CN105825008B - 非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非端部接触式少片变截面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。本发明可根据端部平直段非等构的各片抛物线型变截面主簧的结构尺寸、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片主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G _x‑BC；最后，根据主簧的根部平直段厚度、各片主簧的一半刚度，第N片主簧的G _x‑BC，及主副簧间隙设计值，对副簧起作用载荷进行验算。通过变形仿真验证可知，利用方法可对非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行准确验算，从而提高产品设计水平和性能，提高车辆平顺性；同时，降低弹簧重量及成本，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

Description

非端部接触式少片变截面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，特别是非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法。

背景技术

为了满足在不同载荷下的车辆悬架变刚度设计要求，通常将少片变截面钢板弹簧设计为主、副簧，其中，主簧与副簧触点之间设有一定的主副簧间隙，副簧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片钢板弹簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚一些，即大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧；同时为了满足主副簧不同复合刚度的设计要求，通常采用不同长度的副簧，即副簧触点与主簧的接触位置也不同，因此，可分为端部接触式和非端部接触式即抛物线段接触式两种。当载荷大于副簧起作用载荷时，主副簧接触而共同起作用，其中，副簧起作用载荷的大小，对车辆行驶平顺性具有重要影响。然而，由于端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧在任意位置处的变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出非端部接触式少片变截面主副簧的副簧作用载荷的可靠验算方法。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，提出了变断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抛物型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抛物线型变截面钢板弹簧设计和计算的要求，更不能满足非端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧作用载荷的验算要求。

因此，必须建立一种精确、可靠的非端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧作用载荷的验算方法，满足车辆行业快速发展及对少片抛物线型变截面主副钢板弹簧的精确设计及副簧起作用载荷验算的要求，提高少片抛物线型变截面主副簧的设计水平、产品质量和性能，满足副簧起作用载荷的设计要求，提高车辆行驶平顺性；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、可靠的非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法，设计流程图，如图1所示。少片抛物线型变截面主副簧为对称结构，弹簧的一半对称结构可看作为变截面悬臂梁，即对称中心线看作为一半弹簧的根部固定端，弹簧端部受力点看作为端点。少片抛物线型变截面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、抛物线段和端部平直段三段所构成，每片根部平直段的厚度为h₂，安装间距的一半为l₃；主簧1各片的端部平直段非等构，即第1片的端部平直段的厚度和长度，分别大于其他各片主簧的端部平直段的厚度和长度，各片端部平直段的厚度和长度分别为h_1i和l_1i，i＝1,2,…,N，N为主簧片数，其取值范围为2～4；中间变截面为抛物线段，各片抛物线段的厚度比β_i，抛物线段的根部到主簧端点的距离为l₂＝L-l₃。主簧1各片的根部平直段之间及与副簧3的根部平直段之间设有根部垫片2，主簧1的端部平直段之间设有端部垫片4，端部垫片的材料为碳纤维复合材料，以降低弹簧工作所产生的摩擦噪声。副簧3的一半长度为L_A，即副簧端部触点到主簧端点的水平距离为l₀＝L-L_A，在第N片主簧的抛物线段与副簧3的端部触点之间设有一定的主、副簧间隙δ，以满足副簧起作用载荷的设计要。在主簧的各片结构参数、弹性模量、副簧长度、主副簧间隙给定情况下，对端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

为解决上述技术问题，本发明所提供的非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，第i片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的端部平直段的厚度和长度分别为h_1i，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂，i＝1,2,…,N，对各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀，主簧片数N，对第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC进行计算，即

(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片抛物线型变截面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-Di，对各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主副簧间隙设计值δ，主簧片数N，步骤(2)中计算得到的G_x-BC，及步骤(3)中计算得到的各片主簧一半的刚度K_Mi，对非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用时的载荷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

由于端部非等构的少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷计算方法。本发明可根据抛物线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出端部非等构的各片主簧在端点处的变形系数，及第N主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数；然后，利用各片主簧在端点处的变形系数，对各片主簧的一半刚度进行计算；最后，根据主簧的根部厚度，主簧抛物线段与副簧端部触点之间的间隙δ，第N片主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数，及各片主簧的刚度，对非端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧作用载荷进行验算。

通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，利用该方法可得到准确、可靠的非端部接触式少片变截面主副簧的副簧作用载荷的验算值，为端部非等构的少片抛物线型变截面主副簧的副簧起作用载荷验算，提供了可靠的计算方法，并且为少片抛物线型变截面主副簧的CAD及特性仿真软件的开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法可提高少片变截面主、副簧的设计水平和性能，确保满足副簧起作用载荷的设计要求，提高车辆行驶平顺性；同时，还可降低悬架弹簧重量和成本，降低设计、开发及试验费用，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是非端部接触式少片变截面主副簧的副簧作用载荷的验算流程图；

图2是非端部接触式少片变截面主副簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例一的非端部接触式抛物线型变截面主簧的变形仿真云图；

图4是实施例二的非端部接触式抛物线型变截面主簧的变形仿真云图。

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：某非端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的主簧片数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＝11mm，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片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝7mm，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂＝0.64，第2片主簧的h₁₂＝6mm，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝h₁₂/h₂＝0.55。副簧的一半长度L_A＝365mm，副簧触点到主簧端点的水平距离l₀＝210mm，副簧触点与主簧抛物线段之间的主副簧间隙设计值δ＝16.95mm。对该非端部接触式少片抛物线型变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行验算。

本发明实例所提供的非端部接触式少片变截面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)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，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＝0.64，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.55，对第1片和第2片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-D1和G_x-D2分别进行计算，即

(2)第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝520mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝210mm，主簧片数N＝2，对第2片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC进行计算，即

(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

I步骤：根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝11mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝98.16mm⁴/N和G_x-D2＝102.63mm⁴/N，对第1片和第2片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_M1和K_M2分别进行计算，即

(4)非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K验算：

根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝11mm，主簧片数N＝2，主副簧间隙δ＝16.95mm，步骤(2)中计算所得到的G_x-BC，及步骤(3)中计算得到的第1片和第2片主簧的一半刚度K_M1＝13.56N/mm和K_M2＝12.97N/mm，对该非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K进行计算，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该抛物线型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立该抛物线型变截面主簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加验算所得到的副簧起作用载荷的一半即P＝1200N，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的变形进行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210mm处的变形量δ＝17.11mm。

可知，在相同载荷情况下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝17.11mm，与主副簧间隙设计值δ＝16.95mm相吻合，相对偏差仅为0.94％；结果表明该发明所提供的非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的，副簧起作用载荷的验算值是准确可靠的。

实施例二：某非端部接触式少片抛物线型主簧的片数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＝14mm，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片主簧的端部平直段的厚度h₁₁＝9mm，第1片主簧的抛物线段的厚度比β₁＝h₁₁/h₂＝0.64；第2片主簧的端部平直段的厚度h₁₂＝8mm，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝h₁₂/h₂＝0.57。副簧的一半长度L_A＝380mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝L-L_A＝220mm，副簧触点与主簧抛物线段之间的主副簧间隙δ＝23.21mm。对该非端部接触式少片抛物线型主副簧的副簧起作用载荷进行验算。

采用与实施例一相同的验算方法和步骤，对该非端部接触式抛物线型变截面主簧的的副簧起作用载荷进行验算，具体步骤如下：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，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＝0.64，第2片主簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.57，对第1片和第2片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-D1和G_x-D2分别进行计算，即

(2)第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂＝540mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀＝220mm，主簧片数N＝2，对第2片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC进行计算，即

(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝14mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算所得到的第1片和第2片变截面主簧的端点变形系数G_x-D1＝110.54mm⁴/N和G_x-D2＝114.69mm⁴/N，对第1片和第2片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_M1和K_M2分别进行计算，即

(4)非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂＝14mm，主副簧间隙δ＝23.21mm，主簧片数N＝2，步骤(2)中计算所得到的G_x-BC＝43.26mm⁴/N，及步骤(3)中计算所得到的各片主簧的一半刚度K_M1＝24.82N/mm，K_M2＝23.92N/mm，对非端部接触式少片变截面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，根据该抛物线型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立抛物线型变截面主簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加验算所得到的副簧起作用载荷的一半即P＝3000N，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧主簧的变形进行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220mm处的变形量δ＝23.25mm。

可知，在相同载荷情况下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝23.25mm，与主副簧间隙设计值δ＝23.21mm相吻合，相对偏差仅为0.17％；结果表明该发明所提供的非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法是正确的。

Claims (1)

1.非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷验算方法，其中，抛物线型变截面主簧的一半对称结构由根部平直段、抛物线段、端部平直段三段构成，各片主簧的端部平直段非同构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，分别大于其他各片主簧的端部平直段的厚度和长度；副簧长度小于主簧长度，在副簧触点与主簧抛物线段之间设有一定的主副簧间隙，当板簧所受载荷达到副簧起作用载荷时，副簧触点与主簧抛物线段内某点相接触；在各片主簧的结构参数、弹性模量、副簧长度、主副簧间隙给定情况下，对非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷进行验算，具体验算步骤如下：

(1)各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，主簧片数N，其中，第i片主簧的根部平直段的厚度为h₂，第i片主簧的端部平直段的厚度和长度分别为h_1i，第i片主簧的抛物线段的厚度比β_i＝h_1i/h₂，i＝1,2,…,N，对各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC计算：

根据抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部到主簧端点的距离l₂，副簧触点与主簧端点的水平距离l₀，主簧片数N，对第N片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数G_x-BC进行计算，即

(3)各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi计算：

根据各片抛物线型变截面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-Di，对各片抛物线型变截面主簧的一半刚度K_Mi进行计算，即

(4)非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用载荷P_K的验算：

根据各片抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h₂，主副簧间隙设计值δ，主簧片数N，步骤(2)中计算得到的G_x-BC，及步骤(3)中计算得到的各片主簧一半的刚度K_Mi，对非端部接触式少片变截面主副簧的副簧起作用时的载荷P_K进行验算，即

式中，K_MN为第N片主簧的一半刚度。