CN106777803B - 高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，属于车辆悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片主簧和副簧的结构参数，弹性模量，主簧初始切线弧高设计值，第一级副簧和第二级副簧的初始弧高设计值，利用接触载荷与主副簧挠度、曲率半径和初始切线弧高之间关系，对等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷进行仿真计算。通过验证值与设计要求值和样机试验测试值比较可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法是正确的。利用该方法可得到准确可靠的接触载荷的仿真计算值，从而提高产品的设计水平、质量和性能；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

Description

高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法。

背景技术

随着高强度钢板材料的出现，车辆悬架可采用高强度两级渐变刚度板簧，从而进一步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，渐变刚度板簧的接触载荷影响板簧应力主簧和副簧的应力大、渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性，而且还制约着对给定设计结构的高强度两级渐变刚度板簧的挠度、刚度、应力等特性仿真验证。然而，由于主簧与一级副簧和二级副簧的渐变接触过程中，接触长度和渐变刚度都随载荷而变化，高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度计算非常复杂，且接触载荷的仿真计算与在一定载荷下的板簧的挠度、切线弧高和曲率半径计算有关，因此，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对高强度两级渐变刚度板簧悬架系统设计提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及其对高强度两级渐变刚度板簧的设计及特性仿真的要求，提高产品的设计水平、质量及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。

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、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，设计流程图，如图1所示。等偏频两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，各片板簧的以中心栓穿装孔为中心的对称结构，其安装夹紧距的一半L₀为骑马螺栓夹紧距的一半L₀；高强度两级渐变刚度板簧的的一半对称结构如图2所示，由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3构成，其中，主簧1的片数为n，主簧各片的厚度为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。第一级副簧2的片数为m₁，第一级副簧各片的厚度为h_A1j，一半作用长度为L_A1jT，一半夹紧长度为L_A1j＝L_AjT-L₀/2，j＝1,2,…,m₁。第二级副簧3的片数为m₂，第二级副簧各片的厚度为h_A2k，一半作用长度为L_A2kT，一半夹紧长度为L_A2k＝L_A2kT-L₀/2，k＝1,2,…,m₂。在主簧末片下表面与第一级副簧首片上表面之间的第一级渐变间隙，在第一级副簧末片下表面与第二级副簧首片上表面之间的第二级渐变间隙。主簧、第一级副簧和第二级副簧设有初始切线弧高H_gM0、H_gA10和H_gA20，确保第一级渐变间隙和第二级渐变间隙满足第1次开始接触载荷、第2次开始接触载荷和第2次完全接触载荷和悬架等渐变偏频的设计要求。；根据各片板簧的结构参数，弹性模量，主簧初始切线弧高，第一级副簧和第二级副簧的初始弧高设计值，利用接触载荷与挠度、弧高及曲率半径之间关系，对等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷进行仿真计算。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，其特征在于采用以下仿真计算步骤：

(1)高强度两级渐变刚度板簧的第一级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

I步骤：主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b的计算

根据主簧初始切线弧高H_gM0，主簧的片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n，主簧首片的一半夹紧长度L₁，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行仿真计算，即

II步骤：第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a的仿真计算

根据第一级副簧首片的一半夹紧长度L_A11，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10，确定第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a，即

(2)高强度两级渐变刚度板簧的第二级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

A步骤：第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b的仿真计算

根据第一级副簧的片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…m₁，及步骤(1)的II步骤中仿真计算所得到的R_A10a，对第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b进行仿真计算，即

B步骤：第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a的仿真计算

根据第二级副簧首片的一半夹紧长度L_A21，第二级副簧的初始切线弧高H_gA20，对第二级副簧首片上表曲率半径R_A20a进行仿真计算，即

(3)高强度两级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1的仿真计算：

根据高强度两级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，主簧的片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n，步骤(1)的I步骤中仿真计算得到的R_M0b，II步骤中仿真计算得到的R_A10a，对第1次开始接触载荷P_k1进行仿真计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(4)高强度两级渐变刚度板簧的第2次开始P_k2的仿真计算：

根据高强度两级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；第一级副簧的片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,m₁，步骤(2)中仿真计算所得到的R_A10b和R_A20a，步骤(3)中所得到的P_k1和h_Me，对第2次开始P_k2进行仿真计算，即

式中，h_MA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度，

(5)高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2的仿真计算：

根据主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1，主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2，步骤(4)中仿真计算得到的P_k2，对高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2进行仿真计算，即

本发明比现有技术具有的优点

由于主簧与一级副簧和二级副簧的渐变接触过程中，接触长度和渐变刚度都随载荷而变化，主簧挠度不仅与主簧和一级副簧及二级副簧的结构参数有关，而且还与各次接触载荷有关，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法。本发明可根据主簧各片和副簧的结构参数，弹性模量，主簧初始切线弧高，第一级和第二级副簧初始弧高设计值，对高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷进行仿真计算。通过样机试验可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法是正确的，为高强度两级渐变刚度板簧特性仿真提供了可靠的技术基础。利用该方法可得到准确可靠的接触载荷验算值，确保板簧接触载荷满足设计要求，提高产品的设计水平、质量及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是高强度两级渐变刚度板簧接触载荷的仿真计算程图；

图2是高强度两级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：某高强度两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。主副簧的总片数为N＝5，其中，主簧的片数n＝2片，主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm，主簧各片的一半作用长度分别为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm；一半夹紧长度分别为L₁＝L_1T-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2T-L₀/2＝425mm；主簧的初始切线弧高H_gM0＝112.2mm。第一级副簧的片数m₁＝1片，厚度h_A11＝11mm，一半作用长度为L_A11T＝360mm，一半夹紧长度L_A11＝L_A11T-L₀/2＝335mm；第一级副簧的初始切线弧高H_gA10＝22.8mm。第二级副簧的片数m₂＝2片，第二级副簧各片的厚度h_A21＝h_A22＝11mm，一半作用长度分别为L_A21T＝250mm，L_A22T＝155mm；一半夹紧长度分别为L_A21＝L_A21T-L₀/2＝225mm，L_A22＝L_A22T-L₀/2＝130mm；第二级副簧的初始切线弧高H_gA20＝4.4mm。主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm，主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1＝112.56N/mm，主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2＝181.86N/mm。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，主簧初始切线弧高，第一级副簧和第二级副簧的初始弧高设计值，对该等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷进行仿真计算。

本发明实例所提供的高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，其仿真计算流程如图1所示，具体仿真计算步骤如下：

(1)高强度两级渐变刚度板簧的第一级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

I步骤：主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b的仿真计算

根据主簧初始切线弧高H_gM0＝112.2mm，主簧的片数n＝2，主簧各片的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行仿真计算，即

II步骤：第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a的仿真计算

根据第一级副簧首片的一半夹紧长度L_A11＝335mm，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10＝22.8mm，对第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a进行仿真计算，即

(2)高强度两级渐变刚度板簧的第二级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

A步骤：第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b的仿真计算

根据第一级副簧的片数m₁＝1，厚度h_A11＝11mm，及步骤(1)的II步骤中仿真计算所得到的R_A10a＝2786.1mm，对第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b进行仿真计算，即

R_A10b＝R_A10a+h_A11＝2483.5mm；

B步骤：第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a的仿真计算

根据第二级副簧首片的一半夹紧长度L_A21＝225mm，第二级副簧的初始切线弧高H_gA20＝4.4mm，对第二级副簧首片上表曲率半径R_A20a进行仿真计算，即

(3)高强度两级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1的仿真计算：

根据该高强度两级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长度L₁＝500mm，主簧的片数n＝2，主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm，步骤(1)的I步骤中仿真计算得到的R_M0b＝1186mm，II步骤中仿真计算得到的R_A10a＝2472.5mm，对第1次开始接触载荷P_k1进行仿真计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(4)高强度两级渐变刚度板簧的第2次开始P_k2的仿真计算：

根据该高强度两级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长度L₁＝500mm；第一级副簧的片数m₁＝1，第一级副簧的厚度h_A11＝11mm，步骤(2)的A步骤中计算所得到的R_A10b＝2483.5mm，B步骤中计算得到的R_A20a＝5755mm，步骤(3)中所得到的P_k1＝1886.3N和h_Me＝10.1mm，对第2次开始P_k2进行仿真计算，即

式中，h_MA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度，

(5)高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2的仿真计算：

根据主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1＝112.56N/mm，主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2＝181.86N/mm，步骤(4)中仿真计算得到的P_k2＝4150.3N，对该高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2进行仿真计算，即

通过仿真计算值与设计要求值和样机试验测试值比较可知，第1次开始接触载荷、第2次开始接触载荷P_k2和第2次完全接触载荷P_w2的验算值分别为P_k1＝1886.3N、P_k2＝4150.3N、P_w2＝6705.7N，与设计值P_k1＝1888N、P_k2＝4133N、P_w2＝6678N相吻合，绝对偏差分别为-1.7N、+17.3N、+27.7N，结果说明该等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧的各级弧高设计值是可靠的，可满足悬架等渐变偏频的设计要求。

通过样机试验可知，表明本发明所提供的等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧接触载荷的验算方法是正确的，为等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧特性的仿真计算奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可得到准确可靠的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.高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷的仿真计算方法，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；板簧由主簧和两级副簧构成，通过主簧和两级副簧的初始切线弧高及两级渐变间隙，确保板簧满足接触载荷、渐变刚度和悬架偏频保持不变的要求，即等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧；根据各片板簧的结构参数，弹性模量，主簧初始切线弧高设计值，第一级副簧和第二级副簧的初始弧高设计值，对等渐变偏频高强度两级渐变刚度板簧的接触载荷进行仿真计算，具体仿真计算步骤如下：

(1)高强度两级渐变刚度板簧的第一级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

I步骤：主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b的计算

根据主簧初始切线弧高H_gM0，主簧的片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n，主簧首片的一半夹紧长度L₁，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行仿真计算，即

II步骤：第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a的仿真计算

根据第一级副簧首片的一半夹紧长度L_A11，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10，确定第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a，即

(2)高强度两级渐变刚度板簧的第二级渐变间隙上、下表面初始曲率半径的仿真计算：

A步骤：第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b的仿真计算

根据第一级副簧的片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…m₁，及步骤(1)的II步骤中仿真计算所得到的R_A10a，对第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b进行仿真计算，即

B步骤：第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a的仿真计算

根据第二级副簧首片的一半夹紧长度L_A21，第二级副簧的初始切线弧高H_gA20，对第二级副簧首片上表曲率半径R_A20a进行仿真计算，即

(3)高强度两级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1的仿真计算：

根据高强度两级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，主簧的片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n，步骤(1)的I步骤中仿真计算得到的R_M0b，II步骤中仿真计算得到的R_A10a，对第1次开始接触载荷P_k1进行仿真计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(4)高强度两级渐变刚度板簧的第2次开始P_k2的仿真计算：

根据高强度两级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；第一级副簧的片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,m₁，步骤(2)中仿真计算所得到的R_A10b和R_A20a，步骤(3)中所得到的P_k1和h_Me，对第2次开始P_k2进行仿真计算，即

式中，h_MA1e为主簧和第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度，

(5)高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2的仿真计算：

根据主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1，主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2，步骤(4)中仿真计算得到的P_k2，对高强度两级渐变刚度板簧的第2次完全接触载荷P_w2进行仿真计算，即