斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法

摘要

本发明涉及斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片斜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，及第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx‑CD；然后，根据副簧起作用载荷，各片主簧的端点变形系数，得到第N片主簧的端点力FN；随后，根据第N片主簧的根部厚度h2、FN、及Gx‑CD，对主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。通过仿真验证可知，利用方法可得到准确可靠的斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧间隙的设计值，提高产品设计水平和性能及车辆平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

权利要求

1.斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，其中，主簧的变截面为斜线型，斜线型少片主簧的一半对称结构由根部平直段、斜线段和端部平直段三段构成，且各片主簧的端部平直段非等构，即第1主簧片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；副簧触点与第N片主簧的端部平直段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求；在主簧的各片结构参数、材料特性参数、副簧长度、副簧起作用载荷给定情况下，对斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计，其特征在于采用以下具体设计步骤：(1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l2，主簧片数N，其中，第i片主簧的斜线段的厚度比βi，i＝1,2,…,N，对各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di进行计算，即(2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算：

根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜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，其中，第N片主簧的斜线段的厚度比βN，对第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即(3)副簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力FN计算：

I步骤：根据少片斜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)中计算得到的各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di，确定各片斜线型变截面主簧的一半刚度KMi，即II步骤：根据所要求的副簧起载荷的一半即单端点载荷P，主簧片数N，及I步骤中所确定的各片斜线型变截面主簧的一半刚度KMi，对副簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力FN进行计算，即式中，KMN为第N片斜线型变截面主簧的一半刚度；

(4)斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

根据斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2，主簧片数N，II步骤中计算得到的第N片斜线型变截面主簧的端部力FN，及步骤(2)中计算得到的第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD，对少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

说明书

斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法。

背景技术

[0002] 对于少片变截面钢板弹簧，为了满足变刚度的要求，通常将其设计为主、副簧，并通过主、副簧间隙，确保在大于一定载荷之后，主、副簧接触而一起共同工作，满足车辆悬架在不同载荷情况下对钢板弹簧刚度的设计要求。

[0003] 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，即在实际设计和生产中，大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧。目前少片变截面钢板弹簧主要有两种类型，一种是抛物线型，另外一种是斜线型，其中，抛物线型的应力为等应力，其应力载荷比斜线型的更加合理。然而，由于抛物线型变截面的加工工艺复杂，需要复杂、昂贵的加工设备，而斜线型的加工工艺简单，只需要简单的设备便可加工，因此，在满足应力强度条件下，可采用斜线型的变截面钢板弹簧。对于少片斜线型变截面主、副簧，由于副簧的长度不同，副簧与主簧的接触位置也不相同，可分为在端部平直段接触和在斜线段接触的主、副钢板弹簧。由于端部非等构的斜线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，至今一直未能给出简便、准确、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法。

[0004] 尽管先前曾有人给出了少片斜线型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，给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斜线型变截面钢板弹簧进行设计，其不足之处是不能满足端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设计要求，也不能满足少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计。目前尽管有人曾对端部非等构的少片斜线型变截面主簧在端部平直段的变形，采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际设计结构的变截面钢板弹簧的变形进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更不能满足车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。

[0005] 因此，必须建立一种精确、可靠的斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，满足车辆行业快速发展及对悬架钢板弹簧精确设计的要求，提高少片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；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

发明内容

[0006] 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、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，设计流程图，如图1所示。斜线型少片变截面主副簧为对称结构，弹簧的一半对称结构可看作悬臂梁，即对称中心线看作一半弹簧的根部固定端，主簧端部受力点及副簧触点分别看作为主簧端点和副簧端点。斜线型少片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、斜线段、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，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝L-l3；主簧1各片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，各片的端部平直段的厚度和长度分别为h1i和l1i；各片斜线段的厚度比βi＝h1i/h2，i＝1,2,…,N，N为主簧的片数，N为2～4的整数；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，端部垫片的材料为碳纤维复合材料，用以降低弹簧工作时的摩擦噪声；副簧3的一半长度为LA，即副簧端点到主簧端点的水平距离l0＝L-LA；第N片主簧的端部平直段与副簧3的端部触点之间设有一定的主、副簧间隙δ，当载荷大于副簧起作用载荷时，副簧与主簧端部平直段内某点相接触。在斜线型变截面主簧的各片结构参数、材料特性参数、副簧长度、副簧起作用载荷给定情况下，对斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明所提供的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

[0008] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算：

[0009] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主簧端点的距离l2，主簧片数N，其中，第i片主簧的斜线段的厚度比βi，i＝1,2,…,N，对各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di进行计算，即

[0010]

[0011] (2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算：

[0012] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜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，其中，第N片主簧的斜线段的厚度比βN，对第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

[0013]

[0014] (3)副簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力FN计算：

[0015] I步骤：根据少片斜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)中计算得到的各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di，确定各片斜线型变截面主簧的一半刚度KMi，即

[0016]

[0017] II步骤：根据所要求的副簧起载荷的一半即单端点载荷P，主簧片数N，及I步骤中所确定的各片斜线型变截面主簧的一半刚度KMi，对副簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力FN进行计算，即

[0018]

[0019] 式中，KMN为第N片斜线型变截面主簧的一半刚度；

[0020] (4)斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

[0021] 根据斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2，主簧片数N，II步骤中计算得到的第N片斜线型变截面主簧的端部力FN，及步骤(2)中计算得到的第N片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD，对少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

[0022]

[0023] 本发明比现有技术具有的优点

[0024] 由于端部非等构的斜线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，至今一直未能给出简便、准确、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法。尽管目前有人曾对端部非等构的斜线型少片变截面主、副簧间隙采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际设计结构的少片变截面钢板弹簧的变形进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更不能满足车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。本发明可根据斜线型少片变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片斜线型变截面主簧在端点处的变形系数，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，通过各片主簧在端点处的变形系数及刚度计算，得到第N片主簧在端点所承受的载荷；随后，根据第N片主簧的根部厚度，第N片主簧在端点所承受的载荷，及在端部平直段与副簧接触点位置处的变形系数，对斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧接触点位置处的主、副簧间隙进行设计。通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计值，为斜线型少片变截面钢板弹簧的主、副簧间隙提供了可靠的设计方法，并且为CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，提高车辆悬架变截面钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，降低悬架弹簧质量和成本，提高车辆的运输效率和行驶安全性；同时，还降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

附图说明

[0025] 为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。

[0026] 图1是斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧间隙的设计流程图；

[0027] 图2是斜线型少片变截面主副簧的一半对称结构示意图；

[0028] 图3是实施例一的少片斜线型变截面钢板弹簧主簧的变形仿真云图；

[0029] 图4是实施例二的少片斜线型变截面钢板弹簧主簧的变形仿真云图。具体实施方案

[0030] 下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

[0031] 实施例一：某少片斜线型变截面主簧的片数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＝11mm，安装间距的一半l3＝55mm，斜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，即第1片主簧的斜线段的厚度比β1＝h11/h2＝0.64，第2片主簧的端部平直段的厚度h12＝6mm，即第2片主簧的斜线段的厚度比β2＝h12/h2＝0.55；副簧的一半长度LA＝465mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝L-LA＝110mm，副簧触点与主簧端部平直段内某点相接触。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N，对该少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。

[0032] 本发明实例所提供的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

[0033] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算：

[0034] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜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片主簧的斜线段的厚度比β1＝0.64，第2片主簧的斜线段的厚度比β2＝0.55，对第1片、第2片主簧的端点变形系数Gx-D1、Gx-D2分别进行计算，即

[0035]

[0036]

[0037] (2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD的计算：

[0038] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜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片主簧的斜线段的厚度比β2＝0.55，副簧触点到主簧端点的水平距离l0＝110mm，对第2片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

[0039]

[0040] (3)副簧起作用载荷下的第2片斜线型变截面主簧的端点力F2计算：

[0041] I步骤：根据少片斜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Gx-D1＝101.68mm4/N和Gx-D2＝109.72mm4/N，确定第1片、第2片斜线型变截面主簧的一半刚度KM1、KM2，分别为

[0042]

[0043]

[0044] II步骤：根据设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N，主簧片数N＝2，及I步骤中所确定的KM1＝13.09N/mm和KM2＝12.13N/mm，对副簧起作用载荷下的第2片斜线型变截面主簧的端点力F2进行计算，即

[0045]

[0046] (4)斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

[0047] 根据斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝11mm，主簧片数N＝2，II步骤中计算得到的第2片主簧的端点力F2＝577.16N，及步骤(2)中计算得到的第2片主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形数Gx-CD＝70.06mm4/N，对该斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

[0048]

[0049] 利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片斜线型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立该少片斜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，在端点施加集中载荷P＝1200N，对该少片斜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110mm处的变形量δ＝30.58mm。

[0050] 可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝30.58mm，与主副簧间隙设计值δ＝30.38mm相吻合，相对偏差仅为0.65％；结果表明该发明所提供的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。

[0051] 实施例二：某少片斜线型变截面主簧的片数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，斜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，即第1片主簧的斜线段的厚度比β1＝h11/h2＝0.64；第2片主簧的端部平直段的厚度h12＝8mm，即第2片主簧的斜线段的厚度比β2＝h12/h2＝0.57；副簧的一半长度LA＝510mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝L-LA＝90mm，副簧触点与主簧端部平直段内某点相接触。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，对该少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。

[0052] 采用与实施例一相同的设计方法和步骤，对该少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的间隙进行设计，具体步骤如下：

[0053] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Di计算：

[0054] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜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片主簧的斜线段的厚度比β1＝0.64，第2片主簧的斜线段的厚度比β2＝0.57，对第1片、第2片主簧在端点位置处的变形系数Gx-D1、Gx-D2分别进行计算，即

[0055]

[0056]

[0057] (2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD计算：

[0058] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜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片主簧的斜线段的厚度比β2＝0.57，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝90mm，对第2片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

[0059]

[0060] (3)副簧起作用载荷下的第2片斜线型变截面主簧的端点力F2计算：

[0061] I步骤：根据少片斜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Gx-D1＝114.27mm4/N、Gx-D2＝121.28mm4/N，确定第1片、第2片主簧的一半刚度KM1、KM2，分别为

[0062]

[0063]

[0064] II步骤：根据副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，主簧片数N＝2，及I步骤中所确定的KM1＝24.01N/mm和KM2＝22.63N/mm，对副簧起作用载荷下的第2片斜线型变截面主簧的端点力F2进行计算，即

[0065]

[0066] (4)斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

[0067] 根据斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝14mm，主簧片数N＝2，II步骤中计算得到的第2片主簧的端点力F2＝1455.60N，及步骤(2)中计算所得到的Gx-CD＝87.05mm4/N，对少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主、副簧间隙δ进行设计，即[0068]

[0069] 利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片斜线型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立该少片斜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，在端点施加集中载荷P＝3000N，对该少片斜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90mm处的变形量δ＝46.31mm。

[0070] 可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝46.31mm，与主副簧间隙设计值δ＝46.18mm相吻合，相对偏差仅为0.28％；结果表明该发明所提供的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。