端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法與流程

2023-06-08 12:09:08

本發明涉及車輛懸架鋼板彈簧，特別是端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法。

背景技術：

隨著汽車節能化、舒適化、輕量化、安全化的快速發展，少片變截面鋼板彈簧因具有重量輕，材料利用率高，片間無摩擦或摩擦小，振動噪聲低，使用壽命長等優點，日益受到車輛懸架專家、生產企業及車輛製造企業的高度關注，並且在車輛懸架系統中得到了廣泛應用。通常為了滿足加工工藝、應力強度、剛度及吊耳厚度的設計要求，會將少片變截面鋼板彈簧加工為拋物線型、斜線型、根部加強型、端部加強型、兩端加強型等不同結構形式，且由於少片變截面鋼板彈簧第1片彈簧的受力較為複雜，不僅承受垂向載荷，同時還承受扭轉載荷和縱向載荷，因此，實際所設計的第1片彈簧的端部平直段的厚度和長度，大於其他各片彈簧端部平直段的厚度和長度，即大都採用端部非等構的少片變截面鋼板彈簧，以滿足第1片彈簧受力複雜的要求，此外，為了滿足不同載荷下的剛度設計要求，通常將少片變截面鋼板彈簧設計為端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧形式。然而，由於端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的結構及接觸類型複雜，對其進行分析計算非常困難，據所查資料可知，目前國內外一直未曾給出可靠的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法。隨著車輛行駛速度及其對平順性要求的不斷提高，對端部接觸式少片拋物線型主副簧提出了更高的要求，因此，必須建立一種準確、可靠的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法，為端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷設計奠定可靠的技術基礎，滿足車輛行業快速發展、車輛行駛平順性及端部接觸式少片拋物線型主副簧的設計要求，提高產品設計水平、質量和性能，滿足車輛行駛平順性的設計要求；同時，降低設計及試驗費用，加快產品開發速度。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種簡便、可靠的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法，其設計流程圖，如圖1所示。端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧為對稱結構，主副簧的一半對稱結構可看作為懸臂梁，即對稱中心線為根部固定端，主簧的端部受力點和副簧的觸點分別作為主簧端點和副簧端點，一半對稱結構的主副簧的結構示意圖，如圖2所示，其中包括，主簧1，根部墊片2，副簧3，端部墊片4。主簧1每片的一半長度為LM，是由根部平直段、拋物線段和端部平直段三段所構成的，每片主簧的根部平直段的厚度為h2M，每片主簧安裝間距的一半為l3，每片主簧的寬度為b；主簧1各片的端部平直段非等構，即第1片主簧的端部平直段的厚度和長度，大於其他各片的厚度和長度，各片主簧的端部平直段的厚度和長度分別為h1Mi和l1Mi，i＝1,2,…,m，m為主簧片數；每片主簧的中間變截面為拋物線段，各片主簧的拋物線段的厚度比為βi＝h1Mi/h2M，每片主簧的拋物線段的根部到主簧端點的距離為l2M＝LM-l3，各片主簧的拋物線段的端部到主簧端點的距離l1Mi＝l2Mβi2；主簧1的各片根部平直段及與副簧3的根部平直段之間設有根部墊片2，主簧1各片的端部平直段設有端部墊片4，端部墊片4的材料為碳纖維複合材料，用來降低彈簧工作時所產的摩擦噪聲；副簧3每片的一半長度為LA，是由根部平直段、拋物線段和端部平直段三段所構成，每片副簧的根部平直段的厚度為h2A，每片副簧安裝間距的一半為l3，每片副簧的寬度為b；各片副簧的端部平直段的厚度和長度分別為h1Aj和l1Aj，j＝1,2,…,n，n為副簧片數；每片副簧的中間變截面為拋物線段，各片副簧的拋物線段的厚度比為βAj＝h1Aj/h2A，每片副簧的拋物線段的根部到副簧端點的距離為l2A＝LA-l3，各片副簧的拋物線段的端部到副簧端點的距離l1Aj＝l2AβAj2；主簧1的第m片端部平直段與副簧3的端部觸點之間設有主、副簧間隙δ；當載荷大於副簧起作用載荷時，副簧與主簧端部平直段內某點相接觸，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離為l0；當主副簧端部接觸之後，主副簧各片端部受力不相同，且與副簧相接觸的主簧除了受端點力之外，還在接觸點處承受副簧的支撐力。在車輛質量參數、各片彈簧的結構參數、彈性模量、及最大許用安全應力給定情況下，對端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷進行設計。

為解決上述技術問題，本發明所提供的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法，其特徵在於採用以下設計步驟：

(1)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧端點變形係數的計算：

I步驟：端點受力情況下的各片主簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM，寬度b，安裝間距的一半l3，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M，彈性模量E，第i片主簧的拋物線段的厚度比βi，其中，i＝1,2,…,m，m為主簧片數，對端點受力情況下的各片主簧在端點處的變形係數Gx-Di進行計算，即

II步驟：端點受力情況下的第m片主簧在副簧接觸點處變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM，寬度b，安裝間距的一半l3，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比βm，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0，對端點受力情況下的第m片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形係數Gx-CD進行計算，即

III步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM，寬度b，安裝間距的一半l3，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比βm，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0，對主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在端點位置處的變形係數Gx-Dzm進行計算，即

IV步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在副簧接觸點處變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM，寬度b，安裝間距的一半l3，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比βm，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0，對主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形係數Gx-CDz進行計算，即

V步驟：端點受力情況下的各片副簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度LA，寬度b，安裝間距的一半l3，拋物線根部到彈簧端點的距離l2A，彈性模量E，第j片副簧的拋物線段的厚度比βAj，其中，j＝1,2,…,n，n為副簧片數，對端點受力情況下的各片副簧在端點位置處的變形係數Gx-DAj進行計算，即

其中，n片副簧疊加後的變形係數Gx-DAT為

(2)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧各片夾緊剛度的計算：

A步驟：副簧接觸之前的各片主簧夾緊剛度KMi的計算：

根據主簧根部厚度h2M，及步驟(1)的I步驟中計算得到的Gx-Di，確定副簧接觸之前的各片主簧在夾緊狀態下的一半剛度KMi，即

其中，m為主簧片數；

B步驟：副簧接觸之後的各片主簧夾緊剛度KMAi的計算：

根據主簧根部厚度h2M，副簧根部厚度h2A，步驟(1)的I步驟中計算得到的Gx-Di、II步驟中計算得到的Gx-CD、III步驟中計算得到的Gx-Dzm、IV步驟中計算得到的Gx-CDz、及V步驟中計算得到的Gx-DAT，確定主副簧接觸之後的各片主簧在夾緊狀態下的一半剛度KMAi，即

其中，m為主簧片數；

C步驟：各片副簧夾緊剛度KAj的計算：

根據副簧根部厚度h2A，及步驟(1)的V步驟中計算得到的Gx-DAj，確定各片副簧在夾緊狀態下的一半剛度KAj，即

其中，n為副簧片數；

(3)副簧開始起作用最小載荷的計算：

根據單輪空載簧上質量me，重力加速度g，確定副簧開始起作用的一半最小載荷Fmin，即

(4)基於最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷的計算：

i步驟：基於首片主簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FM1的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf，重力加速度g，少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM，寬度b，安裝間距的一半l3，根部厚度h2M，主簧片數m，最大許用安全應力[σ]，及步驟(2)的A步驟中確定的KMi、B步驟中確定的KMAi，確定基於首片主簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FM1，即

ii步驟：基於末片主簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FMm的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf，重力加速度g，少片拋物線型變截面鋼板彈簧的寬度b，主簧拋物線根部到彈簧端點的距離l2M，主簧根部厚度h2M，副簧根部厚度h2A，第m片主簧的拋物線段的厚度比βm，主簧片數m，副簧片數n，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0，最大許用安全應力[σ]，步驟(1)的II步驟中計算得到的Gx-CD、IV步驟中計算得到的Gx-CDz、V步驟中計算得到的Gx-DAT，及步驟(2)的A步驟中確定的KMi、B步驟中確定的KMAi、C步驟中確定的KAj，確定基於末片主簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FMm，即

iii步驟：基於首片副簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FA1的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf，重力加速度g，少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度LA，寬度b，安裝間距的一半l3，主簧根部厚度h2M，副簧根部厚度h2A，主簧片數m，副簧片數n，最大許用安全應力[σ]，步驟(1)的II步驟中計算得到的Gx-CD、IV步驟中計算得到的Gx-CDz、V步驟中計算得到的Gx-DAT，及步驟(2)的B步驟中確定的KMAi、C步驟中確定的KAj，確定基於首片副簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FA1，即

iv步驟：基於最大許用安全應力的副簧起作用的一半最大載荷Fmax的計算：

根據i步驟中確定的FM1，ii步驟中確定的FMm，及iii步驟中確定的FA1，確定基於最大許用安全應力的副簧開始起作用的一半最大載荷Fmax，即

Fmax＝min(FM1,FMm,FA1)；

其中，min(FM1,FMm,FA1)表示取FM1、FMm和FA1中的最小的數值；

(5)端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧開始起作用載荷的設計：

根據步驟(3)中確定的Fmin，及步驟(4)的iv步驟中確定的Fmax，對端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷進行設計，即

Fk＝0.618Fmin+0.382Fmax。

本發明比現有技術具有的優點

由於端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的結構及接觸類型複雜，對其進行分析計算非常困難，據所查資料可知，目前國內外一直未曾給出可靠的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法。本發明可根據車輛質量參數、各片彈簧的結構參數、彈性模量、及最大許用安全應力，對端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷進行設計。通過樣機加載變形試驗測試可知，本發明所提供的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法是正確的，可得到準確可靠的副簧開始起作用載荷設計值，為端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的設計及CAD軟體開發奠定了可靠的技術基礎；同時，利用該方法，可提高產品設計水平、產品質量和車輛行駛平順性；同時，還可降低設計和試驗測試費用，加快產品開發速度。

附圖說明

為了更好地理解本發明，下面結合附圖做進一步的說明。

圖1是端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷的設計流程圖；

圖2是端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的一半的結構示意圖。

具體實施方案

下面通過實施例對本發明作進一步詳細說明。

實施例：某車輛的單輪空載簧上質量me＝163.26kg，單輪滿載簧上質量mf＝620.40kg，其端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧由2片主簧和1片副簧組成，即主簧片數m＝2，副簧片數n＝1，其中，各片主簧參數為：一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，根部平直段的厚度h2M＝11mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線段的根部到主簧端點的距離l2M＝LM-l3＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第1片主簧的端部平直段的厚度h1M1＝7mm，拋物線段的厚度比β1＝h1M1/h2M＝0.64，第2片主簧的端部平直段的厚度h1M2＝6mm，拋物線段的厚度比β2＝h1M2/h2M＝0.55；副簧參數為：一半長度LA＝525mm，寬度b＝60mm，根部平直段的厚度h2A＝14mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線段的根部到副簧端點的距離l2A＝LA-l3＝470mm，第1片副簧的端部平直段的厚度h1A1＝8mm，拋物線段的厚度比βA1＝h1A1/h2A＝0.57；副簧與主簧的接觸點位於主簧端部平直段內，且接觸點到主簧端點的距離l0＝50mm；重力加速度g＝9.8m/s2。該彈簧的最大許用安全應力[σ]＝900MPa，對該端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷進行設計。

本發明實例所提供的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法，其設計流程如圖1所示，具體步驟如下：

(1)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧端點變形係數的計算：

I步驟：端點受力情況下的各片主簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第1片主簧的拋物線段的厚度比β1＝0.64，第2片主簧的拋物線段的厚度比β2＝0.55，對端點受力情況下的第1片、第2片主簧在端點處的變形係數Gx-D1、Gx-D2進行計算，即

II步驟：端點受力情況下的第2片主簧在副簧接觸點處變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β2＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0＝50mm，對端點受力情況下的第2片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形係數Gx-CD進行計算，即

III步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β2＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0＝50mm，對主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在端點位置處的變形係數Gx-Dz2進行計算，即

IV步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在副簧接觸點處變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β2＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0＝50mm，對主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形係數Gx-CDz進行計算，即

V步驟：端點受力情況下的各片副簧端點變形係數的計算：

根據少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度LA＝525mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l2A＝470mm，彈性模量E＝200GPa，第1片副簧的拋物線段的厚度比βA1＝0.57，對端點受力情況下的第1片副簧在端點位置處的變形係數Gx-DA1進行計算，即

其中，1片副簧疊加後的變形係數Gx-DAT為

(2)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧各片夾緊剛度的計算：

A步驟：副簧接觸之前的各片主簧夾緊剛度KMi的計算：

根據主簧根部厚度h2M＝11mm，及步驟(1)的I步驟中計算得到的Gx-D1＝89.29mm4/N、Gx-D2＝93.78mm4/N，確定副簧接觸之前的第1片、第2片主簧在夾緊狀態下的一半剛度KM1、KM2，即

B步驟：副簧接觸之後的各片主簧夾緊剛度KMAi的計算：

根據主簧根部厚度h2M＝11mm，副簧根部厚度h2A＝14mm，步驟(1)的I步驟中計算得到的Gx-D1＝89.29mm4/N、Gx-D2＝93.78mm4/N、II步驟中計算得到的Gx-CD＝77.28mm4/N、III步驟中計算得到的Gx-Dz2＝77.28mm4/N、IV步驟中計算得到的Gx-CDz＝64.85mm4/N、及V步驟中計算得到的Gx-DAT＝69.24mm4/N，確定主副簧接觸之後的第1片、第2片主簧在夾緊狀態下的一半剛度KMA1、KMA2，即

C步驟：各片副簧夾緊剛度KAj的計算：

根據副簧根部厚度h2A＝14mm，及步驟(1)的V步驟中計算得到的Gx-DA1＝69.24mm4/N，確定第1片副簧在夾緊狀態下的一半剛度KA1，即

(3)副簧開始起作用最小載荷的計算：

根據單輪空載簧上質量me＝163.26kg，重力加速度g＝9.8m/s2，確定副簧開始起作用的一半最小載荷Fmin，即

(4)基於最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷的計算：

i步驟：基於首片主簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FM1的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf＝620.40kg，重力加速度g＝9.8m/s2，少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度LM＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，根部厚度h2M＝11mm，主簧片數m＝2，最大許用安全應力[σ]＝900MPa，及步驟(2)的A步驟中確定的KM1＝14.91N/mm、KM2＝14.19N/mm、B步驟中確定的KMA1＝14.91N/mm、KMA2＝40.20N/mm，確定基於首片主簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FM1，即

ii步驟：基於末片主簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FM2的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf＝620.40kg，重力加速度g＝9.8m/s2，少片拋物線型變截面鋼板彈簧的寬度b＝60mm，主簧拋物線根部到彈簧端點的距離l2M＝520mm，主簧根部厚度h2M＝11mm，副簧根部厚度h2A＝14mm，第2片主簧的拋物線段的厚度比β2＝0.55，主簧片數m＝2，副簧片數n＝1，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l0＝50mm，最大許用安全應力[σ]＝900MPa，步驟(1)的II步驟中計算得到的Gx-CD＝77.28mm4/N、IV步驟中計算得到的Gx-CDz＝64.85mm4/N、V步驟中計算得到的Gx-DAT＝69.24mm4/N，及步驟(2)的A步驟中確定的KM1＝14.91N/mm、KM2＝14.19N/mm、B步驟中確定的KMA1＝14.91N/mm、KMA2＝40.20N/mm、C步驟中確定的KA1＝39.63N/mm，確定基於末片主簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FM2，即

iii步驟：基於首片副簧最大許用安全應力的副簧起作用最大載荷FA1的計算：

根據單輪滿載簧上質量mf＝620.40kg，重力加速度g＝9.8m/s2，少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度LA＝525mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l3＝55mm，主簧根部厚度h2M＝11mm，副簧根部厚度h2A＝14mm，主簧片數m＝2，副簧片數n＝1，最大許用安全應力[σ]＝900MPa，步驟(1)的II步驟中計算得到的Gx-CD＝77.28mm4/N、IV步驟中計算得到的Gx-CDz＝64.85mm4/N、V步驟中計算得到的Gx-DAT＝69.24mm4/N，及步驟(2)的B步驟中確定的KMA1＝14.91N/mm、KMA2＝40.20N/mm、C步驟中確定的KA1＝39.63N/mm，確定基於首片副簧最大許用安全應力的副簧開始起作用最大載荷FA1，即

iv步驟：基於最大許用安全應力的副簧起作用的一半最大載荷Fmax的計算：

根據i步驟中確定的FM1＝3123.50N，ii步驟中確定的FM2＝3690.80N，及iii步驟中確定的FA1＝-1631.50N，確定基於最大許用安全應力的副簧開始起作用的一半最大載荷Fmax，即

Fmax＝min(FM1,FMm,FA1)＝3123.50N；

(5)端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧開始起作用載荷的設計：

根據步驟(3)中確定的Fmin＝800N，及步驟(4)的iv步驟中確定的Fmax＝3123.50N，對端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧的副簧開始起作用載荷進行設計，即

Fk＝0.618Fmin+0.382Fmax＝1687.60N。

通過樣機試驗測試可知，彈簧的副簧開始起作用載荷設計值是可靠的，可滿足端部接觸式少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧開始起作用載荷的設計要求，結果表明該發明所提供的端部接觸式拋物線型板簧副簧起作用載荷設計方法是正確的，參數設計值是準確可靠的。