CN105825007B - 端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明根据各片端部加强型少片主簧的结构尺寸和弹性模量，首先确定出各片主簧的端点变形系数G_x‑Ei和一半刚度K_Mi，及第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x‑DE；然后，随后，根据主副簧间隙进行设计值，第N片主簧的根部平直段的厚度h₂、及各片主簧的一半刚度K_Mi，对端部接触式加强型少片主簧的副簧起作用载荷进行验算。通过ANSYS仿真验证可知，利用方法可得到端部接触式加强型少片主簧的副簧起作用载荷的验算值，提高少片主副簧的设计水平和性能，提高车辆平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算 方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法。

背景技术

为了满足车辆悬架变刚度的要求，通常将少片变截面钢板弹簧设计为主、副簧，其中，副簧触点与主簧之间设计有一定的主副簧间隙，确保载荷大于一定载荷之后，主、副簧接触而一起共同工作，满足悬架刚度和副簧开始起作用载荷的设计要求。由于少片变截面主簧的第1片其受力复杂，不仅承受垂向载荷，同时还承受扭转载荷和纵向载荷，因此，实际所设计的第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片主簧的端部平直段的厚度和长度，即采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧；同时，在主簧端部平直段与抛物线段之间增设一斜线段，对主簧端部起加强作用，即采用端部非等构且端部加强型的少片变截面主簧。另外，为满足主副簧不同复合刚度的设计要求，采用的副簧长度不同，副簧触点与主簧的接触位置不同，因此，对于少片变截面主副簧可分为：端部接触式和非端部接触式。少片变截面主簧的副簧起作用载荷的大小，影响车辆行驶平顺性，因此，副簧起作用载荷必须满足少片变截面主簧的设计要求。然后，由于端部加强型少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷的验算方法。尽管先前曾有人给出了少片变截面钢板弹簧的设计计算方法，例如，彭莫，高军曾在《汽车工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了变截面钢板弹簧的设计计算方法，该方法主要是针对端部等构的少片变截面钢板弹簧进行设计和计算，其不足之处是不能满足端部非等构的少片变截面钢板弹簧的设计要求，更不能满足端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算的要求。因此，必须建立一种精确、可靠的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷的验算方法，满足车辆行业快速发展及对少片变截面主副钢板弹簧精确设计的要求，提高变截面钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，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、可靠的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法，验算流程图，如图1所示。端部接触式加强型少片变截面主副簧为对称结构，主副簧的一半对称结构可看作为悬臂梁，即将对称中心线看作为根部固定端，将主簧的端部受力点和副簧的触点分别看作为主簧端点和副簧端点。端部接触式端部加强型少片主副簧的一半对称结构示意图，如图2所示，其中，包括：主簧1，根部垫片2，副簧3，端部垫片4；主簧1各片的一半长度为L，是由根部平直段、抛物线段、斜线段、端部平直段四段构成；斜线段对变截面主簧端部起加强作用；各片根部平直段的厚度为h₂，安装间距的一半为l₃，抛物线段的根部到主簧端点的距离为l₂，主簧的片数为N，其中，各片抛物线段的端部厚度为h_1ip，即各片抛物线段的厚度比β_i＝h_1ip/h₂，斜线段的长度为Δl，斜线段的根部到主簧端点的距离l_1ip＝l₂β_i ²,i＝1,2,…,N；各片主簧的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片的厚度和长度；各片主簧的端部平直段的厚度为h_1i，斜线段的端部到主簧端点的距离为l_1i＝l_1ip-Δl，斜线段的厚度比γ＝h_1i/h_1ip。主簧1的各片根部平直段及与副簧3的根部平直段之间设有根部垫片2；主簧1的各片端部平直段之间设有端部垫片4，端部垫片4的材料为碳纤维复合材料，用来降低弹簧工作时所产的摩擦噪声。副簧3的一半长度为L_A，副簧触点与主簧端点的水平距离为l₀。主簧1的第N片端部平直段与副簧3触点之间设有主副簧间隙δ，当载荷大于副簧开始起作用时的载荷时，副簧触点与主簧端部平直段内某点相接触。在各片主簧的结构参数、弹性模量、副簧的长度、主副簧间隙设计值给定情况下，对端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

为解决上述技术问题，本发明所提供的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法，其特征在于采用以下验算步骤：

(1)各片端部加强型少片主簧的端点变形系数G_x-Ei计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的抛物线段的端部厚度为h_1ip，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i＝h_1ip/h₂，第i片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_1ip，第i片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l_1i，第i片主簧的端部平直段的厚度为h_1i，斜线段的厚度比γ＝h_1i/h_1ip，i＝1,2,…,N，对各片主簧的端点变形系数G_x-Ei进行计算，即

(2)第N片端部加强型少片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂；主簧片数N，其中，第N片主簧的抛物线段的端部厚度为h_1Np，第N片主簧的抛物线段的厚度比β_N＝h_1Np/h₂，斜线段的根部到主簧端点的距离l_1Np，斜线段的端部到主簧端点的距离l_1N，斜线段的厚度比γ；副簧触点与主簧端点的水平距离l₀；对第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE进行计算，即

(3)各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，及步骤(1)中计算得到的各片主簧的端点变形系数G_x-Ei，对各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧开始起作用载荷P_K验算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，主副簧间隙δ，步骤(2)中计算得到的G_x-DE，及步骤(3)中计算得到的各片主簧的一半刚度K_Mi，对端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧开始起作用载荷P_K进行验算，即

式中，K_MN为第N片主簧的一半刚度。

本发明比现有技术具有的优点

端部加强型少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，先前一直未能给出端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷的验算方法。本发明可根据各片端部加强型少片主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片主簧的端点变形系数和一半刚度，及第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数；然后，根据主副簧间隙的设计值，各片主簧的一半刚度，根部平直段的厚度，及第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数，对副簧起作用载荷进行验算。通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算值，为端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算提供了可靠的方法。利用该方法，可提高车辆悬架变截面主副钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能及车辆行驶平顺性，同时，还可降低悬架弹簧质量和成本及设计和试验费用，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是端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷的验算流程图；

图2是端部接触式端部加强型少片主副簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例一端部加强型少片主簧的变形仿真云图；

图4是实施例二端部加强型少片主簧的变形仿真云图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：某端部加强型少片主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部平直段的厚度h₂＝10.72mm，安装间距的一半l₃＝55mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝L-l₃＝520mm。第1片主簧抛物线段的端部厚度h_11p＝6mm，端部平直段的厚度h₁₁＝7mm，第1片主簧抛物线段的厚度比β₁＝h_11p/h₂＝0.55，第1片主簧的斜线段的根部到主簧端点的距离l_11p＝l₂β₁ ²＝157.51mm。第2片主簧的抛物线段的端部厚度h_12p＝4.7mm，端部平直段的厚度h₁₂＝5.5mm，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝h_12p/h₂＝0.44，第2片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝l₂β₂ ²＝100.81mm；各片主簧的斜线段的长度Δl＝30mm，斜线段的厚度比γ＝h₁₁/h_11p＝h₁₂/h_12p＝1.17；第1片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₁＝l_11p-Δl＝127.51mm，第2片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝l_12p-Δl＝70.81mm。副簧的一半长度L_A＝525mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝50mm，副簧触点与主簧端部平直段之间的主副簧间隙设计值δ＝41.15mm；对该端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

本发明实例所提供的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法，其验算流程如图1所示，具体验算步骤如下：

(1)各片端部加强型少片主簧的端点变形系数G_x-Ei计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝520mm，主簧片数N＝2，其中，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.55，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.44；第1片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_11p＝157.51mm，第2片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝100.81mm；第1片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₁＝127.51mm，第2片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝70.81mm；斜线段的厚度比γ＝1.17，对第1片主簧和第2片主簧的端点变形系数G_x-E1和G_x-E2进分别行计算，即

(2)第N片端部加强型少片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝520mm，主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.44，第2片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝100.81mm，第2片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝70.81mm，斜线段的厚度比γ＝1.17，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝50mm，对第2片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE进行计算，即

(3)各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂＝10.72mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算得到的G_x-E1＝100.16mm⁴/N和G_x-E2＝105.23mm⁴/N，对第1片主簧和第2片主簧的一半刚度K_M1和K_M2分别进行计算，即

(4)端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K验算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂＝10.72mm，主簧片数N＝2，主副簧间隙δ＝41.15mm，步骤(2)中计算得到的G_x-DE＝86.62mm⁴/N，及步骤(3)中计算得到的K_M1＝12.30N/mm和K_M2＝11.71N/mm，对该端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该端部加强型少片主簧的结构参数和材料特性参数，建立ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在主簧端点施加验算所得到的副簧开始起作用时的载荷的一半即P＝1200N，对该端部加强型少片主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图3所示，其中，该主簧在距离端部位置50mm处的变形量δ＝41.14mm。

可知，在相同载荷下，该端部接触式加强型少片主簧在与副簧接触点处变形的ANSYS仿真验证值δ＝41.14mm，与该端部接触式加强型少片主副簧的主副簧间隙设计值相吻合，相对偏差仅为0.02％；结果表明该发明所提供的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的，载荷验算值是准确可靠的。

实施例二：某端部加强型少片主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部平直段的厚度h₂＝13.87mm，安装间距的一半l₃＝60mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝L-l₃＝540mm。第1片主簧的抛物线段的端部厚度h_11p＝7.62mm，第1片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝8.9mm，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝h_11p/h₂＝0.55，第1片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_11p＝l₂β₁ ²＝163.41mm。第2片主簧的抛物线段的端部厚度h_12p＝6.1mm，第2片主簧的端部平直段的厚度h₁₂＝7.14mm，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝h_12p/h₂＝0.44，第2片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝l₂β₂ ²＝104.45mm。各片主簧的斜线段的长度Δl＝30mm，斜线段的厚度比γ＝h₁₁/h_11p＝h₁₂/h_12p＝1.17。第1片主簧的斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₁＝l_11p-Δl＝133.41mm，第2片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝l_12p-Δl＝74.45mm。副簧的一半长度L_A＝540mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝60mm，副簧触点与主簧端部平直段内之间的主副簧间隙δ＝51.97mm。对该端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算。

采用与实施例一相同的验算方法和步骤，对该端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，具体验算步骤如下：

(1)各片端部加强型少片主簧的端点变形系数G_x-Ei计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，斜线段的厚度比γ＝1.17，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝540mm；主簧片数N＝2，其中，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.55，斜线段的根部到主簧端点的距离l_11p＝163.41mm，斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₁＝133.41mm；第2片主簧抛物线段的厚度比β₂＝0.44，斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝104.45mm，抛物线段的厚度比β₂＝0.44，斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝74.45mm，即对第1片主簧和第2片主簧的端点变形系数G_x-E1和G_x-E2分别进行计算，即

(2)第N片端部加强型少片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝540mm；主簧片数N＝2，其中，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.44，斜线段的根部到主簧端点的距离l_12p＝104.45mm，斜线段的端部到主簧端点的距离l₁₂＝74.45mm，斜线段的厚度比γ＝1.17，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝60mm，对第2片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE进行计算，即

(3)各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂＝13.87mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算得到的G_x-E1＝113.19mm⁴/N和G_x-E2＝118.88mm⁴/N，对第1片主簧和第2片主簧的一半刚度K_M1和K_M2分别进行计算，即

(4)端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K验算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂＝13.87mm，主簧片数N＝2，主副簧间隙δ＝51.97mm，步骤(2)中计算得到G_x-DE＝94.75mm⁴/N，及步骤(3)中计算得到的K_M1＝23.57N/mm和K_M2＝22.45N/mm，对该端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该端部加强型少片主簧的结构参数和材料特性参数，建立ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在主簧端点施加验算所得到的副簧开始起作用时的载荷的一半即P＝3000N，对该端部加强型少片主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图4所示，其中，该主簧在距离端部位置60mm处的变形量δ＝52.08mm。

可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧在与副簧接触点处变形的ANSYS仿真验证值δ＝52.08mm，与主副簧间隙设计值δ＝51.97mm相吻合，相对偏差仅为0.21％；结果表明该发明所提供的端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的，载荷验算值是准确可靠的。

Claims (1)

1.端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷验算方法，其中，端部加强型少片主簧的一半对称结构由根部平直段、抛物线段、斜线段和端部平直段4段构成，斜线段对主簧端部起加强作用；各片主簧的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片主簧的端部平直段的厚度和长度；副簧触点与主簧端部平直段之间设有一定的主副簧间隙，当载荷大于副簧开始起作用时的载荷时，副簧触点与主簧端部平直段内某点相接触；在各片主簧的结构参数、弹性模量、主副簧间隙设计值给定情况下，对端部接触式加强型少片主副簧的副簧起作用载荷进行验算，具体验算步骤如下：

(1)各片端部加强型少片主簧的端点变形系数G_x-Ei计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，各片主簧根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的抛物线段的端部厚度为h_1ip，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i＝h_1ip/h₂，第i片主簧斜线段的根部到主簧端点的距离l_1ip，第i片主簧斜线段的端部到主簧端点的距离l_1i，第i片主簧的端部平直段的厚度为h_1i，斜线段的厚度比γ＝h_1i/h_1ip，i＝1,2,…,N，对各片主簧的端点变形系数G_x-Ei进行计算，即

(2)第N片端部加强型少片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE计算：

根据端部加强型少片主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂；主簧片数N，其中，第N片主簧的抛物线段的端部厚度为h_1Np，第N片主簧的抛物线段的厚度比β_N＝h_1Np/h₂，斜线段的根部到主簧端点的距离l_1Np，斜线段的端部到主簧端点的距离l_1N，斜线段的厚度比γ；副簧触点与主簧端点的水平距离l₀；对第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数G_x-DE进行计算，即

(3)各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，及步骤(1)中计算得到的各片主簧的端点变形系数G_x-Ei，对各片端部加强型少片主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K验算：

根据各片端部加强型少片主簧的根部平直段的厚度h₂，主簧片数N，主副簧间隙δ，步骤(2)中计算得到的G_x-DE，及步骤(3)中计算得到的各片主簧的一半刚度K_Mi，对端部接触式端部加强型少片主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算，即

式中，K_MN为第N片主簧的一半刚度。