CN111414665A - 一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法 - Google Patents

一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，包括以下步骤：估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值；将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型；在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置；优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数；对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，并确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值。设计的螺旋弹簧具有变刚度、载荷大、行程大、免维护、可靠性高的优点，在保证承载能力的基础上增大了压缩伸张行程。

Description

一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种螺旋弹簧，具体涉及一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法。
背景技术
螺旋弹簧作为车辆悬架系统的弹性元件，安装在车架和车轮之间，起着缓冲减振的重要作用。螺旋弹簧具有能量密度高、成本低、免维护、可靠性高的优点，主要应用在乘用车上，但很少应用在商用车上，尤其是超重型车辆。超重型车辆通常采用双横臂式独立悬架系统，双横臂式独立悬架系统具有载荷大、行程大的优点，但其可靠性相对较低，且维护较为麻烦。若超重型车辆采用螺旋弹簧式悬架系统，要保证螺旋弹簧的承载能力，就需要把弹簧丝直径(丝径)做得足够大，增大弹簧丝直径，不但需要更大的垂向长度来保证压缩伸张行程，还需要更大的径向空间来满足安装需求，这些都与有限的布置空间存在矛盾。如，单个车桥载荷为13t的超重型车辆，螺旋弹簧承受的载荷应不小于10t，若车轮跳动量为-150～150mm，螺旋弹簧的压缩伸张行程应不小于-85～85mm；而根据超重型车辆可提供的垂向和横向布置空间，螺旋弹簧的垂向长度应不大于700mm，螺旋弹簧的外径应不大于210mm，在这些条件的约束下，现有的螺旋弹簧无法同时满足承载能力、压缩伸张行程和布置空间的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，设计的螺旋弹簧具有载荷大、行程大、免维护、可靠性高的优点，在保证承载能力的基础上增大了压缩伸张行程，可满足超重型车辆悬架对大载荷、大行程和小布置空间的使用要求。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，包括以下步骤：
一、根据螺旋弹簧所需的承受载荷和压缩伸张行程，估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值；
二、将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型；
三、在仿真平台中利用有限元分析方法，对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置；
四、根据螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点位置，优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数，直至螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点强满足设计要求；
五、在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，当螺旋弹簧有限元模型的承受载荷和压缩伸张行程满足设计要求时，确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值，否则返回步骤四；
所述螺旋弹簧包括等丝径主段和变丝径副段，等丝径主段处于变丝径副段的上侧，变丝径副段的丝径由下至上逐渐增大至等于等丝径主段的丝径；所述丝径初始值包括等丝径主段的丝径初始值和变丝径副段的小端丝径初始值，所述节距初始值包括等丝径主段的节距初始值和变丝径副段的节距初始值，所述内径初始值是指等丝径主段和变丝径副段的内径初始值且两者相同，所述长度初始值包括等丝径主段的长度初始值和变丝径副段的长度初始值；所述丝径优化值包括等丝径主段的丝径优化值和变丝径副段的小端丝径优化值，所述节距优化值包括等丝径主段的节距优化值和变丝径副段的节距优化值，所述内径优化值是指等丝径主段和变丝径副段的内径优化值且两者相同，所述长度优化值包括等丝径主段的长度优化值和变丝径副段的长度优化值。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
六、根据螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值制备弹簧丝，并采用热卷工艺将弹簧丝绕在直径等于内径优化值的芯轴上；待弹簧丝冷却定型后，抽离芯轴以形成螺旋弹簧。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
七、采用磨平并紧工艺，将螺旋弹簧顶部和底部的圈磨平并紧，以形成上端支撑圈和下端支撑圈。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
八、对螺旋弹簧进行淬火处理。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
九、对螺旋弹簧进行高温回火处理。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
十、对螺旋弹簧的表面进行喷丸处理。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其中，所述等丝径主段各圈的节距相等，所述变丝径副段的节距由下至上逐渐增大至等于等丝径主段的节距。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其中，所述变丝径副段在车辆空载时承受的压力大于其被压并时所需的力。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其中，所述上端支撑圈和下端支撑圈均为完整圈的3/4。
进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其中，所述等丝径主段的长度大于变丝径副段的长度。
本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法与现有技术相比，具有以下优点：通过变丝径设计，使螺旋弹簧具备了变刚度特性，可满足悬架系统在不同载荷状态下均具备良好的刚度特性，以确保车辆的行驶稳定性和安全性；通过刚度拐点优化设计，能够兼顾车辆在空满载两种载荷状态的使用需求；通过等内径设计，简化了加工工艺，且螺旋弹簧具有免维护的特点；通过有限元方法计算分析螺旋弹簧的力学特性，根据计算结果优化螺旋弹簧的设计参数，可更好地满足多轴重型车辆使用需求。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法作进一步详细说明：
附图说明
图1为本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法中螺旋弹簧的正视图；
图2为本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法中螺旋弹簧的俯视图；
图3为本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法中螺旋弹簧压缩量和弹性力曲线图。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明中所述的上、下、左、右、前、后等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案以及请求保护范围进行的限制。
如图1至图3所示本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法的具体实施方式，包括以下步骤：
一、根据螺旋弹簧所需的承受载荷和压缩伸张行程，估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值。
二、将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型。
三、在仿真平台中利用有限元分析方法，对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置。
四、根据螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点位置，优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数，直至螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点强满足设计要求。
五、在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，当螺旋弹簧有限元模型的承受载荷和压缩伸张行程满足设计要求时，确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值，否则返回步骤四。
其中，所述螺旋弹簧包括等丝径主段1和变丝径副段2，等丝径主段1处于变丝径副段2的上侧，变丝径副段2的丝径由下至上逐渐增大至等于等丝径主段1的丝径。对应的，所述丝径初始值包括等丝径主段1的丝径初始值和变丝径副段2的小端丝径初始值，所述节距初始值包括等丝径主段1的节距初始值和变丝径副段2的节距初始值，所述内径初始值是指等丝径主段1和变丝径副段2的内径初始值且两者相同，所述长度初始值包括等丝径主段1的长度初始值和变丝径副段2的长度初始值；所述丝径优化值包括等丝径主段1的丝径优化值和变丝径副段2的小端丝径优化值，所述节距优化值包括等丝径主段1的节距优化值和变丝径副段2的节距优化值，所述内径优化值是指等丝径主段1和变丝径副段2的内径优化值且两者相同，所述长度优化值包括等丝径主段1的长度优化值和变丝径副段2的长度优化值。需要说明的是，所述施力模拟试验是指在仿真平台中向螺旋弹簧施加压力以模拟车辆空满载状态和车轮跳动状态，这为本领域的成熟技术，在此不再赘述；所述仿真平台是指ANSYS Workbench等仿真设计软件。
通过以上方法设计的螺旋弹簧实现了变刚度目的，在保证承载能力的基础上增大了压缩伸张行程，可产生以下有益效果：通过变丝径设计，使螺旋弹簧具备了变刚度特性，可满足悬架系统在不同载荷状态下均具备良好的刚度特性，以确保车辆的行驶稳定性和安全性；通过刚度拐点优化设计，能够兼顾车辆在空满载两种载荷状态的使用需求；通过等内径设计，简化了加工工艺，且螺旋弹簧具有免维护的特点；通过有限元方法计算分析螺旋弹簧的力学特性，根据计算结果优化螺旋弹簧的设计参数，可更好地满足多轴重型车辆使用需求。
作为具体实施方式，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
六、根据螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值制备弹簧丝，并采用热卷工艺将弹簧丝绕在直径等于内径优化值R的芯轴上；待弹簧丝冷却定型后，抽离芯轴以形成螺旋弹簧。
这一方式可使螺旋弹簧等丝径主段1和变丝径副段2的内径保持一致，不但减化了热卷制备工艺，且方便在螺旋弹簧内部布置其他悬架零部件，增强了结构的紧凑性。
进一步地，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
七、采用磨平并紧工艺，将螺旋弹簧顶部和底部的圈磨平并紧，以形成上端支撑圈11和下端支撑圈21。
通过磨平并紧处理，避免了应力集中，减小了压缩时对上端支撑圈11和下端支撑圈21的冲击，提高了螺旋弹簧的强度和抗疲劳性能；且增强了螺旋弹簧的稳定性和可靠性。
进一步地，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
八、对螺旋弹簧进行淬火处理。
九、对螺旋弹簧进行高温回火处理。
通过淬火和高温回火处理，增强了螺旋弹簧的强度和抗疲劳性能。
进一步地，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：
十、对螺旋弹簧的表面进行喷丸处理。
通过表面喷丸处理，进一步增强了螺旋弹簧的强度和抗疲劳性能。
需要说明的是，在设计、制备螺旋弹簧时，应使等丝径主段1各圈的节距d1相等，以保证等丝径主段1的弹力与压缩量呈等比例关系，增强其稳定性和可靠性；并使变丝径副段2的节距d2由下至上逐渐增大至等于等丝径主段1的节距，以保证变丝径副段2的弹力与压缩量也呈等比例关系，增强其稳定性和可靠性。对于螺旋弹簧的刚度拐点，应使变丝径副段2在车辆空载时承受的压力大于其被压并时所需的力，以使螺旋弹簧的刚度变化拐点处于空载位置之前并留有一定距离，从而使变丝径副段2在车辆空满载时均处于压并状态，不但可减小车辆空满载引起的车身高度变化，而且能有效避免因车轮跳动引起变丝径副段2在压并与非压并之间频繁转换造成的断裂。为提高支撑的稳定性，本发明使螺旋弹簧的上端支撑圈11和下端支撑圈21均采用了3/4完整圈，并使等丝径主段1的长度大于变丝径副段2的长度，以保证螺旋弹簧的承载能力。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员依据本发明的技术方案做出的各种变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、根据螺旋弹簧所需的承受载荷和压缩伸张行程，估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值；
二、将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型；
三、在仿真平台中利用有限元分析方法，对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置；
四、根据螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点位置，优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数，直至螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点强满足设计要求；
五、在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，当螺旋弹簧有限元模型的承受载荷和压缩伸张行程满足设计要求时，确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值，否则返回步骤四；
所述螺旋弹簧包括等丝径主段(1)和变丝径副段(2)，等丝径主段(1)处于变丝径副段(2)的上侧，变丝径副段(2)的丝径由下至上逐渐增大至等于等丝径主段(1)的丝径；所述丝径初始值包括等丝径主段(1)的丝径初始值和变丝径副段(2)的小端丝径初始值，所述节距初始值包括等丝径主段(1)的节距初始值和变丝径副段(2)的节距初始值，所述内径初始值是指等丝径主段(1)和变丝径副段(2)的内径初始值且两者相同，所述长度初始值包括等丝径主段(1)的长度初始值和变丝径副段(2)的长度初始值；所述丝径优化值包括等丝径主段(1)的丝径优化值和变丝径副段(2)的小端丝径优化值，所述节距优化值包括等丝径主段(1)的节距优化值和变丝径副段(2)的节距优化值，所述内径优化值是指等丝径主段(1)和变丝径副段(2)的内径优化值且两者相同，所述长度优化值包括等丝径主段(1)的长度优化值和变丝径副段(2)的长度优化值。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
六、根据螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值制备弹簧丝，并采用热卷工艺将弹簧丝绕在直径等于内径优化值的芯轴上；待弹簧丝冷却定型后，抽离芯轴以形成螺旋弹簧。
3.根据权利要求2所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
七、采用磨平并紧工艺，将螺旋弹簧顶部和底部的圈磨平并紧，以形成上端支撑圈(11)和下端支撑圈(21)。
4.根据权利要求3所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
八、对螺旋弹簧进行淬火处理。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
九、对螺旋弹簧进行高温回火处理。
6.根据权利要求5所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
十、对螺旋弹簧的表面进行喷丸处理。
7.根据权利要求6所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，所述等丝径主段(1)各圈的节距相等，所述变丝径副段(2)的节距由下至上逐渐增大至等于等丝径主段(1)的节距。
8.根据权利要求6所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，所述变丝径副段(2)在车辆空载时承受的压力大于其被压并时所需的力。
9.根据权利要求6所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，所述上端支撑圈(11)和下端支撑圈(21)均为完整圈的3/4。
10.根据权利要求6所述的一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，其特征在于，所述等丝径主段(1)的长度大于变丝径副段(2)的长度。
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