CN117216872A - 一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，利用CATIA仿真模块建立DMU模型，根据悬架总行程初步分配空、半、满载荷点的分段行程，通过悬架行程确定变刚度弹簧拐点发生时机，使半载点到拐点位移可得到精确控制；精确考虑弹簧杠杆比和衬套对悬架刚度的影响，利用EXCEL表格制作多种工况下的弹簧力和行程、悬架力和行程的计算公式，利用DMU模块模拟悬架跳动的每段行程的弹簧杠杆比，通过EXCEL计算公式可得到更精确的力和行程，考虑衬套刚度对悬架影响占比，使得悬架偏频指标能够更加精确的分解到变刚度弹簧的参数上；另外通过EXCEL建立变刚度弹簧“一对多”的映射关系，实时校核变刚度弹簧的切应力，确保变刚度弹簧满足要求。

Description

一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，特别涉及一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法。

背景技术

在汽车悬架系统开发的过程中，悬架系统的性能目标是由多个因素共同决定的，比如硬点、弹簧刚度、稳定杆刚度、减震器阻尼、缓冲块的性能参数等等，是典型的“一对多”的函数关系，每个零部件的参数对悬架系统的性能目标都有一定的贡献量， 在传统的悬架刚度匹配时，需要手动对每个参数进行逐一验算，往往为了满足一个悬架性能目标（例如偏频）要进行多次的计算验证，最终得出的悬架零部件参数还不一定是最优的。

在悬架匹配计算的过程中，要同时满足空载和满载尤其是空满载相差较大情况时的舒适性（偏频）要求，用定刚度弹簧不容易兼顾，传统设计弹簧都是采用近似算法，没有考虑不同工况下的杠杆比变化影响、控制臂衬套扭转刚度贡献量及方向变化的影响；而对于变刚度弹簧的开发，在传统悬架设计匹配过程中，由于没有建立起悬架偏频到弹簧参数的这种“一对多”的映射关系，特别是变刚度弹簧拐点的介入时机没有明确，需要手动对每一个变刚度弹簧参数进行验算，这样设计出的弹簧可制造性不强，风险大，DV试验及路试通不过，容易返工，费时费力。

另外，现有技术中在设计变刚度弹簧时，弹簧拐点发生的时机是通过预先设定弹簧压缩行程的经验值之后再来校核是否可行，想知道拐点发生在半载之前还是半载之后，必须通过弹簧行程计算后才能知晓，如果设计不当，可能出现弹簧切应力过大的现象，导致配套企业现有的材料满足不了性能需求，只有推翻之前的计算，重新选取参数，费时费力。

发明内容

为了解决车辆悬架变刚度弹簧设计过程繁琐、性能无法满足不同工况的问题，本发明提供了一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，采用的技术方案如下：

一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据设计车型的悬架模数、硬点以及轴荷参数，利用CATIA软件建立DMU模型；

S2、将变刚度弹簧与车轮行程分为下极限-整备、整备-满载、满载-上极限三段，并通过DMU模型仿真分析三个行程分段下的弹簧与车轮行程杠杆比；

S3、以悬架下极限-整备工况为零点，利用DMU模型测量悬架上下跳动极限的行程、变刚度弹簧高度以及缓冲块高度和缓冲块间隙值；

S4、根据车身布置和悬架总行程，初步分配悬架各工况的行程，将悬架各工况行程分为自由、下极限、整备、半载、拐点、满载、缓冲块接触、上极限八种工况，并根据悬架总行程的大小来设计变刚度弹簧的拐点；

S5、将变刚度弹簧视为一级弹簧和串联在一级弹簧上方的二级弹簧，根据设计车型参数，确定衬套刚度对悬架的影响占比，初定变刚度弹簧一级刚度和复合刚度，并利用EXCEL编制悬架在八种工况下的行程和变刚度弹簧高度公式、性能指标公式；

S6、通过步骤S5中的公式建立偏频-悬架刚度-弹簧及衬套刚度-弹簧参数之间的关系式，调整弹簧参数及拐点发生时机，观察指标参数，使空载和满载偏频、缓冲块间隙达到标准范围，完成变刚度弹簧匹配；

S7、对于步骤S6中得到的变刚度弹簧进行切应力校核，确保弹簧切应力值符合要求。

进一步地，所述步骤S4中，变刚度弹簧拐点的设定计算步骤如下：

S41、根据满载轴荷、半载轴荷、弹簧的二级刚度值计算出半载到满载的弹簧压缩高度L₁；

S42、设定拐点距离半载的位移Δ为输入值，拐点到满载的压缩距离则为L₁+Δ，根据满载的载荷和二级刚度值，计算出拐点的弹簧力F_拐；

S43、根据整备载荷、拐点时的弹簧力F_拐、弹簧的一级刚度值，计算出整备倒拐点的压缩高度L₂；

S44、通过整备载荷和弹簧一级刚度计算得到整备弹簧高度L₃,此时，弹簧拐点工况高度L=L₃-L₂。

进一步地，所述步骤S5中，

弹簧高度公式：

H₂=H₁-ΔF/K， （1）

其中，H₂为现工况弹簧高度，H₁为前工况弹簧高度，ΔF为弹簧加载力，K为弹簧刚度；

偏频公式：

n=(1/2π)·(C/m)^1/2， （2）

其中，C为悬架刚度，m为簧上质量；

弹簧刚度公式：

K=Gd⁴/8D³n(N/mm)， （3）

其中，K为弹簧刚度，G为材料剪切弹性系数，d为弹簧的丝径，D为弹簧中经，n为弹簧的有效圈数；

弹簧串联刚度公式：

K=2K₁K₂/（K₁+K₂）， （4）

其中，K为弹簧总刚度，K₁为第一段弹簧刚度，K₂为第二段弹簧刚度。

进一步地，所述步骤S7中弹簧最大切应力校核公式如下：

τ=8DPξ/πd3， （6）

其中，τ为弹簧切应力，D为弹簧中经，P为悬架上极限工况下的二级弹簧的弹簧压力，ξ为应力系数，d为弹簧丝径；

应力系数公式：

ξ=（4c-1）/（4c-4）+0.615/c， （7）

式中，c为旋绕比，c=D/d，D为弹簧中经，d为弹簧丝径。

进一步地，所述步骤S5中，悬架刚度与变刚度弹簧刚度、衬套刚度的关系采用下述公式计算：

C=Ki+λC；） （5）

其中，C为悬架刚度，K为弹簧刚度，i为杠杆比；λ为衬套的刚度占比，在自由状态时取值为0，下极限工况反向扭转为负值，向上压缩工况为正向扭转，为正值。

本发明的有益效果在于：

1、利用CATIA仿真模块建立DMU模型，根据悬架总行程初步分配空、半、满载荷点的分段行程，若悬架行程较短可确定拐点在半载之前介入，行程长度较长，则可确定拐点在半载之后介入，半载点到拐点位移可以得到精确控制；

2、通过偏频、悬架刚度和弹簧刚度之间的相互关系可知，舒适性是由偏频决定的，偏频是由簧上质量和悬架刚度决定的，悬架刚度又是由弹簧刚度、衬套刚度、轮胎刚度决定的，其中影响最大的因素弹簧刚度又是由弹簧的中径、线径、弹性模量、弹簧有效圈数等因素决定的，通过EXCEL建立“一对多”的映射关系，从而实时显示悬架刚度的设计是否可行，快速检查弹簧的切应力是否满足要求；

3、利用EXCEL编制悬架跳动过程的每个工况下的弹簧力和行程、悬架力和行程的计算公式，利用DMU模块模拟出悬架跳动的每段行程的弹簧杠杆比，并代入这些计算公式可以得到更精确的力和行程，通过仿真分析计算控制臂衬套对悬架刚度的贡献量，并且按照不同工况的扭转方向代入，从而使得悬架偏频指标能更加精确地分解到变刚度弹簧的参数上。

附图说明

图1为车辆后悬架DMU仿真模型示意图

图2为EXCEL公式编辑表格示意图

图3为变刚度弹簧拐点高度计算示意图

图4为变刚度弹簧切应力发生工况示意图

图5为变刚度弹簧的一级弹簧最大剪切应力校核表

图6为变刚度弹簧的二级弹簧最大剪切应力校核表

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，包括以下步骤：

S1、根据设计车型的悬架模数、硬点以及轴荷参数，如表1所示，利用CATIA软件建立如图1所示的DMU模型；

表1

S2、将变刚度弹簧与车轮行程分为下极限-整备、整备-满载、满载-上极限三段，并通过DMU模型仿真分析三个行程分段下的弹簧与车轮行程杠杆比，结果如表2所示；

表2

S3、以悬架下极限-整备工况为零点，利用DMU模型测量悬架上下跳动极限的行程、变刚度弹簧高度以及缓冲块高度和缓冲块间隙值，如表3所示：

表3

S4、根据车身布置和悬架总行程，初步分配悬架各工况的行程，将悬架各工况行程分为自由、下极限、整备、半载、拐点、满载、缓冲块接触、上极限八种工况，并根据悬架总行程的大小来设计变刚度弹簧的拐点，变刚度弹簧拐点根据悬架总行程的大小设计，总行程大，拐点设计在半载之后发生，总行程小，拐点设计在半载之前发生，以节省悬架行程资源，使悬架的舒适性设计更佳；

具体的，结合图3所示，变刚度弹簧拐点的计算方法如下：

S41、根据满载轴荷、半载轴荷、弹簧的二级刚度值计算出半载到满载的弹簧压缩高度L₁；

S42、设定拐点距离半载的位移Δ为输入值，拐点到满载的压缩距离则为L₁+Δ，根据满载的载荷和二级刚度值，计算出拐点的弹簧力F_拐；

S43、根据整备载荷、拐点时的弹簧力F_拐、弹簧的一级刚度值，计算出整备倒拐点的压缩高度L₂；

S44、通过整备载荷和弹簧一级刚度计算得到整备弹簧高度L₃,此时，弹簧拐点工况高度L=L₃-L₂；

在本实施例中，悬架行程较小，故将拐点设计在半载之前5mm介入，即Δ=5，当手动更改Δ时，偏频结果也会随之改变，通过本方法，半载点到拐点位移可以得到精确控制。

S5、将变刚度弹簧视为一级弹簧和串联在一级弹簧上方的二级弹簧，根据设计车型参数，利用CAE仿真确定衬套刚度对悬架的影响占比，在本实施例中，衬套刚度对悬架刚度影响占比为15%，初定变刚度弹簧一级刚度和复合刚度，并利用EXCEL编制悬架在八种工况下的行程和变刚度弹簧高度公式、性能指标公式，如图2所示，在该EXCEL表中，本步骤中所用到的公式如下：

弹簧高度公式：

H₂=H₁-ΔF/K； （1）

其中，H₂为现工况弹簧高度，H₁为前工况弹簧高度，ΔF为弹簧加载力，K为弹簧刚度；

偏频公式：

n=(1/2π)·(C/m)^1/2： （2）

其中，C为悬架刚度，m为簧上质量；

弹簧刚度公式：

K=Gd⁴/8D³n(N/mm)； （3）

其中，K为弹簧刚度，G为材料剪切弹性系数，d为弹簧的丝径，D为弹簧中经，n为弹簧的有效圈数；

弹簧串联刚度公式：

K=2K₁K₂/（K₁+K₂）； （4）

其中，K为弹簧总刚度，K₁为第一段弹簧刚度，K₂为第二段弹簧刚度；

悬架刚度与变刚度弹簧刚度、衬套刚度的关系采用下述公式计算：

C=Ki+λC； （5）

其中，C为悬架刚度，K为弹簧刚度，i为杠杆比；λ为衬套的刚度占比，在自由状态时取值为0，下极限工况反向扭转为负值，向上压缩工况为正向扭转，为正值。

S6、通过步骤S5中的公式建立偏频-悬架刚度-弹簧及衬套刚度-弹簧参数之间的关系式，调整弹簧参数及拐点发生时机，观察指标参数，使空载和满载偏频、缓冲块间隙达到标准范围，完成变刚度弹簧匹配；

S7、对于步骤S6中得到的变刚度弹簧进行切应力校核，确保弹簧最大切应力值符合要求；

具体的，变刚度弹簧最大切应力校核方法如下：

弹簧剪切应力公式：

τ=8DPξ/πd³； （6）

其中，τ为弹簧切应力，D为弹簧中经，P为悬架上极限工况下的二级弹簧的弹簧压力，ξ为应力系数，d为弹簧丝径；

应力系数公式：

ξ=（4c-1）/（4c-4）+0.615/c； （7）

式中，c为旋绕比，c=D/d，D为弹簧中经，d为弹簧丝径；

结合图4，根据弹簧切应力的计算公式可知，弹簧的最大切应力与弹簧的自身参数和受到的最大弹簧力P有关，当P值最大，弹簧参数确定的情况下，应力越大，因此，我们只需校核上极限工况下弹簧的应力即可，悬架的压缩过程如下:

a.当悬架处于下极限，弹簧只存在预紧力，此时切应力最小；

b.当继续压缩到拐点工况，这时一级弹簧已经发生并圈，一级弹簧不再变形，这时一级弹簧的切应力达到最大；

c.当悬架继续压缩到上极限工况，达到悬架理论上的最高位置，此时二级弹簧的切应力达到最大值，也就是最大的弹簧力P值，将这个力代入公式（6）中得到弹簧的最大切应力；

d.改变变刚度弹簧自身的参数如簧丝直径d、中径D，观察偏频值、弹簧切应力值落在标准范围内，如图5和图6所示的计算结果，本实施例中计算值为1095兆帕，小于行业内标准1150兆帕，符合要求，完成设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据设计车型的悬架模数、硬点以及轴荷参数，利用CATIA软件建立DMU模型；

S2、将变刚度弹簧与车轮行程分为下极限-整备、整备-满载、满载-上极限三段，并通过DMU模型仿真分析三个行程分段下的弹簧与车轮行程杠杆比；

S3、以悬架下极限-整备工况为零点，利用DMU模型测量悬架上下跳动极限的行程、变刚度弹簧高度以及缓冲块高度和缓冲块间隙值；

S4、根据车身布置和悬架总行程，初步分配悬架各工况的行程，将悬架各工况行程分为自由、下极限、整备、半载、拐点、满载、缓冲块接触、上极限八种工况，并根据悬架总行程的大小来设计变刚度弹簧的拐点；

S5、将变刚度弹簧视为一级弹簧和串联在一级弹簧上方的二级弹簧，根据设计车型参数，确定衬套刚度对悬架的影响占比，初定变刚度弹簧一级刚度和复合刚度，并利用EXCEL编制悬架在八种工况下的行程和变刚度弹簧高度公式、性能指标公式；

S6、通过步骤S5中的公式建立偏频-悬架刚度-弹簧及衬套刚度-弹簧参数之间的关系式，调整弹簧参数及拐点发生时机，观察指标参数，使空载和满载偏频、缓冲块间隙达到标准范围，完成变刚度弹簧匹配；

S7、对于步骤S6中得到的变刚度弹簧进行切应力校核，确保弹簧切应力值符合要求。

2.根据权利要求1所述的汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，变刚度弹簧拐点的设定计算步骤如下：

S41、根据满载轴荷、半载轴荷、弹簧的二级刚度值计算出半载到满载的弹簧压缩高度L₁；

S42、设定拐点距离半载的位移Δ为输入值，拐点到满载的压缩距离则为L₁+Δ，根据满载的载荷和二级刚度值，计算出拐点的弹簧力F_拐；

S43、根据整备载荷、拐点时的弹簧力F_拐、弹簧的一级刚度值，计算出整备倒拐点的压缩高度L₂；

S44、通过整备载荷和弹簧一级刚度计算得到整备弹簧高度L₃,此时，弹簧拐点工况高度L=L₃-L₂。

3.根据权利要求1所述的汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，

弹簧高度公式：

H₂=H₁-ΔF/K， （1）

其中，H₂为现工况弹簧高度，H₁为前工况弹簧高度，ΔF为弹簧加载力，K为弹簧刚度；

偏频公式：

n=(1/2π)·(C/m)^1/2， （2）

其中，C为悬架刚度，m为簧上质量；

弹簧刚度公式：

K=Gd⁴/8D³n(N/mm)， （3）

其中，K为弹簧刚度，G为材料剪切弹性系数，d为弹簧的丝径，D为弹簧中经，n为弹簧的有效圈数；

弹簧串联刚度公式：

K=2K₁K₂/（K₁+K₂）， （4）

其中，K为弹簧总刚度，K₁为第一段弹簧刚度，K₂为第二段弹簧刚度。

4.根据权利要求1所述的汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S7弹簧最大切应力校核公式如下：

τ=8DPξ/πd3， （6）

其中，τ为弹簧切应力，D为弹簧中经，P为悬架上极限工况下的二级弹簧的弹簧压力，ξ为应力系数，d为弹簧丝径；

应力系数公式：

ξ=（4c-1）/（4c-4）+0.615/c， （7）

式中，c为旋绕比，c=D/d，D为弹簧中经，d为弹簧丝径。

5.根据权利要求1所述的汽车悬架的变刚度弹簧匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，悬架刚度与变刚度弹簧刚度、衬套刚度的关系采用下述公式计算：

C=Ki+λC；） （5）

其中，C为悬架刚度，K为弹簧刚度，i为杠杆比；λ为衬套的刚度占比，在自由状态时取值为0，下极限工况反向扭转为负值，向上压缩工况为正向扭转，为正值。