CN106844903A - 非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，属于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、主簧和副簧的初始切线弧高设计值，在接触载荷仿真计算的基础上，对非等偏频一级渐变刚度板簧悬架的挠度特性进行仿真计算。通过实例仿真计算和样机加载挠度试验测试可知，本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法是正确的，为非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧初始切线弧高和主副簧间隙的仿真验证，提供了可靠的技术基础。利用该方法可提产品的设计水平、质量和性能，进一步提高车辆的行驶平顺性；同时，还可以降低设计和试验测试费用，加快产品开发速度。

Description

非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法

技术领域

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法。

背景技术

为了满足一级渐变刚度板簧的主簧强度的要求，通常使副簧尽早起作用承担载荷而降低主簧应力，即采用非等偏频一级渐变刚度板簧，其中，板簧在不同载荷下的挠度特性，不仅影响板簧刚度特性、悬架偏频和车辆行驶平顺性，而且还影响悬架静挠度、动挠度、最大限位行程及车辆行驶安全性；对于给定设计结构的板簧挠度特性的仿真计算，不仅可检验板簧的挠度特性，而且为主簧和副簧的初始切线弧高及主副簧间隙的仿真验证奠定可靠的计算基础。由于受非等偏频一级渐变刚度板簧的主簧挠度和接触载荷仿真计算的制约，先前一直未能给出非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对非等偏频一级渐变刚度板簧提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，为非等偏频一级渐变刚度板簧设计、特性仿真计算及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一级渐变刚度板簧设计的要求，提高非等偏频一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和可靠性，及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低产品设计及试验费用，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、可靠的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，其仿真计算流程图，如图1所示。非等偏频一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1和副簧2所组成的，一级渐变刚度板簧的一半总跨度，即为首片主簧的一半作用长度为L_1t，骑马螺栓夹紧距的一半为L₀，板簧的宽度为b，弹性模量为E。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L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通过主簧和副簧初始切线弧高，确保副簧首片端部上表面与主簧末片端部下表面之间设置有一定的主副簧间隙δ_MA，以满足渐变刚度板簧开始接触载荷和完全接触载荷、主簧应力强度和悬架渐变刚度的设计要求，并且还应该满足板簧安装及在额定载荷下剩余切线弧高的设计要求。非等偏频一级渐变刚度板簧的空载载荷P₀，开始接触载荷为P_k，完全接触载荷为P_w；为了满足主簧应力强度的要求，悬架开始接触载荷偏频f_0k与完全接触载荷偏频f_0w不相等，即设计为非等偏频一级渐变刚度板簧。根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧和副簧的初始切线弧高，额定载荷，在接触载荷仿真计算的基础上，对非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性进行仿真计算。

为解决上述技术问题，本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，其特征在于采用以下仿真计算步骤：

(1)末片主簧下表面和首片副簧上表面的初始曲率半径R_M0b和R_A0a的确定：

I步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧初始切线弧高H_gM0，确定末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b，即

II步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，副簧初始切线弧高H_gA0，确定首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a，即

(2)非等偏频一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧跨长度L₁，步骤(1)中所确定的R_M0b和R_A0a，对渐变刚度板簧开始接触载荷P_k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，

(3)主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

a步骤：完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式的建立

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，步骤(2)中仿真验算所得到的P_k，以完全接触载荷P_w为参变量，建立主副簧完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式，即

式中，A、B和C为所定义的渐变挠度计算的中间变量，

b步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式h_gMw的建立

根据主簧初始切线弧高H_gM0，a步骤中所建立的f_Mw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立在主副簧完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw，即

c步骤：完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，b步骤中所建立的H_gMw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

(4)非等偏频一级渐变刚度板簧的完全接触载荷的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中所确定的R_M0b，步骤(2)中所得到的h_Me和P_k，步骤(3)的c步骤中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触载荷仿真计算数学模型，即

利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到非等偏频一级渐变钢板弹簧的完全接触载荷的仿真计算值P_w。

(5)非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，额定载荷P_N，步骤(2)中仿真计算得到的P_k，步骤(4)中仿真计算得到的P_w，对非等偏频一级渐变刚度板簧在不同载荷下的挠度特性进行仿真计算，即

本发明比现有技术具有的优点

由于受非等偏频一级渐变刚度板簧的主簧挠度计算和接触载荷仿真计算的制约，先前一直未能给出非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。板簧在不同载荷下的挠度特性不仅影响板簧渐变刚度特性、悬架偏频和车辆行驶平顺性，而且还影响悬架静挠度、动挠度、最大限位挠度及车辆行驶平顺性和安全性；对于给定设计结构板簧的挠度特性的仿真计算，可确保板簧挠度特性及刚度特性满足设计要求。本发明可根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧和副簧的初始切线弧高、额定载荷，在接触载荷仿真计算的基础上，对非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性进行仿真计算。通过实例仿真验证和样机加载变形试验测试可知，本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法是正确的，为非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧初始切线弧高和主副簧间隙仿真验证提供了可靠的技术基础。利用该方法可可提产品的设计水平、质量和性能，进一步提高车辆的行驶平顺性；同时，还可以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是非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算流程图；

图2是非等偏频一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的仿真计算得到的非等偏频一级渐变刚度板簧在不同载荷下的挠度特性曲线。

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：某非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；跨度的一半即一半作用长度L_1t＝525mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm。主簧片数n＝3片，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm，L_2t＝450mm，L_3t＝350mm；一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝325mm。副簧片数m＝2片，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm，各片副簧的一半作用长度分别为L_A1t＝250mm，L_A2t＝150mm，一半夹紧长度分别为L_A1＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L_A2t-L₀/2＝125mm。主副簧的总片数N＝n+m＝5，主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧夹紧复合刚度K_MA＝172.9N/mm；主簧初始切线弧高H_gM0＝102mm，副簧初始切线弧高H_gA0＝12mm，额定载荷P_N＝7227N。根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧和副簧的初始切线弧高、额定载荷，对该非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性进行仿真计算。

本发明实例所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，其仿真计算流程如图1所示，具体仿真计算步骤如下：

(1)末片主簧下表面和首片副簧上表面的初始曲率半径R_M0b和R_A0a的确定：

I步骤：末片主簧下表面的初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,3，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，主簧初始切线弧高H_gM0＝102mm，确定末片主簧下表面的初始曲率半径R_M0b，即

II步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝225mm，副簧初始切线弧高H_gA0＝12mm，确定首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a，即

(2)非等偏频一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夹紧跨长度L₁＝500mm，步骤(1)中所确定的R_M0b＝1300.5mm和R_A0a＝2115.4mm，对开始接触载荷P_k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，

(3)主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

a步骤：主副簧完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式的建立

根据主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧夹紧复合刚度K_MA＝172.9N/mm，步骤(2)中仿真计算所得到的P_k＝1911N，以主副簧完全接触载荷P_w为参变量，建立渐变刚度板簧在完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式，即

式中，A、B和C是所定义的渐变挠度计算的中间参数，

b步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式h_gMw的建立

根据主簧初始切线弧高H_gM0＝102mm，a步骤中所建立的f_Mw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触时的主簧切线弧高表达式h_gMw，即

c步骤：完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,3，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，b步骤中所建立的H_gMw，以主副簧完全接触载荷P_w为参变量，建立主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

(4)非等偏频一级渐变刚度板簧的完全接触载荷的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(1)中所确定的R_M0b＝1300.5mm，步骤(2)中所得到的h_Me＝11.5mm和P_k＝1911N，步骤(3)中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立非等偏频一级渐变刚度板簧的完全接触载荷仿真计算数学模型，即

利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到该渐变钢板弹簧的完全接触载荷的仿真计算值P_w＝3834N。通过与实际设计值比较可知，开始接触载荷和完全接触载荷的仿真验算值P_k＝1911N和P_w＝3834N，与实际设计值P_k＝1900N和P_w＝3800N相吻合，绝对偏差分别为11N和34N，相对偏差分别仅为0.58％和0.089％。

(5)非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧夹紧复合刚度K_MA＝172.9N/mm，额定载荷P_N＝7227N，步骤(2)中仿真验算所得到的P_k＝1911N，步骤(4)中仿真计算所得到的P_w＝3843N，对非等偏频一级渐变刚度板簧在不同载荷P下的挠度特性进行仿真计算，即

利用Matlab计算程序，仿真计算所得到的该非等偏频一级渐变刚度板簧在不同载荷下的挠度特性曲线，如图3所示，其中，在开始接触载荷P_k、完全接触载荷P_w和额定载荷P_N下的挠度分别为f_mk＝25.3mm、f_mw＝41.7mm和f_mN＝61.3mm。

通过样机加载挠度试验可知，试验所测得在不同载荷下的挠度值，与计算仿真所得到的相吻合，说明该渐变刚度板簧的主簧切线弧高和副簧切线弧高的设计值是可靠的，表明本发明所提供的一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真验算方法是正确的。利用该方法可得到准确可靠的一级渐变刚度板簧在不同载荷下的挠度仿真计算值，提高渐变刚度板簧的设计水平、质量和性能及提高车辆的行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算法，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；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、主簧应力强度及悬架偏频特性的设计要求，即非等偏频一级渐变刚度板簧；根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧和副簧的初始切线弧高，在接触载荷仿真计算的基础上，对非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性进行仿真计算，具体仿真计算步骤如下：

(1)末片主簧下表面和首片副簧上表面的初始曲率半径R_M0b和R_A0a的确定：

I步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧初始切线弧高H_gM0，确定末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b，即

$R_{M0b}=\frac{L_1^2+H_{gM0}^2}{2H_{gM0}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i;$

II步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，副簧初始切线弧高H_gA0，确定首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a，即

$R_{A0a}=\frac{L_{A1}^2+H_{gA0}^2}{2H_{gA0}};$

(2)非等偏频一级渐变刚度板簧的开始接触载荷P_k的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧跨长度L₁，步骤(1)中所确定的R_M0b和R_A0a，对渐变刚度板簧开始接触载荷P_k进行仿真计算，即

$P_k=\frac{{\mathrm{Ebh}}_{Me}^3(R_{A0a}-R_{M0b})}{6L_1{R}_{M0b}{R}_{A0a}};$

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

(3)主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立：

a步骤：完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式的建立

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，步骤(2)中仿真验算所得到的P_k，以完全接触载荷P_w为参变量，建立主副簧完全接触时的主簧挠度f_Mw表达式，即

$f_{Mw}=f_{Mk}+f_{Mkw}=\frac{P_k}{K_M}+{\∫}_{P_k}^{P_w}\frac{dP}{K_{kwP}}=\frac{P_k}{K_M}+\frac{1}{A}ln\frac{{\mathrm{AP}}_w+B}{{\mathrm{AP}}_K+B};$

式中，A、B和C为所定义的渐变挠度计算的中间变量，B＝-CP_k，

b步骤：完全接触时的主簧切线弧高表达式h_gMw的建立

根据主簧初始切线弧高H_gM0，a步骤中所建立的f_Mw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立在主副簧完全接触时的主簧切线弧高表达式H_gMw，即

$H_{gMw}=H_{gM0}-f_{Mw}=H_{gM0}-\frac{P_k}{K_M}-\frac{1}{A}ln\frac{{\mathrm{AP}}_w+B}{{\mathrm{AP}}_K+B};$

c步骤：完全接触时的末片主簧下表面曲率半径R_Mwb表达式的建立

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，b步骤中所建立的H_gMw，以完全接触载荷P_w为参变量，建立主副簧完全接触时的末片主簧下表面曲率半径表达式R_Mwb，即

$R_{Mwb}=\frac{L_1^2+H_{gMw}^2}{2H_{gMw}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i;$

(4)非等偏频一级渐变刚度板簧的完全接触载荷的仿真计算：

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中所确定的R_M0b，步骤(2)中所得到的h_Me和P_k，步骤(3)的c步骤中所建立的R_Mwb，以完全接触载荷P_w为参变量，建立完全接触载荷仿真计算数学模型，即

$6(P_w-P_k)R_{M0b}{R}_{Mwb}{L}_1-{\mathrm{Ebh}}_{Me}^3(R_{Mwb}-R_{M0b})=0;$

利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到非等偏频一级渐变钢板弹簧的完全接触载荷的仿真计算值P_w。

(5)非等偏频一级渐变刚度板簧的挠度特性的仿真计算：

根据主簧夹紧刚度K_M，主副簧夹紧复合刚度K_MA，额定载荷P_N，步骤(2)中仿真计算得到的P_k，步骤(4)中仿真计算得到的P_w，对非等偏频一级渐变刚度板簧在不同载荷下的挠度特性进行仿真计算，即

$f_M=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P}{K_M},& 0\&le;P<P_k\\ \frac{P_k}{K_M}+\frac{1}{A}\ln \frac{AP+B}{{\mathrm{AP}}_k+B},& P_k\&le;P\&le;P_w\\ \frac{P_k}{K_M}+\frac{1}{A}\ln \frac{{\mathrm{AP}}_w+B}{{\mathrm{AP}}_k+B}+\frac{\left(P-P_w\right)}{K_{MA}},& P_w<P\&le;P_N\end{array}\right..$