CN108253060A - 根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，属于悬架少片变截面板簧技术领域。本发明可根据各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对根部加强端部非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。通过样机试验可知，本发明所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是准确的，可得到准确可靠的预夹紧应力的匹配设计值，为各片板簧自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保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，降低产品设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法

技术领域

本发明涉及车辆悬架少片变截面板簧，特别是根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法。

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，并且在车辆悬架系统中得到了广泛应用，其中，为了满足首片板簧受力情况复杂及增加板簧强度的要求，可采用首片板簧的根部平直段和端部平直段的厚度大于其他各片板簧的厚度，并且在根部平直段与抛物线段之间增加斜线段，对板簧的根部起加强作用，即根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧。为了提高板簧可靠性和使用寿命的设计要求，可通过各片板簧不同自由切线弧高，在装配夹紧之后，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，同时，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高，满足板簧设计要求。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，是由装配夹紧前的各片板簧自由切线弧高所决定的、而各片板簧的预夹紧应力的匹配设计，是各片板簧自由切线弧高设计的前提。因此，为了满足板簧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要求，必须首先对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。然而，据所查资料可知，由于根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度的计算非常复杂，且自由切线弧高与初始切线弧高之间关系，及各片板簧夹紧端点力和各片板簧之间预夹紧应力厚度方之差计算的制约，先前一直未曾给出准确可靠的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对少片变截面板簧提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，为各片板簧自由切线弧高的设计奠定可靠的技术基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的设计要求，提高产品设计水平、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、可靠的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其匹配设计流程图，如图1所示。根部加强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，其一半对称夹紧结构示意图如图2所示，其中包括，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；各片板簧的宽度为b，弹性模量为E，一半作用长度为L_T，是由根部平直段、斜线段、抛物线段和端部平直段四段所构成，其中，根部平直段用于骑马螺栓装配夹紧，斜线段对板簧根部起加强作用；根部平直段的一半长度L₀，斜线段的水平长度为Δl，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂＝L_T-L₀，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p＝L_T-L₀-Δl。各片板簧根部平直段的厚度不相等，各片板簧的根部平直段的厚度为h_2i，抛物线段的根部厚度为h_2ip，其中，h_2i>h_2ip≥h₂l_2p/l₂；各片板簧端部平直段非等构，即首片板簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片的端部平直段的厚度和长度，各片板簧的端部平直厚度为h_1i，斜线段的厚度比γ_i＝h_2ip/h_2i，抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h_2ip；端部平直段的长度为l_1i＝l_2pβ_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，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。板簧装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高为H_gC1。通过各片板簧的各自不同自由切线弧高，确保装配预夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧预夹紧应力满足设计要求。各片板簧预夹紧应力的匹配设计是各片板簧自由切线弧高设计的前提。根据板簧的片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其特征在于采用以下匹配设计步骤：

(1)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧刚度K_i计算:

A步骤：各片板簧夹紧端部变形系数G_x-Ei的计算

根据板簧片数n，根部加强非等厚少片根部加强型变截面板簧的宽度b，弹性模量E，斜线段的水平长度Δl，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p，斜线段的厚度比γ_i，抛物线段的厚度比β_i，对各片板簧端点变形系数G_x-Ei进行计算，i＝1,2,…,n，即

B步骤：各片板簧夹紧夹紧刚度K_i的计算

根据板簧片数n，各片板簧根部平直段厚度h_2i，步骤(1)中计算得到的G_x-Ei，对根部加强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进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1计算:

根据板簧片数n，各片板簧根部平直段厚度h_2i，宽度b，斜线段的根部到板簧端点的距离l₂，额度载荷P_N，步骤(1)中计算得到的K_i，i＝1,2,…,n，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的斜线段根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力厚度方之差的确定:

根据板簧片数n，首片板簧的根部平直段的厚度h₂₁，在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(1)中计算得到的σ_max1，对各片板簧之间的预夹紧应力厚度方之差进行确定，即

(4)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据板簧片数n，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，步骤(3)中所确定的对各片板簧预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即

本发明比现有技术具有的优点

先前对于根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧，大都是凭经验对各片板簧的预夹紧应力的确定，一直未曾给出准确可靠的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，不能满足车辆快速发展及对悬架板簧现代化CAD设计的要求。本发明可根据板簧的片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。通过样机试验可知，本发明所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力设计值，为根部加强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奠定了可靠的技术基础；同时，利用该方法可确保各片板簧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平顺性和安全性；同时，还可降低设计及试验费用，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是根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧预夹紧应力的匹配设计流程图；

图2是根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的一半夹紧结构示意图。

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：某根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L₀＝50mm，一半作用长度L_T＝575mm，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂＝L_T-L₀＝525mm，斜线段的水平长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p＝l₂-Δl＝495mm。板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18.5mm，h₂₂＝18mm，h₂₃＝17.5mm；抛物线段的根部厚度h_21p＝17.5mm，h_22p＝17mm，h_23p＝16.5mm；端部平直段的厚度h₁₁＝8mm，h₁₂＝7mm，h₁₃＝6mm。斜线段的厚度比γ₁＝h_21p/h₂₁＝0.9459，γ₂＝h_22p/h₂₂＝0.9444，γ₃＝h_23p/h₂₃＝0.9429；抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h_21p＝0.4571，β₂＝h₁₂/h_22p＝0.41181，β3₂＝h₁₃/h_23p＝0.3636。额定载荷P_N＝15000N，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ]＝400MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对该根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。

本发明实例所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其匹配设计流程如图1所示，具体匹配设计步骤如下：

(1)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧刚度K_i计算:

A步骤：各片板簧夹紧端部变形系数G_x-Ei的计算

根据板簧片数n＝3，板簧宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl，斜线段的根部到板簧端点的少片距离l₂，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p，斜线段的厚度比γ_i，抛物线段的厚度比β_i，对各片板簧端点变形系数G_x-Ei进行计算，i＝1,2,…n，即

B步骤：各片板簧夹紧夹紧刚度K_i的计算

根据板簧片数n＝3，各片板簧根部平直段厚度h₂₁＝18.5mm，h₂₂＝18mm，h₂₃＝17.5mm，步骤(1)中计算得到的G_x-E1＝99.437mm⁴/N，G_x-E2＝101.13mm⁴/N，G_x-E3＝103.66mm⁴/N，对根部加强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进行计算，i＝1,2,…n，即

(2)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1计算:

根据板簧片数n＝3，首片板簧的根部平直段厚度h₂₁＝18.5mm，宽度b＝60mm，斜线段的根部到板簧端点的距离l₂＝525mm，额度载荷P_N＝15000N，步骤(1)中计算得到的K₁＝127.35N/mm，K₂＝115.34N/mm，K₃＝104.41N/mm，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力厚度方之差Δ_σh2的确定:

根据板簧片数n＝3，首片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝18.5m，在额度载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa，步骤(1)中计算得到的σ_max1＝422.11MPa，对各片板簧之间的预夹紧应力厚度方之差进行确定，即

(4)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据板簧片数n＝3，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa，步骤(2)中计算得到的σ_max1＝422.11MPa，步骤(3)中所确定的对各片板簧预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…n，即

通过样机试验测试可知，该发明所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力的匹配设计值。

实施例二：某根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L₀＝50mm，一半作用长度L_T＝575mm，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂＝L_T-L₀＝525mm，斜线段的水平长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到板簧端点的距离l_2p＝l₂-Δl＝495mm。板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝17mm，h₂₂＝16.5mm，h₂₃＝16mm，h₂₄＝15.5mm。抛物线段的根部厚度h_21p＝16mm，h_22p＝15.6mm，h_23p＝15.2mm，h_24p＝14.7mm；端部平直段的厚度h₁₁＝8mm，h₁₂＝7mm，h₁₃＝6mm，h₁₄＝5mm。斜线段的厚度比γ₁＝h_21p/h₂₁＝0.9412，γ₂＝h_22p/h₂₂＝0.9455，γ₃＝h_23p/h₂₃＝0.95，γ₄＝h_24p/h₂₄＝0.9484；抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h_21p＝0.5，β₂＝h₁₂/h_22p＝0.4487，β₃＝h₁₃/h_23p＝0.3947，β₄＝h₁₄/h_24p＝0.3401。额定载荷P_N＝16500N，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ]＝400MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对该根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。

采用与实施例一相同的匹配设计方法和步骤，对该根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计，具体匹配设计步骤如下：

(1)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧刚度K_i计算:

A步骤：各片板簧夹紧端部变形系数G_x-Ei的计算

根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的水平长度Δl＝30mm，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂＝525mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p＝495mm，斜线段的厚度比γ₁＝0.9412，γ₂＝0.9455，γ₃＝0.95，γ₄＝0.9484；，抛物线段的厚度比β₁＝0.5，β₂＝0.4487，β₃＝0.3947，β₄＝0.3401，对各片板簧端点变形系数G_x-Ei进行计算，i＝1,2,…,n，即

B步骤：各片板簧夹紧夹紧刚度K_i的计算

根据板簧片数n＝4，各片板簧根部平直段厚度h₂₁＝17mm，h₂₂＝16.5mm，h₂₃＝16mm，h₂₄＝15.5mm，步骤(1)中计算得到的G_x-E1＝99.462mm⁴/N，G_x-E2＝99.833mm⁴/N，G_x-E3＝99.828mm⁴/N，G_x-E4＝101.37mm⁴/N，对根部加强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进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1计算:

根据板簧片数n＝4，首片板簧的根部平直段厚度h₂₁＝17mm，宽度b＝60mm，斜线段的根部到板簧端点的距离l₂＝525mm，额度载荷P_N＝16500N，步骤(1)中计算得到的K₁＝98.792N/mm，K₂＝89.992N/mm，K₃＝82.061N/mm，K₄＝73.473N/mm，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力厚度方之差的确定:

根据板簧片数n＝4，首片板簧的根部平直段的厚度h₂₁＝17mm，在额度载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa，步骤(1)中计算得到的σ_max1＝430MPa，对各片板簧之间的预夹紧应力厚度方之差进行确定，即

(4)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据板簧片数n＝4，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa，步骤(2)中计算得到的σ_max1＝430MPa，步骤(3)中所确定的对各片板簧预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即

通过样机试验可知，本发明所提供的根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力设计值，为根部加强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奠定了可靠的技术基础；同时，利用该方法可确保各片板簧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平顺性和安全性；同时，还可降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Claims (1)

1.根部加强非等厚少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其中，各片板簧的一半作用长度是由根部平直段、斜线段、抛物线段和端部平直段四段所构成，根部平直段用于骑马螺栓装配夹紧，斜线段对板簧根部起加强作用；各片板簧根部平直段的厚度不相等，即根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧；各片板簧预夹紧应力的匹配设计是各片板簧自由切线弧高设计的前提；根据板簧的片数、各片板簧的结构参数，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计，其特征在于采用以下具体匹配设计步骤：

(1)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧刚度K_i计算:

A步骤：各片板簧夹紧端部变形系数G_x-Ei的计算

根据板簧片数n，根部加强非等厚少片根部加强型变截面板簧的宽度b，弹性模量E，斜线段的水平长度Δl，斜线段的根部到板簧端点的水平距离l₂，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l_2p，斜线段的厚度比γ_i，抛物线段的厚度比β_i，对各片板簧端点变形系数G_x-Ei进行计算，i＝1,2,…,n，即

B步骤：各片板簧夹紧夹紧刚度K_i的计算

根据板簧片数n，各片板簧根部平直段厚度h_2i，步骤(1)中计算得到的G_x-Ei，对根部加强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进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的首片板簧斜线段根部最大应力σ_max1计算:

根据板簧片数n，各片板簧根部平直段厚度h_2i，宽度b，斜线段的根部到板簧端点的距离l₂，额度载荷P_N，步骤(1)中计算得到的K_i，i＝1,2,…,n，对根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的斜线段根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力厚度方之差的确定:

根据板簧片数n，首片板簧的根部平直段的厚度h₂₁，在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(1)中计算得到的σ_max1，对各片板簧之间的预夹紧应力厚度方之差进行确定，即

(4)根部加强非等厚少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据板簧片数n，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，步骤(3)中所确定的对各片板簧预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即