，厚度hA21＝13mm，及II步骤中计算得到的hMA1e＝11.5mm，对主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e进行计算，即
IV步骤：主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e的计算
根据第三级副簧的片数n3＝1，厚度hA31＝13mm，及III步骤中计算得到的hMA2e＝15.5mm，对主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e进行计算，即
(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷Pk1的匹配设计：
A步骤：主簧的最大厚度板簧的厚度hmax的确定
根据主簧片数n＝2，各片主簧的厚度h1＝h2＝8mm，确定主簧的最大厚度板簧的厚度hmax，即
hmax＝max(hi)＝8mm,i＝1,2,…,n；
B步骤：最大第1次开始接触载荷Pk1max的计算
根据渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝600MPa，额定载荷PN＝7227N；主簧首片的一半夹紧长度L1＝500mm，A步骤中确定的hmax＝8mm，及(1)步骤中计算得到的hMe＝10.1mm、hMA1e＝11.5mm、hMA2e＝15.5mm和hMA3e＝18.1mm，以最大第1次开始接触载荷Pk1max为参变量，建立关于非等偏频型三级渐变刚度板簧的最大第1次开始接触载荷Pk1max的数学模型，即
利用Matlab计算程序，求解上述关于Pk1max的数学模型，便可得到该非等偏频型三级渐变刚度板簧的最大第1次开始接触载荷Pk1max＝1875N；
C步骤：第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计
根据空载载荷P0＝1715N，及B步骤计算得到的Pk1max＝1875N，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计，即
Pk1＝P0+0.618(Pk1max-P0)＝1814N。
(3)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3的匹配设计：
根据额定载荷PN＝7227N，及C步骤中计算得到的Pk1＝1814N，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3进行匹配设计，即
(4)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷Pk2的匹配设计：
根据步骤(2)的C步骤中设计得到的Pk1＝1814N，步骤(3)中设计得到的Pw3＝3621N，对第2次开始接触载荷Pk2进行匹配设计，即
(5)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷Pk3的匹配设计：
根据步骤(4)中设计得到的Pk2＝2563N，步骤(3)中设计得到的Pw3＝3621N，对第3次开始接触载荷Pk3进行匹配设计，即
可知，该非等偏频型三级渐变刚度板簧的空载载荷P0、额定载荷PN、及匹配设计所得到的各次接触载荷的Pk1、Pk2、Pk3和Pw3的具体匹配设计值，如下表1所示。
表1该非等偏频型三级渐变刚度板簧所受载荷及各级接触载荷的匹配设计值
通过对样机加载挠度试验可知，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法是正确的，为非等偏频型三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。利用该方法可得到可靠的各次接触载荷匹配设计值，不仅满足悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，而且满足板簧应力强度的设计要求，提高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.非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，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；通过主簧和各级副簧初始切线弧高及三级渐变间隙，满足板簧接触载荷、渐变复合夹紧刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性安全性的要求，同时，将各级副簧适当提前承担载荷，确保满足主簧应力强度及车辆行驶安全性的要求，即非等偏频型三级渐变刚度板簧；根据各片板簧的结构参数，许用应力，空载载荷和额定载荷，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计，具体匹配设计步骤如下：
(1)主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度hMe、hMA1e、hMA2e和hMA3e的计算：
I步骤：主簧根部重叠部分的等效厚度hMe的计算
根据主簧片数n,各片主簧的厚度hi，对主簧根部重叠部分的等效厚度hMe进行计算，即
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II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e的计算
根据第一级副簧的片数n1，第一级副簧各片的厚度hA1j，j＝1,2,…,n1，及I步骤中计算得到的hMe，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA1e进行计算，即
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III步骤：主簧与第一级和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e的计算
根据第二级副簧的片数n2，第二级副簧各片的厚度hA2k，k＝1,2,…,n2，及II步骤中计算得到的hMA1e，对主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度hMA2e进行计算，即
<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mroot> <mrow> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mn>1</mn> <mi>e</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> </munderover> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>2</mn> <mi>k</mi> </mrow> <mn>3</mn> </msubsup> </mrow> <mn>3</mn> </mroot> <mo>;</mo> </mrow>
IV步骤：主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e的计算
根据第三级副簧的片数n3＝1，第三级副簧各片的厚度hA3l，l＝1,2,…,n3，及III步骤中计算得到的hMA2e，对主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hMA3e进行计算，即
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(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷Pk1的匹配设计：
A步骤：主簧最大厚度板簧的厚度hmax的确定
根据主簧片数n，各片主簧的厚度hi，i＝1,2,…,n，确定主簧最大厚度板簧的厚度hmax，即
hmax＝max(hi)，i＝1,2,…,n；
B步骤：最大第1次开始接触载荷Pk1max的计算
根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]，额定载荷PN；主簧首片的一半夹紧长度L1，A步骤中确定的hmax，及(1)步骤中计算得到的hMe、hMA1e、hMA2e和hMA3e，建立最大第1次开始接触载荷Pk1max的数学模型，即
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利用Matlab计算程序，求解上述关于Pk1max的数学模型，便可得到最大第1次开始接触载荷Pk1max；
C步骤：第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计
根据空载载荷P0，及B步骤计算得到的Pk1max，对第1次开始接触载荷Pk1进行优化匹配设计，即
Pk1＝P0+0.618(Pk1max-P0)；
(3)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3的匹配设计：
根据额定载荷PN，及步骤(2)的C步骤中计算得到的Pk1，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷Pw3进行匹配设计，即
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(4)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷Pk2的匹配设计：
根据步骤(2)的C步骤中设计得到的Pk1，步骤(3)中匹配设计得到的Pw3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷Pk2进行匹配设计，即
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(5)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷Pk3的匹配设计：
根据步骤(4)中匹配设计得到的Pk2，步骤(3)中匹配设计得到的Pw3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷Pk3进行匹配设计，即
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