高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法

摘要

本发明涉及高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，属于车辆悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、接触载荷、空载载荷、额定载荷及其剩余切线弧高设计要求值，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高进行设计。通过仿真和样机试验可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法是正确的，为高强度两级渐变刚度板簧设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到准确可靠的主簧初始切线弧高设计值，确保满足接触载荷、渐变刚度的设计要求，提高产品的设计水平、质量及车辆行驶平顺性和安全性；同时，还可降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

权利要求

1.高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，其中，板簧采用高强度钢板，各片板簧是以中心穿装孔对称的结构，安装夹紧距的一半为骑马螺栓夹紧距的一半；

板簧由主簧和两级副簧构成，通过主簧和两级副簧的初始切线弧高及两级渐变间隙，满足板簧接触载荷、渐变刚度及悬架在渐变载荷下的偏频保持不变的设计要求，即等偏频型高强度两级渐变刚度板簧；根据各片板簧的结构参数、弹性模量、接触载荷、空载载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高进行设计，具体设计步骤如下：(1)高强度两级渐变刚度板簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle的计算：

根据主簧的片数n,主簧各片的厚度hi，i＝1,2,...,n；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的厚度hA1j,j＝1,2,...,m1；第二级副簧片数m2,第二级副簧各片的厚度hA2k，k＝1,

2,...,m2；主簧与第一级副簧的片数之和N1＝n+m1，主副簧的总片数N＝n+m1+m2，对高强度两级渐变刚度板簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle进行计算，l＝1,2,...,N，即(2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度KM的计算：根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝i＝1,2,…,n，对主簧夹紧刚度KM进行计算，即(3)高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1的计算：根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的一半夹紧长度LA1j＝Ln+j，主簧与第一级副簧的片数之和N1＝n+m1，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝1,2,…,N1，对主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1进行计算，即(4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度KMA2的计算：

根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的一半夹紧长度LA1j＝Ln+j，j＝1,2,…,m1；第二级副簧的片数m2，第二级副簧各片的一半夹紧长度分别为LA2k＝LN1+k，k＝

1,2,…,m2；主副簧的总片数N＝n+m1+m2，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝1,2,…,N，对主副簧总复合夹紧刚度KMA2进行计算，即(5)高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0的设计：

根据空载载荷P0，第1次开始接触载荷Pk1，第2次开始接触载荷Pk2，第2次完全接触载荷Pw2，额定载荷PN，在额定载荷PN下的剩余切线弧高HgMsy，步骤(2)～步骤(4)中分别计算得到的KM、KMA1和KMA2，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0进行设计，即

说明书

高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法。

背景技术

[0002] 为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性及悬架渐变偏频保持不变的设计要求，随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度两级渐变刚度板簧，其中，主簧初始切线弧高为HgM0设计值不仅影响，不仅影响主副簧间隙、接触载荷、主簧应力、渐变夹紧刚度、悬架偏频、在额定载荷下的剩余切线弧高及车辆行驶平顺性和安全性，而且还影响第一级和第二级副簧的初始切线弧高的设计。然而，由于主簧与一级副簧和二级副簧的渐变接触过程中，接触长度和渐变刚度都随载荷而变化，因此，高强度两级渐变刚度板簧的挠度计算非常复杂，不仅与主簧和一级副簧及二级副簧的结构参数有关，而且还与各次接触载荷有关，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对车辆等偏频两级渐变刚度板簧悬架系统设计提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，以满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及其对高强度两级渐变刚度板簧的设计要求，提高产品设计水平、产品质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

发明内容

[0003] 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、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，设计流程图，如图1所示。等偏频两级渐变刚度板簧采用高强度钢板，宽度为b，弹性模量为E，各片板簧为以中心穿装孔对称的结构，其安装夹紧距的一半L0为骑马螺栓夹紧距的一半L0；高强度等偏频两级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3构成，其中，主簧1的片数为n，主簧各片的厚度为hi，一半作用长度分别为LiT，一半夹紧长度分别为Li＝LiT-L0/2，i＝1,2,…,n，主簧夹紧刚度为KM。第一级副簧2的片数为m1，第一级副簧各片的厚度为hA1j，一半作用长度为LA1jT，一半夹紧长度为LA1j＝LAjT-L0/2，j＝1,2,…,m1。主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度为KMA1，末片主簧的下表面与第一副簧首片的上表面之间的设置有第一级渐变间隙δMA1。第二级副簧3的片数为m2，第二级副簧各片的厚度为hA2k，一半作用长度为LA2kT，一半夹紧长度为LA2k＝LA2kT-L0/2，k＝1,2,…,m2。主副簧的总复合夹紧刚度为KMA2，第一级副簧末片下表面与第二副簧首片上表面之间的设置有第二级渐变间隙δMA2。当载荷达到第1次开始起作用载荷Pk1时，在骑马螺栓夹紧距外侧，末片主簧下表面与第一级副簧首片上表面开始接触，悬架夹紧刚度为主簧与第一级副簧的第一级渐变复合夹紧刚度；当载荷达到第1次开始起作用载荷Pk2时，末片主簧下表面与第一级副簧首片上表面完全接触，悬架夹紧刚度为主簧和第一级副簧的复合夹紧刚度；当载荷达到第2次完全起作用载荷Pw2时，主簧和第一级副簧与第二级副簧完全接触，悬架夹紧刚度为主副簧的总复合夹紧刚度。当载荷在[Pk1,Pw2]范围内变化时，等偏频两级渐变刚度板簧的第一级和第二级渐变复合夹紧刚度KkwP1和KkwP2随载荷而变化，从而满足在不同载荷下的悬架偏频保持不变的设计要求。根据各片板簧的结构参数、弹性模量、接触载荷、空载载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高进行设计。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

[0005] (1)高强度两级渐变刚度板簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle的计算：

[0006] 根据主簧的片数n,主簧各片的厚度hi，i＝1,2,...,n；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的厚度hA1j,j＝1,2,...,m1；第二级副簧片数m2,第二级副簧各片的厚度hA2k，k＝1,2,...,m2；主簧与第一级副簧的片数之和N1＝n+m1，主副簧的总片数N＝n+m1+m2，对高强度两级渐变刚度板簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle进行计算，l＝1,2,...,N，即[0007]

[0008] (2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度KM的计算：

[0009] 根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝i＝1,2,…,n，hne指的是当l＝n时的数值，对主簧夹紧刚度KM进行计算，即

[0010]

[0011] (3)高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1的计算：

[0012] 根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的一半夹紧长度LA1j＝Ln+j，主簧与第一级副簧的片数之和N1＝n+m1，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝1,2,…,N1，对主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1进行计算，即

[0013]

[0014] (4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度KMA2的计算：

[0015] 根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度Li，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数m1，第一级副簧各片的一半夹紧长度LA1j＝Ln+j，j＝1,2,…,m1；第二级副簧的片数m2，第二级副簧各片的一半夹紧长度分别为LA2k＝LN1+k，k＝1,2,…,m2；主副簧的总片数N＝n+m1+m2，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝1,2,…,N，对主副簧总复合夹紧刚度KMA2进行计算，即

[0016]

[0017] (5)高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0的设计：

[0018] 根据空载载荷P0，第1次开始接触载荷Pk1，第2次开始接触载荷Pk2，第2次完全接触载荷Pw2，额定载荷PN，在额定载荷PN下的剩余切线弧高HgMsy，步骤(2)～步骤(4)中分别计算得到的KM、KMA1和KMA2，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0进行设计，即[0019]

[0020] 本发明比现有技术具有的优点

[0021] 由于主簧与一级副簧和二级副簧的渐变接触过程中，接触长度和渐变刚度都随载荷而变化，因此，高强度两级渐变刚度板簧的挠度计算非常复杂，不仅与主簧和一级副簧及二级副簧的结构参数有关，而且还与各次接触载荷有关，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的挠度计算方法和主簧初始切线弧高的设计方法。本发明可根据高强度两级渐变刚度板簧的主簧各片和副簧的结构参数、弹性模量、第1次和第2次接触载荷、空载载荷和额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高进行设计。通过ANSYS仿真和样机加载变形试验验证可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法是正确的，为高强度两级渐变刚度板簧主副簧间隙设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到准确可靠的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高设计值，确保满足板簧接触载荷、渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，提高产品的设计水平、质量和性能；同时，还可降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

附图说明

[0022] 为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。

[0023] 图1是高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计流程图；

[0024] 图2是高强度两级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

[0025] 图3是实施例的高强度两级渐变刚度板簧的主簧的ANSYS变形仿真云图；

[0026] 图4是实施例的高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧的ANSYS变形仿真云图；

[0027] 图5是实施例的高强度两级渐变刚度板簧的主副簧的ANSYS变形仿真云图；

[0028] 图6是实施例的高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度fM随载荷P的变化曲线。具体实施方案

[0029] 下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

[0030] 实施例：某高强度两级渐变刚度钢板弹簧，参照图2，其包括主簧3、第一级副簧2和第二级副簧1，整个钢板弹簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L0＝50mm，弹性模量E＝200GPa。主副簧的总片数为N＝5，其中，主簧的片数n＝2，主簧各片的厚度h1＝h2＝8mm，主簧各片的一半作用长度分别为L1T＝525mm，L2T＝900/2＝450mm；主簧各片的一半夹紧长度分别为L1＝L1T-L0/2＝500mm，L2＝L2T-L0/2＝425mm。第一级副簧的片数m1＝1，厚度hA11＝11mm，一半作用长度为LA11T＝360mm，一半夹紧长度LA11＝L3＝LA11T-L0/2＝335mm。第二级副簧的片数m2＝2，第二级副簧各片的厚度hA21＝hA22＝11mm，一半作用长度分别为LA21T＝
250mm，LA22T＝155mm；一半夹紧长度分别为LA21＝L4＝LA21T-L0/2＝225mm，LA22＝L5＝LA22T-L0/
2＝130mm。该渐变刚度钢板弹簧的第1次开始接触载荷Pk1＝1888N，第2次开始接触载荷Pk2＝4133N，第2次完全接触载荷Pw2＝6678N。空载载荷P0＝1715N，额定载荷PN＝7227N，及在额定载荷下的剩余切线弧高HgMsy＝26.1mm。根据各片板簧的结构参数、弹性模量、接触载荷、空载载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对该高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高进行设计。

[0031] 本发明实例所提供的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

[0032] (1)高强度两级渐变刚度板簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle的计算：

[0033] 根据主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h1＝h2＝8mm；第一级副簧的片数m1＝1,厚度hA11＝11mm；第二级副簧的片数m2＝2,各片厚度hA21＝hA22＝11mm；主副簧的总片数N＝n+m1+m2＝5，对渐变刚度钢板弹簧不同片数重叠段的等效厚度hle进行计算，l＝1,2,...,N，[0034] 根据公式： 计算主簧各片数重叠段的等效厚度；

[0035] 根据公式： 计算主簧和第一级副簧各片数重叠段的等效厚度；

[0036] 根据公式： 计算主簧、第一级副簧和第二级副簧各片数重叠段的等效厚度；上述各片数重叠段的等效厚度的意思是指从板簧端部算起，主簧向上各个不同片数的重叠段之和的等效厚度，可以得出以下数值：

[0037] h1e＝h1＝8.0mm；

[0038]

[0039]

[0040]

[0041]

[0042] (2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度KM的计算：

[0043] 根据渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2，主簧各片的一半夹紧长度L1＝500mm，L2＝425mm，及步骤(1)中计算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，对主簧夹紧刚度进行计算，即

[0044]

[0045] 根据主簧各片的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F1＝900N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的主簧ANSYS变形仿真云图，如图3所示，其中，端部最大挠度fMmax＝34.615mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度ANSYS仿真验证值KM＝2F1/fMmax＝52N/mm,与计算值KM＝51.44N/mm的相对偏差仅为1.09％，表明高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度KM的计算值是准确可靠的。

[0046] (3)高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1的计算：

[0047] 根据高强度两级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2，主簧各片的一半夹紧长度L1＝500mm，L2＝425mm；第一级副簧片数m1＝1，一半夹紧长度LA11＝L3＝335mm，主簧与第一级副簧的片数之和N1＝n+m1＝3，及步骤(1)中计算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝13.3mm，对主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度KMA1进行计算，即

[0048]

[0049] 根据主簧各片和第一级副簧的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F2＝2000N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图4所示，其中，端部最大挠度fMA1max＝35.555mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧和第一级副簧的复合夹紧刚度ANSYS仿真验证值KMA1＝2F2/fMA1max＝112.502N/mm,与计算值KMA1＝112.56N/mm的相对偏差仅为0.051％。

[0050] (4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度KMA2的计算：

[0051] 根据高强度两级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2，主簧各片的一半夹紧长度L1＝500mm，L2＝425mm；第一级副簧的片数m1＝1，一半夹紧长度L3＝335mm；第二级副簧片数m2＝2，各片的一半夹紧长度分别为LA21＝L4＝225mm，LA22＝L5＝130mm；主副簧的总片数N＝5，及步骤(1)中计算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝13.3mm，h4e＝15.4mm；h5e＝17.1mm；对主副簧总复合夹紧刚度KMA2进行计算，即[0052]

[0053] 根据该板簧的各片的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F3＝4000N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图5所示，其中，端部最大挠度fMA2max＝44.184mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主副簧的复合夹紧刚度ANSYS仿真验证值KMA2＝2F3/fMA2max＝181.06N/mm,与计算值KMA1＝181.86N/mm的相对偏差仅为0.44％，表明高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度KMA2的计算值是准确可靠的。

[0054] (5)高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0的设计：

[0055] 根据空载载荷P0＝1715N，第1次开始接触载荷Pk1＝1888N，第2次开始接触载荷Pk2＝4133N，第2次完全接触载荷Pw2＝6678N，额定载荷PN＝7227N，在额定载荷PN下的主簧剩余切线弧高HgMsy＝26.1mm，步骤(2)～步骤(4)中分别计算得到的KM＝51.44N/mm、KMA1＝112.56N/mm和KMA2＝181.86N/mm，对该高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高HgM0进行设计，即

[0056]

[0057] 利用Matlab计算计算程序，计算所得到的高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度fM随载荷P的变化曲线，如图6所示；其中，在额定载荷PN＝7227N时的主簧挠度fMN＝86.1mm，即剩余弧高HgMsy＝HgM0-fMN＝26.1mm，可知，该满足悬架主簧切线弧高设计值HgM0＝112.2mm，满足悬架在额定载荷载荷下的剩余切线弧高HgMsy＝26.1mm的设计要求值。

[0058] 通过样机ANSYS仿真和加载挠度试验可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高的设计方法是正确的，利用该方法可得到准确可靠的高强度两级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高设计值，确保满足板簧接触载荷、渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性的设计要求。