CN106709205A - 两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法 - Google Patents
两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据该渐变刚度钢板弹簧的各片主簧与第一级和第二级副簧的结构参数,弹性模量,初始切线弧高,主簧及主簧与副簧的复合夹紧刚度,在第2次开始接触时主簧挠度、切线弧高及曲率半径计算的基础上,对两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的进行仿真计算。通过实例仿真计算和样机测试可知,本发明所提供的接触载荷的仿真计算法是正确的,为两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的特性仿真奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到可靠接触载荷仿真计算值,可提高产品设计水平和性能及车辆行驶平顺性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆悬架钢板弹簧,特别是两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法。
背景技术
为了提高车辆在额定载荷下的行驶平顺性的设计要求,将原一级渐变刚度板簧的副簧拆分设计为两级副簧,即采用两级副簧式渐变刚度板簧;同时,由于受主簧强度的制约,通常通过主簧初始切线弧高、第一级副簧和第二级副簧初始切线弧高及两级渐变间隙,使副簧适当提前承担载荷,从而降低主簧应力,在接触载荷下的悬架偏频不相等,即两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧,其中,接触载荷不仅影响板簧的应力强度、渐变刚度和挠度,而且影响悬架偏频及车辆行驶平顺性和安全性;同时,还是制约两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧特性仿真验证的关键问题。然而,由于受两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及挠度计算问题的制约,先前一直未能给出两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,因此,不能满足车辆行业快速发展和悬架板簧现代化CAD设计、特性仿真及软件开发的要求。随着车辆行驶速度及对车辆行驶平顺性和安全性要求的不断提高,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、可靠的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,为两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧设计、特性仿真验证、现代化CAD及软件开发奠定可靠的技术基础,满足车辆行业快速发展、车辆行驶安全性及对渐变刚度板簧的设计要求,确保接触载荷满足板簧设计要求,提高两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和可靠性及车辆行驶安全性;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、可靠的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,仿真计算流程如图1所示。两级副簧式非等偏频型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组成。采用两级副簧,主簧与第一级副簧之间和第一级副簧与第二级副簧之间设有两级渐变间隙δMA1和δA12,以提高额定载荷下的车辆行驶平顺性;为了确保满足主簧应力强度设计要求,第一级副簧和第二级副簧适当提前承担载荷,悬架渐变载荷偏频不相等,即将板簧设计为非等偏频型渐变刚度板簧。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,宽度为b,弹性模量为E。主簧1的片数为n,主簧各片的厚度为hi,一半作用长度为LiT,一半夹紧长度Li=LiT-L0/2,i=1,2,…,n。第一级副簧片数为m1,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,…,m1。第二级副簧片数为m2,第二级副簧各片的厚度为hA2k,一半作用长度为LA2kT,一半夹紧长度LA2k=LA2kT-L0/2,k=1,2,…,m2。根据该渐变刚度钢板弹簧的各片主簧与第一级和第二级副簧的结构参数,弹性模量,初始切线弧高设计值,及主簧夹紧刚度及主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度,对该两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的进行验算。
为解决上述技术问题,本发明所提供的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,其特征在于采用以下设计步骤:
(1)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的主簧及各级副簧的曲率半径的计算:
I步骤:主簧末片下表面初始曲率半径RM0b的计算
根据主簧初始切线弧高HgM0,主簧首片的一半夹紧长度L1,主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;对主簧末片下表面的初始曲率半径RM0b进行计算,即
II步骤:第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a的计算
根据第一级副簧首片的一半夹紧长度LA11,第一级副簧初始切线弧高HgA10,对第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a进行计算,即
III步骤:第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b的计算
根据第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1;及II步骤中计算得到的RA10a,对第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b进行计算,即
IV步骤:第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a的计算
根据第二级副簧首片的一半夹紧长度LA21,第二级副簧初始切线弧高HgA20,对第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a进行计算,即
(2)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第1次和第2次开始接触载荷的仿真计算:
A步骤:第1次开始接触载荷Pk1的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b,弹性模量E;主簧首片的一半夹紧长度度L1,主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;步骤(1)中计算得到的RM0b和RA10a,对第1次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMe为主簧根部重叠部分的等效厚度,
B步骤:第2次开始接触载荷Pk2的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b,弹性模量E;主簧首片的一半夹紧长度L1,主簧片数n,主簧各片的厚度hi,i=1,2,…,n;第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1;步骤(1)中计算得到的RM0b和RA10a,及A步骤中仿真计算得到的Pk1,对第2次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度,
(3)第2次开始接触时的第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算:
i步骤:第一级渐变夹紧刚度Kkwp1的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2,对载荷P∈[Pk1,Pk1]时的第一级渐变夹紧刚度KkwP1进行仿真计算,即
ii步骤:第2次开始接触时的主簧挠度fMk2的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2;及i步骤仿真计算所得到的KkwP1,对第2次开始接触时的主簧挠度fMk2进行仿真计算,即
式中,A1,A2和C1为所定义的第一级渐变挠度计算的中间参数,其中,
iii步骤:第2次开始接触时主簧切线弧高HgMk2的仿真计算
根据主簧初始切线弧高HgM0,ii步骤中仿真计算得到的fMk2,对第2次开始接触时的主簧切线弧高HgMk2进行仿真计算,即
HgMk2=HgM0-fMk2;
iv步骤:第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算
根据主簧首片的一半夹紧长度L1;主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1,及iii步骤中计算得到的HgMk2,对第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b进行仿真计算,即
(4)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷Pw2的仿真计算:
根据步骤(1)的IV步骤中计算得到的RA20a,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2及hMA1e,步骤(3)的iv步骤中仿真计算得到的RA1k2b,对第2次完全接触载荷Pw2进行仿真验算,即
本发明比现有技术具有的优点
由于受两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及挠度计算问题的制约,先前一直未能给出两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,因此,不能满足车辆行业快速发展和悬架板簧现代化CAD设计、特性仿真及软件开发的要求。本发明可根据该渐变刚度钢板弹簧的各片主簧与第一级和第二级副簧的结构参数,弹性模量,初始切线弧高设计值,主簧夹紧刚度及主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度,在第2次开始接触时主簧挠度、切线弧高及曲率半径计算的基础上,利用载荷与曲率变形、切线弧高及挠度之间的关系,对两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的各次接触载荷的进行仿真计算。通过实例仿真计算和样机测试可知,本发明所提供的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法是正确的,为两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的特性仿真计算奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到可靠的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的各次接触载荷仿真计算值,确保接触载荷满足板簧设计要求,提高两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧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是两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算流程图;
图2是两级副簧式非等偏频型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:某两级副簧式非等偏频型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片,主簧各片的厚度h1=h2=h3=8mm,一半作用长度分别为L1T=525mm,L2T=450mm,L3T=350mm;主簧各片的一半夹紧长度分别为L1=L1T-L0/2=500mm,L2=L2T-L0/2=425mm,L3=L3T-L0/2=325mm。第一级副簧片数m1=1片,第一级副簧的厚度hA11=13mm,一半作用长度为LA11T=250mm,一半夹紧长度为LA11=LA11T-L0/2=225mm。第二级副簧片数m2=1,第二级副簧的厚度hA21=13mm,一半作用长度为LA21T=150mm,一半夹紧长度为LA21=LA21T-L0/2=125mm。主簧夹紧刚度KM=75.4N/mm,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1=144.5N/mm。主簧初始切线弧高HgM0=85.3mm,第一级副簧初始切线弧高HgA10=9.1mm,第二级副簧初始切线弧高HgA20=2.4mm。根据各片主簧与第一级和第二级副簧的结构参数,弹性模量,初始切线弧高设计值,主簧夹紧刚度,及主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度,对该两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的进行仿真计算。
本发明实例所提供的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,其仿真计算流程如图1所示,具体仿真计算步骤如下:
(1)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的主簧及各级副簧的曲率半径的计算:
I步骤:主簧末片下表面初始曲率半径RM0b的计算
根据主簧初始切线弧高HgM0=85.3mm,主簧首片的一半夹紧长度L1=500mm,主簧片数n=3,主簧各片的厚度h1=h2=h3=8mm,对主簧末片下表面初始曲率半径RM0b进行计算,即
II步骤:第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a的计算
根据第一级副簧首片的一半夹紧长度LA11=225mm,第一级副簧初始切线弧高HgA10=9.1mm,对第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a进行计算,即
III步骤:第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b的计算
根据第一级副簧片数m1=1,厚度hA11=13mm,及II步骤中计算得到的RA10a=2786.1mm,对第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b进行计算,即
IV步骤:第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a的计算
根据第二级副簧首片的一半夹紧长度LA21=125mm,第二级副簧初始切线弧高HgA20=2.4mm,对第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a进行计算,即
(2)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第1次和第2次开始接触载荷Pk1和Pk2的仿真计算:
A步骤:第1次开始接触载荷Pk1的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b=63mm,弹性模量E=200GPa;主簧首片的一半夹紧跨长度L1=500mm,主簧片数n=3,各片主簧的厚度h1=h2=h3=8mm,步骤(1)的I步骤中计算得到的RM0b=1532.1mm,II中计算得到的RA10a=2786.1mm,对第1次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMe为主簧根部重叠部分的等效厚度,
B步骤:第2次开始接触载荷Pk2的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b=63mm,弹性模量E=200GPa;主簧首片的一半夹紧跨长度L1=500mm,主簧片数n=3,主簧各片的厚度h1=h2=h3=8mm;第一级副簧片数m1=1,第一级副簧的厚度hA11=13mm;步骤(1)的I步骤中计算得到的RM0b=1532.1mm,II步骤中计算得到的RA10a=2786.1mm,及A步骤中仿真计算得到的Pk1=1895N,对第2次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分等效厚度,
(3)第2次开始接触时的第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算:
i步骤:第一级渐变夹紧刚度Kkwp1的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM=75.4N/mm,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1=144.5N/mm,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1=1895N和Pk2=2677N,对载荷P∈[Pk1,Pk1]时的第一级渐变夹紧刚度KkwP1进行仿真计算,即
ii步骤:第2次开始接触时主簧挠度fMk2的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM=75.4N/mm,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1=144.5N/mm,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1=1895N和Pk2=2677N;及i步骤中所得到的KkwP1,对第2次开始接触时主簧挠度fMk2进行仿真计算,即
式中,
iii步骤:第2次开始接触时主簧切线弧高HgMk2的仿真计算
根据主簧初始切线弧高HgM0=85.3mm,ii步骤中计算得到的fMk2=32.5mm,对第2次开始接触时主簧切线弧高HgMk2进行仿真计算,即
HgMk2=HgM0-fMk2=52.8mm;
iv步骤:第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算
根据主簧首片的一半夹紧长度L1=500mm;主簧片数n=3,各片主簧的厚度hi=8mm,i=1,2,…,n;第一级副簧片数m1=1,厚度hA11=13mm,iii步骤中计算得到的HgMk2=52.8mm,对第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b进行仿真计算,即
(4)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷Pw2的仿真计算:
根据步骤(1)的IV步骤中计算得到的RA20a=3256.4mm,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1=1895N和Pk2=2677N及hMA1e=15.5mm;步骤(3)的iv步骤中仿真计算得到的RA1k2b=2406.8mm,对第2次完全接触载荷Pw2进行仿真验算,即
将接触载荷的仿真计算值与设计要求值比较可知,仿真计算所得到的第1次开始接触载荷Pk1=1895N,第2次开始接触载荷Pk2=2677N,第2次完全接触载荷Pw2=3798N,分别与设计要求值相吻合,其中,最大相对偏差仅为2.7%;同时,通过样机加载挠度试验可知,各次接触载荷的仿真计算值,与试验测试值相吻合,表明本发明所提供的两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法是正确的,为两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的特性仿真计算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仿真计算值,提高产品设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性,同时;降低设计及试验费用,加快产品开发速度。
Claims (1)
1.两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算法,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;将副簧设计为两级副簧,通过主簧和各级副簧的初始切线弧高及两级渐变间隙,提高车辆在额定载荷下的行驶平顺性;为了确保满足主簧应力强度设计要求,使第一级副簧和第二级副簧适当提前承担载荷,悬架在渐变载荷下的偏频不相等,即非等偏频型渐变刚度板簧;根据各片板簧的结构参数,弹性模量,主簧夹紧刚度、主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度,及初始切线弧高,对两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧接触载荷的进行仿真计算,具体仿真计算步骤如下:
(1)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的主簧及各级副簧的曲率半径的计算:
I步骤:主簧末片下表面初始曲率半径RM0b的计算
根据主簧初始切线弧高HgM0,主簧首片的一半夹紧长度L1,主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;对主簧末片下表面的初始曲率半径RM0b进行计算,即
II步骤:第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a的计算
根据第一级副簧首片的一半夹紧长度LA11,第一级副簧初始切线弧高HgA10,对第一级副簧首片上表面初始曲率半径RA10a进行计算,即
III步骤:第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b的计算
根据第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1;及II步骤中计算得到的RA10a,对第一级副簧首片下表面初始曲率半径RA10b进行计算,即
IV步骤:第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a的计算
根据第二级副簧首片的一半夹紧长度LA21,第二级副簧初始切线弧高HgA20,对第二级副簧首片上表面初始曲率半径RA20a进行计算,即
(2)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第1次和第2次开始接触载荷的仿真计算:
A步骤:第1次开始接触载荷Pk1的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b,弹性模量E;主簧首片的一半夹紧长度度L1,主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;步骤(1)中计算得到的RM0b和RA10a,对第1次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMe为主簧根部重叠部分的等效厚度,
B步骤:第2次开始接触载荷Pk2的仿真计算
根据两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的宽度b,弹性模量E;主簧首片的一半夹紧长度L1,主簧片数n,主簧各片的厚度hi,i=1,2,…,n;第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1;步骤(1)中计算得到的RM0b和RA10a,及A步骤中仿真计算得到的Pk1,对第2次开始接触载荷Pk1进行仿真计算,即
式中,hMA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度,
(3)第2次开始接触时的第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算:
i步骤:第一级渐变夹紧刚度Kkwp1的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2,对载荷P∈[Pk1,Pk1]时的第一级渐变夹紧刚度KkwP1进行仿真计算,即
ii步骤:第2次开始接触时的主簧挠度fMk2的仿真计算
根据主簧夹紧刚度KM,主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2;及i步骤仿真计算所得到的KkwP1,对第2次开始接触时的主簧挠度fMk2进行仿真计算,即
式中,A1,A2和C1为所定义的第一级渐变挠度计算的中间参数,其中,
iii步骤:第2次开始接触时主簧切线弧高HgMk2的仿真计算
根据主簧初始切线弧高HgM0,ii步骤中仿真计算得到的fMk2,对第2次开始接触时的主簧切线弧高HgMk2进行仿真计算,即
HgMk2=HgM0-fMk2;
iv步骤:第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b的仿真计算
根据主簧首片的一半夹紧长度L1;主簧片数n,各片主簧的厚度hi,i=1,2,…,n;第一级副簧片数m1,第一级副簧各片的厚度hA1j,j=1,2,…,m1,及iii步骤中计算得到的HgMk2,对第2次开始接触时第一级副簧末片下表面曲率半径RA1k2b进行仿真计算,即
(4)两级副簧式非等偏频型渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷Pw2的仿真计算:
根据步骤(1)的IV步骤中计算得到的RA20a,步骤(2)中仿真计算得到的Pk1和Pk2及hMA1e,步骤(3)的iv步骤中仿真计算得到的RA1k2b,对第2次完全接触载荷Pw2进行仿真验算,即
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