CN106763382A - 高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据主簧结构参数、首片副簧长度、弹性模量、主簧加紧刚度、主副簧复合加紧刚度、接触载荷、额定载荷及额定载荷下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副簧间隙进行设计。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间隙的设计方法是正确的，可得到准确可靠的主副簧间隙设计值，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的主副簧间隙的设计方法

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的主副簧间隙的设计方法。

背景技术

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，以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，其中，高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙，不仅影响开始接触载荷和完全接触载荷的大小，而且还影响主副簧的渐变复合夹紧刚度及车辆行驶平顺性。然而，由于在主副簧渐变接触过程中，高强度一级渐变刚度板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的主副簧间隙的设计方法。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的主副簧间隙的设计方法，为高强度一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、车辆行驶平顺性对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的主副簧间隙的设计方法，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。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，其大小是由主簧初始切线弧高与副簧初始切线弧高所决定的。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的主副簧间隙，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及车辆行驶平顺性。在各片主簧的结构参数、首片副簧的一半夹紧长度，弹性模量、主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、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的主副簧间隙进行设计。

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的主副簧间隙的设计方法，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，主副簧复合夹紧刚度K_MA，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的确定：

根据开始接触载荷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，额定载荷下的剩余切线弧高H_gMsy，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进行确定，即

(3)高强度一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0的确定：

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；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；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_A0进行计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

C步骤：副簧初始切线弧高H_gA0的确定

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

(4)末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend计算：

I步骤：基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(2)中计算得到的H_gM0，对基于初始切线弧高的首片主簧的等效端点力F_M1e进行计算，即

II步骤：末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，一半夹紧长度L₁；首片副簧的一半夹紧长度L_A1，及I步骤中计算得到的F_M1e，对末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend进行计算，即

式中，为末片主簧在对应首片副簧端点位置的变形系数，

(5)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA的设计：

根据步骤(4)的II步骤中计算得到的H_M-Aend，步骤(3)的C步骤中计算得到的H_gA0，对高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA进行设计，即

δ_MA＝H_M-Aend-H_gA0。

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的主副簧间隙的设计方法。本发明可根据高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧结构参数、首片副簧的一半夹紧距、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弧高设计要求值，对高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙进行设计。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的主副簧间隙的设计方法是正确的，可得到准确可靠的主副簧间隙设计值，为高强度一级渐变刚度板簧设计提供了可靠的技术方法，为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的主副簧间隙的设计流程图；

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随载荷的变化曲线；

图4是实施例的高强度一级渐变刚度板簧的末片主簧下表面曲面、首片副簧上表面曲面、及主副簧间隙δ_MA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，末片主簧的一半作用长度分别为L_2t＝450mm，一半夹紧长度分别为L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm。副簧片数m＝3片，各片副簧厚度h_A1＝h_A2＝h_A3＝11mm，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。根据各片主簧的结构参数，弹性模量，主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，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，对该高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA进行设计。

本发明实例所提供的高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，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，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝178.62N/mm，对该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的确定：

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，在额定载荷下的剩余弧高的设计要求值为H_gMsy＝26mm，及步骤(1)中所建立的渐变复合夹紧刚度对该高强度一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0进行确定，即

(3)高强度一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0的确定：

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,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(2)中设计得到的H_gM0＝87.3mm，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_A10a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h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，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为主簧根部重叠部分的等效厚度，

C步骤：副簧初始切线弧高H_gA0的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝325mm，B步骤中计算得到的R_A0a＝2457.1mm，对副簧初始切线弧高H_gA0进行确定，即

(4)末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend计算：

I步骤：基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e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；首片主簧的厚度h₁＝8mm，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(2)中计算得到的H_gM0＝111mm，对基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e进行计算，即

II步骤：末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend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；首片主簧的厚度h₁＝8mm，一半夹紧长度L₁＝500mm；首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝325mm，及I步骤中计算得到的F_M1e＝1126.2N，对末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend进行计算，即

式中，为末片主簧在对应首片副簧端点位置的变形系数，

(5)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA的设计：

根据步骤(4)中计算得到的H_M-Aend＝55.1mm，及步骤(3)中计算得到的H_gA0＝21.6mm，对该高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA进行设计，即

δ_MA＝H_M-Aend-H_gA0＝33.5mm。

利用Matlab计算程序，根据末片主簧的一半夹紧长度L₂＝425mm，仿真计算所得到末片主簧下表面曲面、首片副簧上表面曲面及主副簧间隙δ_MA，如图4所示，其中，H_gM20为末片主簧即第2片主簧下表面曲面的切线弧高，H_gM20＝86.2mm。

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间隙设计值是可靠的，可满足开始接触载荷、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的主副簧间隙的设计方法是正确的。利用该方法可得到准确可靠的高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计值，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.高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，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，确保满足板簧接触载荷、渐变刚度及在渐变载荷下的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；根据主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、各片主簧的结构参数、首片副簧的一半夹紧长度、弹性模量、接触载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余弧高，对高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙进行设计，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，主副簧复合夹紧刚度K_MA，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的确定：

根据开始接触载荷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，额定载荷下的剩余切线弧高H_gMsy，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进行确定，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副簧初始切线弧高H_gA0的确定：

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；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；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_A0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，

C步骤：副簧初始切线弧高H_gA0的确定

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

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

(4)末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend计算：

I步骤：基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(2)中计算得到的H_gM0，对基于初始切线弧高的首片主簧的等效端点力F_M1e进行计算，即

$F_{M1e}=\frac{h_1^3{\mathrm{bEH}}_{gM0}}{4L_1^3};$

II步骤：末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，一半夹紧长度L₁；首片副簧的一半夹紧长度L_A1，及I步骤中计算得到的F_M1e，对末片主簧在对应首片副簧端点位置的曲面高度H_M-Aend进行计算，即

$H_{M-Aend}=G_{{\mathrm{ML}}_A}\frac{F_{M1e}}{h_1^3};$

式中，为末片主簧在对应首片副簧端点位置的变形系数，

$G_{{\mathrm{ML}}_A}=\frac{2\[{(L_1-L_{A1})}^3-3L_1^2(L_1-L_{A1})+2L_1^3\]}{Eb};$

(5)高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA的设计：

根据步骤(4)的II步骤中计算得到的H_M-Aend，步骤(3)的C步骤中计算得到的H_gA0，对高强度一级渐变刚度板簧的主副簧间隙δ_MA进行设计，即

δ_MA＝H_M-Aend-H_gA0。