CN106763383A - 高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据所设计的高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧和副簧结构参数，弹性模量，额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，在主簧初始切线弧高设计及首片主簧曲面形状计算的基础上，通过将首片主簧曲面划分成为多个微曲面单元，利用叠加原理，对各片主簧下料长度进行精确设计。通过样机下料加工试验可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法是正确的。利用该方法可得到精确的各片主簧下料长度设计值，不仅节省材料，提高经济效益，而且还可提高生产效率，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Description

高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法。

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给定初始切线弧高下的曲面，既不是圆形曲面，也不是斜线曲面，更不是抛物线曲面，而是三次曲面，因此，根据各片主簧跨度大小，对各片主簧的下料长度进行设计，采用传统的设计方法很难得到精确下料长度设计值，不仅影响生产效率，而且还影响材料的利用率和经济效益。然而，由于在渐变过程中的板簧挠度、渐变夹紧刚度及曲面形状计算非常复杂，并且还受重叠部分等效厚度计算、主簧夹紧刚度和主副簧复合夹紧刚度计算等关键问题的制约，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各片主簧下料长度的设计方法。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各片主簧下料长度的设计方法，满足车辆行业快速发展及高强度一级渐变刚度板簧的现代化CAD设计要求，并通过板簧下料长度的精确设计，提高生产效率，降低材料浪费，提高产品设计水平、质量和性能及企业经济效益；同时，还可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各片主簧下料长度的设计方法，设计流程图，如图1所示。高强度一级渐变刚度板簧的各片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。根据所设计的高强度一级渐变刚度板簧的各片板簧的结构参数，弹性模量，首片主簧两端吊耳的中径，主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、额定载荷P_N及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对高强度一级渐变刚度板簧的首片主簧的下料长度和其他各片主簧的下料长度进行设计。

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各片主簧下料长度的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)在载荷P∈[P_k,P_w]范围内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，及在额定载荷P_N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首片主簧下料长度的设计：

A步骤：首片主簧的等效端点力F_1e的计算

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)中所确定的H_gM0，对基于初始切线弧高的首片主簧的等效端点力F_1e进行计算，即

B步骤：首片主簧在任意位置处的变形系数G_Mx的计算

根据高强度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，以距离板簧对称中心L₀/2的位置为坐标原点，对首片主簧在任意位置x处的变形系数G_Mx进行计算，即

C步骤：首片主簧初始曲面形状f_Mx的计算

根据首片主簧的厚度h₁，首片主簧的一半夹紧长度L₁，A步骤中计算得到的F_1e，B步骤中计算得到的G_Mx，对首片主簧初始曲面形状f_Mx进行计算，即

D步骤：首片主簧下料长度L_1C的设计

根据首片主簧的一半夹紧长度L₁，骑马螺栓夹紧距的一半L₀，首片主簧两端吊耳的中径d_e，以ΔL为曲面微元长度，在0～L₁范围内划分为N_c＝L₁/ΔL个曲面微元，依据C步骤计算得到的首片主簧初始曲面形状f_Mx及在任意位置x_j处的曲面高度0≤x_j≤L₁，j＝1,2,…,N_c+1，利用叠加原理对首片主簧的下料长度L_1c进行设计，即

(4)高强度一级渐变刚度板簧的其他各片主簧下料长度的设计：

根据主簧片数n，首片主簧的一半作用长度L_1t，其他n-1片主簧的一半作用长度L_it，及其他n-1片主簧与首片主簧的一半作用长度之差ΔL_1it＝L_1t-L_it，i＝2,..,n，吊耳的中径d_e，步骤(3)中设计得到的L_1C,对其他各片主簧的下料长度进行设计，即

L_iC＝L_1C-2πd_e-2ΔL_1it,i＝2,..,n。

本发明比现有技术具有的优点

由于主副簧渐变接触过程中的挠度计算非常复杂，同时受板簧重叠部分等效厚度计算和初始切线弧高设计和首片主簧曲面形状计算等关键问题的制约，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各片主簧下料长度的设计方法。本发明可根据所设计的高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧和副簧结构参数，弹性模量，主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、额定载荷P_N及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，在主簧初始切线弧高设计及首片主簧曲面形状计算的基础上，通过将首片主簧曲面划分成为多个微曲面单元，利用叠加原理，对高强度一级渐变刚度板簧的首片主簧的下料长度和其他各片主簧的下料长度进行设计。通过样机下料加工试验测试可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法是正确的，为高强度一级渐变刚度板簧的现代化CAD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各片主簧下料长度的设计值，节省材料，改善加工工艺，提高生产效率；同时，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是高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计流程图；

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是实施例的计算得到的高强度一级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷的变化曲线；

图4是实施例的计算得到的高强度一级渐变刚度板簧的首片主簧的变形系数G_Mx曲线；

图5是实施例的计算得到的高强度一级渐变刚度板簧的首片主簧初始曲面形状曲线f_x。

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，各片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm和L_2t＝450mm，第2片主簧与第1片主簧的一半作用长度之差ΔL_12t＝L_1t-L_2t＝75mm；各片主簧的一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm。首片主簧两端吊耳的中径d_e＝60mm。副簧片数m＝3片，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝h_A3＝13mm，一半作用长度分别为L_A1t＝350mm，L_A2t＝250mm，L_A3t＝150mm，一半夹紧长度分别为L_A1＝L_A1t-L₀/2＝325mm，L_A2＝L_A2t-L₀/2＝225mm，L_A3＝L_A3t-L₀/2＝125mm。主副簧的总片数N＝5。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，及在额定载荷下的主簧剩余切线弧高H_gMsy＝26mm。根据各片板簧的结构参数，端部吊耳中径，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，对该高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度进行设计。

本发明实例所提供的高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)在载荷P∈[P_k,P_w]范围内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，计算所得到的该高强度一级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷的变化曲线，如图3所示，其中，当P＝P_k＝1842N时，K_kwP＝K_M＝51.44N/mm；当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P_N下的剩余弧高H_gMsy＝26mm，及步骤(1)中计算得到的K_kwP，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首片主簧下料长度的设计：

A步骤：首片主簧的等效端点力F_1e的计算

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)中所确定的H_gM0＝111mm，对首片主簧的等效端点力F_1e进行计算，即

B步骤：首片主簧在任意位置处的变形系数G_Mx的计算

根据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；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，以距离板簧对称中心L₀/2的位置为坐标原点，对首片主簧在任意位置x处的变形系数G_Mx进行计算，即

利用Matlab计算程序，计算所得到的首片主簧在任意位置x处的变形系数G_Mx曲线，如图4所示，其中，在x＝0位置处的变形系数G_Mx＝0，在x＝L₁＝500mm处的变形系数G_Mx＝G_Mmax＝3.968×10^-11m⁴/N；

C步骤：首片主簧初始曲面形状f_Mx的计算

根据首片主簧的厚度h₁＝8mm，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，A步骤中计算得到的F_1e＝1432.7N，B步骤中计算得到的G_Mx，对首片主簧初始曲面形状f_Mx进行计算，即

利用Matlab计算程序，计算所得到的首片主簧初始曲面形状曲线f_x，如图5所示，其中，端部最大曲面高度f_Mxmax等于主簧初始切线弧高H_gM0，即f_Mxmax＝H_gM0＝111mm；

D步骤：首片主簧的下料长度L_1C设计

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，吊耳的中径d_e＝60mm，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，以ΔL＝5mm为曲面微元长度，在0～L₁范围内划分为N_c＝L₁/ΔL＝100个曲面微元，依据C步骤计算得到的首片主簧初始曲面形状f_Mx及在任意位置x_j处的曲面高度f_Mxj，0≤x_j≤L₁，j＝1,2,…,N_c+1，利用叠加原理对首片主簧的下料长度L_1C进行设计，即

(4)高强度一级渐变刚度板簧的其他各片主簧下料长度的设计：

根据主簧片数n＝2，首片主簧的一半作用长度L_1t＝525mm，第2片主簧的一半作用长度L_2t＝450mm，及第2片主簧与首片主簧的一半作用长度之差ΔL_12t＝L_1t-L_2t＝75mm，吊耳中径d_e＝60mm，步骤(3)的D步骤中设计得到的L_1C＝1456mm,对第2片主簧的下料长度L_2C进行设计，即

L_2C＝L_1C-2πd_e-2ΔL_12t＝929mm。

通过样机下料加工试验测试可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧的主簧各片下料长度的设计方法是正确的，为高强度三级渐变刚度板簧的现代化CAD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各片主簧下料长度的设计值，节省材料，改善加工工艺，提高生产效率；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧下料长度的设计方法，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悬架在不同渐变载荷下的偏频保持不变的设计要求，即等偏频型一级渐变刚度板簧；根据各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高，在初始曲面形状计算的基础上，通过曲面微元及叠加计算，对高强度一级渐变刚度板簧的各片主簧的下料长度进行设计，具体设计步骤如下：

(1)在载荷P∈[P_k,P_w]范围内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，及在额定载荷P_N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

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

(3)高强度一级渐变刚度板簧的首片主簧下料长度的设计：

A步骤：首片主簧的等效端点力F_1e的计算

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)中所确定的H_gM0，对基于初始切线弧高的首片主簧的等效端点力F_1e进行计算，即

$F_{1e}=\frac{{\mathrm{Ebh}}_1^3{H}_{gM0}}{4L_1^3};$

B步骤：首片主簧在任意位置处的变形系数G_Mx的计算

根据高强度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，以距离板簧对称中心L₀/2的位置为坐标原点，对首片主簧在任意位置x处的变形系数G_Mx进行计算，即

$G_{Mx}=\frac{2\&lsqb;{(L_1-x)}^3-3L_1^2(L_1-x)+2L_1^3\&rsqb;}{Eb},0<x\&le;L_1;$

C步骤：首片主簧初始曲面形状f_Mx的计算

根据首片主簧的厚度h₁，首片主簧的一半夹紧长度L₁，A步骤中计算得到的F_1e，B步骤中计算得到的G_Mx，对首片主簧初始曲面形状f_Mx进行计算，即

$f_{Mx}=G_{Mx}\frac{F_{1e}}{h_1^3},0\&le;x\&le;L_1,$

D步骤：首片主簧下料长度L_1C的设计

根据首片主簧的一半夹紧长度L₁，骑马螺栓夹紧距的一半L₀，首片主簧两端吊耳的中径d_e，以ΔL为曲面微元长度，在0～L₁范围内划分为N_c＝L₁/ΔL个曲面微元，依据C步骤计算得到的首片主簧初始曲面形状f_Mx及在任意位置x_j处的曲面高度f_Mxj，0≤x_j≤L₁，j＝1,2,…,N_c+1，利用叠加原理对首片主簧的下料长度L_1c进行设计，即

$L_{1C}=2\underset{j=1}{\overset{N_c}{\&Sigma;}}\sqrt{{\mathrm{\&Delta;L}}^2+{(f_{{\mathrm{Mx}}_{j+1}}-f_{{\mathrm{Mx}}_j})}^2}+2{\mathrm{\&pi;d}}_e+L_0;$

(4)高强度一级渐变刚度板簧的其他各片主簧下料长度的设计：

根据主簧片数n，首片主簧的一半作用长度L_1t，其他n-1片主簧的一半作用长度L_it，及其他n-1片主簧与首片主簧的一半作用长度之差ΔL_1it＝L_1t-L_it，i＝2,..,n，吊耳的中径d_e，步骤(3)中设计得到的L_1C,对其他各片主簧的下料长度进行设计，即

L_iC＝L_1C-2πd_e-2ΔL_1it,i＝2,..,n。