CN108194555A - 根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，属于悬架少片变截面板簧技术领域。本发明可根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高及各片板簧预夹紧应力的设计要求值，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高进行设计。通过样机试验可知，本发明所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，为各片板簧自由切线弧高的设计提供了可靠的技术方法。利用该方法可得到准确可靠的各片板簧自由切线弧高的设计值，可提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架少片变截面板簧，特别是根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法。

背景技术

随着汽车节能和轻量化政策的实施，少片变截面板簧因具有重量轻，材料利用率高，片间无摩擦或摩擦小，振动噪声低，使用寿命长等优点，日益受到车辆悬架专家、生产企业及车辆制造企业的高度关注，其中，应用最为广泛的是少片抛物线型变截面板簧。由于首片板簧受力复杂，通常首片板簧的根部平直段厚度，大于其他各片板簧的根部平直段厚度，即根部非等厚少片抛物线型变截面板簧。通常为了满足板簧夹紧刚度特性、提高板簧可靠性和使用寿命的设计要求，通过各片板簧的各自不同自由切线弧高，确保装配夹紧之后的首片板簧的初始切线弧高满足设计要求；同时，使首片板簧或前几片板簧产生一定的预夹紧压应力，从而提高板簧可靠性和使用寿命。因此，必须根据板簧结构及装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧预夹紧应力的设计要求，对各片板簧的自由切线弧高进行设计。然而，据所查资料可知，先前国内外一直未曾给出可靠的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，不能满足车辆快速发展及对悬架少片变截面板簧现代化CAD设计的要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，为根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的自由切线弧高设计提供可靠的技术方法，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及对少片变截面板簧设计的要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，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、可靠的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其设计流程图，如图1所示。根部非等厚少片抛物线型变截面板簧为以中心穿装孔对称的结构，将对称中心线看作为一半板簧的根部固定端，将端部受力点看作为板簧端点，其一半对称夹紧结构示意图如图2所示，包括，板簧1，根部垫片2，端部垫片3。板簧1的片数为n，其中，2≤n≤5；宽度为b，弹性模量为E；板簧的一半跨度L_T由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段所构成，根部平直段用于骑马螺栓装配夹紧，首片板簧的根部平直段的厚度，大于其他各片板簧的根部平直段的厚度，即根部非等厚少片抛物线型变截面板簧。各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，端部平直段的厚度h_i，抛物线段的厚度比为β_i＝h_1i/h_2i。端部平直段的长度为l_1i＝(L_T-L₀)β_i ²。各片板簧的根部之间设有根部垫片2，根部垫片厚度为δ_c。各片板簧的端部之间设有端部垫片3，端部垫片的厚度为δ_e，端部垫片的材料为碳纤维复合材料，以降低板簧工作所产生的摩擦噪声。通过各片板簧的各自不同的自由切线弧高，确保装配预夹紧后的首片板簧的初始切线弧高满足设计要求；同时，使首片或前几片板簧受预夹紧压应力，而末片或后几片板簧受预夹紧拉应力，提高板簧可靠性和使用寿命。各片板簧的自由切线弧高设计值为H_gi0，装配夹紧之后的首片板簧的初始切线弧高为H_gC1，各片板簧的预夹紧应力的设计要求值为σ_i，i＝1,2,…,n。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部垫片和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度L_T，根部平直段的一半长度L₀，弹性模量E；各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，端部平直段的厚度h_1i，抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h_2i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数G_x-Di进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度K_i的计算：

根据板簧片数n，各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，步骤(1)中计算得到的G_x-Di，i＝1,2,…,n，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度K_i进行计算，即

(3)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点力F_i的计算：

根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度L_T，根部平直段的一半长度L₀；各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ_i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的夹紧端点力F_i进行计算，i＝1,2,…,n，即

(4)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高H_gCi的确定：

根据板簧片数n，根部垫片厚度δ_c，端部垫片厚度δ_e，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值H_gC1，前n-1片板簧的根部平直段的厚度h_2i，前n-1片板簧的端部平直段的厚度h_1i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高H_gCi进行确定，i＝1，2，…，n，即

(5)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高H_gi0的设计：

根据板簧片数n，步骤(2)中计算得到的K_i，步骤(3)中计算得到的F_i，步骤(4)中所确定的H_gCi，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高H_gi0进行设计，i＝1,2,…,n，即

本发明比现有技术具有的优点

先前对于根部非等厚少片抛物线型变截面板簧，一直未曾给出准确可靠的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，不能满足车辆快速发展及对悬架少片变截面板簧现代化CAD设计的要求。本发明可根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部垫片和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。通过样机试验测试可知，本发明所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧自由切线弧高的设计值，为根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高的设计提供了可靠的技术方法。利用该方法可确保装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，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是根部非等厚少片抛物线型变截面板簧自由切线弧高的设计流程图；

图2是根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的一半对称夹紧结构示意图。

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。

实施例一：某根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18mm，h₂₂＝17mm，h₂₃＝17mm；端部平直段的厚度h₁₁＝9mm，h₁₂＝8mm，h₁₃＝8mm，抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂₁＝0.5，β₂＝h₁₂/h₂₂＝0.4706，β₃＝h₁₃/h₂₃＝0.4706。根部垫片厚度δ_c＝3mm，端部垫片厚度δ_e＝6mm。装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高的设计要求值H_gC1＝90mm，各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ₁＝-24.42MPa，σ₂＝0MPa，σ₃＝27.38MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部垫片和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。

本发明实例所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据板簧片数n＝3，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，根部平直段的一半长度L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa；各片板簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.5，β₂＝0.4706，β₃＝0.4706；对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数G_x-Di进行计算，i＝1,2,3，即

(2)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度K_i的计算：

根据板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18mm，h₂₂＝17mm，h₂₃＝17mm，步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝87.88mm⁴/N，G_x-D2＝88.854mm⁴/N，G_x-D3＝88.854mm⁴/N，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度K_i进行计算，i＝1,2,3，即

(3)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点力F_i的计算：

根据板簧片数n＝3，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，根部平直段的一半长度L₀＝50mm，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18mm，h₂₂＝17mm，h₂₃＝17mm，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ₁＝-24.42MPa，σ₂＝0MPa，σ₃＝27.38MPa，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的夹紧端点力F_i进行计算，i＝1,2,3，即

(4)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高H_gCi的确定：

根据板簧片数n＝3，根部垫片厚度δ_c＝3mm，端部垫片厚度δ_e＝6mm，首片板簧初始切线弧高的设计要求值H_gC1＝90mm，前2片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18mm，h₂₂＝17mm，端部平直段的厚度h₁₁＝9mm，h₁₂＝8mm，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高H_gCi进行确定，i＝1,2,3，即

H_gC1＝90mm；

H_gC2＝H_gC1+(h₂₁+δ_c)-(h₁₁+δ_e)＝96mm；

H_gC3＝H_gC1+(h₂₂+δ_c)-(h₁₂+δ_e)＝96mm。

(5)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高H_gi0的设计：

根据板簧片数n＝3，步骤(2)中计算得到的K₁＝132.73N/mm，K₂＝110.59N/mm，K₃＝110.59N/mm，步骤(3)中计算得到的F₁＝-152.168N，F₂＝0N，F₃＝152.68N，步骤(4)中所确定的H_gC1＝90mm，H_gC2＝96mm，H_gC3＝96mm，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高H_gi0进行设计，i＝1,2,3，即

通过样机试验测试可知，本发明所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧自由切线弧高的设计值。

实施例二：某根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝16.5mm，h₂₂＝16mm h₂₃＝16mm，h₂₄＝16mm，端部平直段的厚度h₁₁＝8.5mm，h₁₂＝7mm，h₁₃＝7mm，h₁₄＝7mm，抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂₁＝0.5，β₂＝β₃＝β₄＝h₁₂/h₂₂＝0.4375。根部垫片厚度δ_c＝3mm，端部垫片厚度δ_e＝6mm。装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高的设计要求值H_gC1＝95mm，各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ₁＝-29.51MPa，σ₂＝-10.46MPa，σ₃＝10.46MPa，σ₄＝31.38MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部垫片和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。

采用与实施例一相同的设计方法和步骤，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计，具体设计步骤如下：

(1)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，根部平直段的一半长度L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa；各片板簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.4848，β₂＝β₃＝β₄＝0.4375；对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数G_x-Di进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度K_i的计算：

根据板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝16.5mm，h₂₂＝h₂₃＝h₂₄＝16mm，步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝88.397mm⁴/N，G_x-D2＝G_x-D3＝G_x-D4＝89.814mm⁴/N，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度K_i分别进行计算，i＝1,2,…,n，即

(3)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点力F_i的计算：

根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度L_T＝570mm，根部平直段的一半长度L₀＝50mm，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝16.5mm，h₂₂＝h₂₃＝h₂₄＝16mm，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ₁＝-29.51MPa，σ₂＝-10.46MPa，σ₃＝10.46MPa，σ₄＝31.38MPa，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的夹紧端点力F_i进行计算，i＝1,2,…,n，即

(4)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高H_gCi的确定：

根据板簧片数n＝4，根部垫片厚度δ_c＝3mm，端部垫片厚度δ_e＝6mm，首片板簧初始切线弧高的设计要求值H_gC1＝95mm，前3片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝16.5mm，h₂₂＝h₂₃＝16mm，端部平直段的厚度h₁₁＝8mm，h₁₂＝7mm，h₁₃＝7mm，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高H_gCi进行确定，i＝1,2,…,n，即

H_gC1＝95mm；

H_gC2＝H_gC1+(h₂₁+δ_c)-(h₁₁+δ_e)＝100.5mm；

H_gC3＝H_gC1+(h₂₂+δ_c)-(h₁₂+δ_e)＝101.0mm；

H_gC4＝H_gC1+(h₂₃+δ_c)-(h₁₃+δ_e)＝101.0mm。

(5)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高H_gi0的设计：

根据板簧片数n＝4，步骤(2)中计算得到的K₁＝101.64N/mm，K₂＝K₃＝K₄＝91.211N/mm，步骤(3)中计算得到的F₁＝-154.49N，F₂＝-51.5N，F₃＝51.5N，F₄＝154.49N，步骤(4)中所确定的H_gC1＝95mm，H_gC2＝100.5mm，H_gC3＝101mm，H_gC4＝101mm，对该根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高H_gi0分别进行设计，i＝1,2,…,n，即

通过样机试验测试可知，本发明所提供的根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧自由切线弧高的设计值，为根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高的设计提供了可靠的技术方法。利用该方法可确保装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.根部非等厚少片变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其中，板簧的一半跨度是根部平直段、抛物线段和端部平直段构成，根部平直段用于骑马螺栓装配夹紧，各片板簧的根部平直段的厚度不相等，首片板簧根部平直段的厚度大于其他各片板簧根部平直段的厚度，即根部非等厚少片抛物线型变截面板簧；各片板簧的各自不同自由切线弧高，决定着装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力；根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部垫片和端部垫片的厚度，及装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高和各片板簧预夹紧应力的设计要求值，对根部非等厚少片变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计，其特征在于采用以下具体设计步骤如下：

(1)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度L_T，根部平直段的一半长度L₀，弹性模量E；各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，端部平直段的厚度h_1i，抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h_2i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数G_x-Di进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度K_i的计算：

根据板簧片数n，各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，步骤(1)中计算得到的G_x-Di，i＝1,2,…,n，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度K_i进行计算，即

(3)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧端点力F_i的计算：

根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度L_T，根部平直段的一半长度L₀；各片板簧的根部平直段的厚度h_2i，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ_i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的夹紧端点力F_i进行计算，i＝1,2,…,n，即

(4)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高H_gCi的确定：

根据板簧片数n，根部垫片厚度δ_c，端部垫片厚度δ_e，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值H_gC1，前n-1片板簧的根部平直段的厚度h_2i，前n-1片板簧的端部平直段的厚度h_1i，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高H_gCi进行确定，i＝1,2,…,n，即

(5)根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高H_gi0的设计：

根据板簧片数n，步骤(2)中计算得到的K_i，步骤(3)中计算得到的F_i，步骤(4)中所确定的H_gCi，对根部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高H_gi0进行设计，i＝1,2,…,n，即