CN108591328A - 两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法，属于悬架渐变刚度板簧技术领域。本发明可根据主簧片数，第一级副簧和第二级副簧的片数，各片板簧的结构参数，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷，及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对两级渐变刚度板簧各片等厚主簧的预夹紧应力进行匹配设计。通过样机试验可知，本发明所提供的两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，为两级渐变刚度板簧的各片等厚主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等厚主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，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

两级渐变刚度板簧等厚主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渐变刚度板簧，特别是两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法。

背景技术

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性的设计要求，可采用两级渐变刚度板簧，即在主簧末片与第一级副簧首片之间、及第一级副簧末片与第二级副簧首片之间，设计有两级渐变间隙，其中，应用最为广泛的是等厚主簧式两级渐变刚度板簧，即主簧各片厚度相等。为了提高主簧强度和使用寿命，通过各片主簧各自不同的自由切线弧高，确保装配夹紧后的主簧初始切线弧高及夹紧刚度特性满足设计要求；同时，使首片主簧或前几片主簧受预夹紧压应力，而末片或后几片主簧受预夹紧拉应力，提高板簧可靠性和使用寿命。各片等厚主簧预夹紧应力的匹配设计，不仅影响各片主簧的预夹紧应力及车辆行驶平顺性和安全性，同时，还是各片等厚主簧自由切线弧高设计的前提。然而，据所查资料可知，由于受主簧及其分别与第一级副簧、第二级副簧的根部重叠部分等效厚度计算及各片等厚主簧之间预夹紧应力之差计算的制约，先前国内外一直未曾给出准确可靠的两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力的匹配设计方法，不能满足车辆快速发展及对悬架两级渐变刚度板簧现代化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，对两级渐变刚度板簧各片等厚主簧设计提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法，为两级渐变刚度板簧各片等厚主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、车辆行驶平顺性及对两级渐变刚度板簧设计的要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命，及车辆行驶平顺性和安全性；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、可靠的两级渐变刚度板簧等厚主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。两级渐变刚度板簧的等厚主簧与第一级和第二级副簧的一半对称夹紧结构示意图，如图2所示，是由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3构成。两级渐变刚度板簧板簧的宽度为b，弹性模量为E，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度为L₀。主簧1的片数为n，各片主簧的厚度h相等，即等厚叠加主簧，各片主簧的一半作用长度为L_iT，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h_A1j，第一级副簧各片的一半作用长度为L_A1jT，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h_A2k，第二级副簧各片的一半作用长度为L_A2kT，k＝1,2,…,m₂。两级渐变刚度板簧装配夹紧之后，首片主簧的初始切线弧高为H_gC1，第一级副簧首片的初始切线弧高为H_gAC1，第二级副簧首片的初始切线弧高为H_gAC2，且在主簧末片下表面与第一级副簧首片上表面之间、及第一级副簧末片下表面与第二级副簧首片上表面之间，形成两级渐变间隙δ_MA1和从δ_A12，从而满足板簧渐变刚度的设计要求。通过各片主簧的各自不同自由切线弧高及曲率半径，确保装配夹紧后的首片主簧初始切线弧高和各片主簧的预夹紧应力满足设计要求。根据主簧片数，第一级副簧片数和第二级副簧的片数，各片主簧、第一级和第二级副簧的结构参数，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷，及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力进行匹配设计，从而为两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧自由切线弧高的设计奠定可靠的技术基础。

为解决上述技术问题，本发明所提供的两级渐变刚度板簧等厚主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)主簧及其与第一级副簧、二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,m₁，及I步骤中计算得到的h_Me，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧片数m₂，第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,m₂，II步骤中计算得到的h_MA1e，对两级渐变刚度板簧的主簧与第一级和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e进行计算，即

(2)两级渐变刚度板簧的首片主簧根部最大应力σ_max1的计算：

根据板簧的宽度b，根部平直段的一半长度L₀，各片主簧的厚度h，首片主簧的一半作用长度L_1T；第1次开始接触载荷P_k1，第2次开始接触载荷P_k2，额定载荷P_N，及步骤(1)中计算得到的h_Me、h_MA1e和h_MA2e，对两级渐变刚度板簧在额定载荷下的首片主簧的根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间预夹紧应力之差Δσ的确定:

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h，首片主簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间的预夹紧应力之差Δσ进行确定，即

(4)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据主簧片数n，首片主簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，及步骤(3)中所确定的Δσ，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即

σ_i＝([σ₁]-σ_max1)+(i-1)Δσ，i＝1,2,…,n。

本发明比现有技术具有的优点

对于两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力，由于受主簧根部等效厚度计算及各片等厚主簧之间预夹紧应力之差计算的制约，先前国内外一直未曾给出准确可靠的两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力的匹配设计方法，不能满足车辆快速发展及对悬架两级渐变刚度板簧现代化CAD设计的要求。本发明可根据主簧片数，第一副簧和第二级副簧的片数，各片板簧的结构参数，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力进行匹配设计。通过样机试验测试可知，本发明所提供的两级渐变刚度板簧等厚主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等厚主簧的预夹紧应力匹配设计值，为两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保两级渐变刚度板簧预夹紧之后的各片等厚主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是两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计流程图；

图2是两级渐变刚度板簧的等厚主簧与第一级和第二级副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，某两级渐变刚度板簧的宽度b＝60mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。主簧片数n＝3片，各片等厚主簧的厚度h＝8mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm，L_3T＝350mm。第一级副簧的片数m₁＝1片，第一级副簧的厚度h_A11＝13mm，第一级副簧的一半作用长度为L_A11T＝250mm。第二级副簧的片数m₂＝1，第二级副簧的厚度h_A21＝13mm，第二级副簧的一半作用长度为L_A21T＝150mm。板簧装配夹紧后，第一级副簧首片上表面与主簧末片下表面之间的第一级渐变间隙为δ_MA1，第二级副簧首片上表面与第一级副簧末片下表面之间的第二级渐变间隙为δ_A12。第1次开始接触载荷P_k1＝1900N，第2次开始接触载荷P_k2＝2640N，额定载荷P_N＝7500N，首片主簧在额定载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa。根据主簧片数，第一副簧和第二级副簧的片数，各片板簧的结构参数，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷，及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力进行匹配设计。

本发明实例所提供的两级渐变刚度板簧等厚主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)主簧及其与第一级副簧、二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n＝3,各片主簧的厚度h＝8mm，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧根部重叠部分等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧片数m₁＝1,第一级副簧的厚度h_A11＝13mm，及I步骤中计算得到的h_Me＝11.5mm，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级和第二级副簧根部重叠部分的等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧片数m₂＝1,第二级副簧的厚度h_A21＝13mm，II步骤中计算得到的h_MA1e＝15.5mm，对该两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA2e进行计算，即

(2)两级渐变刚度板簧的首片主簧根部最大应力σ_max1的计算：

根据板簧的宽度b＝60mm，根部平直段的一半长度L₀＝50mm，各片主簧的厚度h＝8mm，首片主簧的一半作用长度L_1T＝525mm；第1次开始接触载荷P_k1＝1900N，第2次开始接触载荷P_k2＝2640N，额定载荷P_N＝7500N，及步骤(1)中计算得到的h_Me＝11.5mm、h_MA1e＝15.5mm、h_MA2e＝18.1mm，对该两级渐变刚度板簧在额定载荷下的首片主簧的根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间预夹紧应力之差Δσ的确定:

根据主簧片数n＝3，首片主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＝428.41MPa，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间的预夹紧应力之差Δσ进行确定，即

(4)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据主簧片数n＝3，首片主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＝428.41MPa，步骤(3)中所确定的Δσ＝28.41MPa，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即

σ₁＝([σ₁]-σ_max1)+(1-1)Δσ＝-28.41MPa，

σ₂＝([σ₁]-σ_max1)+(2-1)Δσ＝0MPa，

σ₃＝([σ₁]-σ_max1)+(3-1)Δσ＝28.41MPa。

通过样机试验测试可知，本发明所提供的两级渐变刚度板簧等厚主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等厚主簧的预夹紧应力匹配设计值，为两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。

实施例二，某两级渐变刚度板簧的宽度b＝60mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半才L₀＝55mm，弹性模量E＝200GPa。主簧片数n＝2片，各片等厚主簧的厚度h＝10mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm。第一级副簧的片数m₁＝1片，第一级副簧的厚度h_A11＝13mm，第一级副簧的一半作用长度为L_A11T＝250mm。第二级副簧的片数m₂＝1，第二级副簧的厚度h_A21＝13mm，第二级副簧的一半作用长度为L_A21T＝150mm。第一级副簧首片上表面与主簧末片下表面之间的第一级渐变间隙为δ_MA1，第二级副簧首片上表面与第一级副簧末片下表面之间的第二级渐变间隙为δ_A12。第1次开始接触载荷P_k1＝1800N，第2次开始接触载荷P_k2＝2600N，额定载荷P_N＝7500N，首片主簧在额定载荷下的许用应力[σ₁]＝400MPa。根据主簧片数，第一副簧和第二级副簧的片数，各片板簧的结构参数，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷，及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的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，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力进行匹配设计，具体匹配设计步骤如下：

(1)主簧及其与第一级副簧、二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n＝2,各片主簧的厚度h＝10mm，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧片数m₁＝1,第一级副簧的厚度h_A11＝13mm，及I步骤中计算得到的h_Me＝12.6mm，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级副簧和第二级副簧根部重叠部分的等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧片数m₂＝1,第二级副簧的厚度h_A21＝13mm，II步骤中计算得到的h_MA1e＝16.1mm，对该两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e进行计算，即

(2)两级渐变刚度板簧的首片主簧根部最大应力σ_max1的计算：

根据板簧的宽度b＝63mm，根部平直段的一半长度L₀＝55mm，各片主簧的厚度h＝10mm，首片主簧的一半作用长度L_1T＝525mm；第1次开始接触载荷P_k1＝1800N，第2次开始接触载荷P_k2＝2600N，额定载荷P_N＝7500N，及步骤(1)中计算得到的h_Me＝12.6mm、h_MA1e＝16.1mm、h_MA2e＝18.6mm，对该两级渐变刚度板簧在额定载荷下的首片主簧的根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间预夹紧应力之差Δσ的确定:

根据主簧片数n＝2，首片主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＝415.6MPa，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间的预夹紧应力之差Δσ进行确定，即

(4)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据主簧片数n＝3，首片主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＝415.6MPa，步骤(3)中所确定的Δσ＝31.20MPa，对该两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力σ_i进行匹配设计，即

σ₁＝([σ₁]-σ_max1)+(1-1)Δσ＝-15.6MPa，

σ₂＝([σ₁]-σ_max1)+(2-1)Δσ＝15.6MPa。

通过样机试验测试可知，本发明所提供的两级渐变刚度板簧等厚主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等厚主簧的预夹紧应力匹配设计值，为两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保两级渐变刚度板簧预夹紧之后的各片等厚主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)

1.两级渐变刚度板簧等厚主簧预夹紧应力的匹配设计法，其中，两级渐变刚度板簧是由主簧、第一级副簧和第二级副簧构成，各片板簧的根部平直段用于骑马螺栓夹紧，板簧装配夹紧后在主簧和各级副簧之间形成两级渐变间隙，以满足板簧两级渐变刚度的要求；各片主簧的厚度相等，即等厚叠加主簧；预夹紧应力的匹配设计是各片主簧自由切线弧高设计的前提；根据主簧片数，各片主簧的结构参数及自由切线弧高的设计值，第1次和第2次开始接触载荷，额定载荷及首片主簧在额定载荷下的许用应力，对二级渐变刚度板簧各片等厚主簧的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)主簧及其与第一级副簧、二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,m₁，及I步骤中计算得到的h_Me，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧片数m₂，第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,m₂，II步骤中计算得到的h_MA1e，对两级渐变刚度板簧的主簧与第一级和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e进行计算，即

(2)两级渐变刚度板簧的首片主簧根部最大应力σ_max1的计算：

根据板簧的宽度b，根部平直段的一半长度L₀，各片主簧的厚度h，首片主簧的一半作用长度L_1T；第1次开始接触载荷P_k1，第2次开始接触载荷P_k2，额定载荷P_N，及步骤(1)中计算得到的h_Me、h_MA1e和h_MA2e，对两级渐变刚度板簧在额定载荷下的首片主簧的根部最大应力σ_max1进行计算，即

(3)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间预夹紧应力之差Δσ的确定:

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h，首片主簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧之间的预夹紧应力之差Δσ进行确定，即

(4)两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧预夹紧应力σ_i的匹配设计:

根据主簧片数n，首片主簧在额度载荷下的许用应力[σ₁]，步骤(2)中计算得到的σ_max1，及步骤(3)中所确定的Δσ，对两级渐变刚度板簧的各片等厚主簧的预夹紧应力σ_i进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即

σ_i＝([σ₁]-σ_max1)+(i-1)Δσ，i＝1,2,…,n。