非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法與流程

2023-07-29 16:35:41

本發明涉及車輛懸架板簧，特別是非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法。

背景技術：

為了滿足在不同載荷下的車輛行駛平順性，可將原一級漸變剛度板簧的主簧和副簧分別拆分為兩級，即採用三級漸變剛度板簧；同時，為了確保主簧的應力強度，通常通過主簧和三級副簧初始切線弧高及三級漸變間隙，使三級副簧適當提前承擔載荷，從而降低主簧的應力，即採用非等偏頻型三級漸變剛度板簧懸架，其中，三級漸變剛度板簧的夾緊剛度特性，不僅與各片主簧和各級副簧的結構參數有關，而且還與各次接觸載荷有關，並且影響懸架偏頻及車輛行駛平順性和安全性，同時，在不同載荷下的夾緊剛度特性也是主簧和各級副簧初始切線弧高及三級漸變間隙設計的前提。然而，由於非等偏頻型三級漸變剛度板簧的撓度及漸變複合夾緊剛度計算非常複雜，據所查資料可知，先前國內外一直未給出非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，不能滿足非等偏頻型三級漸變剛度板簧的設計及CAD軟體開發要求。隨著車輛行駛速度及其對平順性要求的不斷提高，對漸變剛度板簧懸架提出了更高要求，因此，必須建立一種精確、可靠的非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，為非等偏頻型三級漸變剛度板簧設計及CAD軟體開發奠定可靠的技術基礎，滿足車輛行業快速發展、車輛行駛平順性及對非等偏頻型三級漸變剛度板簧的設計要求，提高產品的設計水平、質量和性能及車輛行駛平順性；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、可靠的非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，其計算流程如圖1所示。三級漸變剛度鋼板彈簧的一半對稱結構如圖2所示，是由主簧1、第一級副簧2和第二級副簧3和第三級副簧4所組成的，板簧的一半總跨度等於首片主簧的一半作用長度L1T，騎馬螺栓夾緊距的一半為L0，鋼板彈簧的寬度為b，彈性模量為E，許用應力[σ]。其中，主簧1的片數n片，各片主簧的厚度為hi，一半作用長度為LiT，一半夾緊長度Li＝LiT-L0/2，i＝1,2,…,n。第一級副簧2的片數為n1，第一級副簧各片的厚度為hA1j，一半作用長度為LA1jT，一半夾緊長度LA1j＝Ln+j＝LA1jT-L0/2，j＝1,2,…,n1。主簧與第一級副簧的片數之和N1＝n+n1。第二級副簧3的片數為n2，第二級副簧片各片的厚度為hA2k，一半作用長度LA2kT，一半夾緊長度LA2k＝LN1+k＝LA2kT-L0/2，k＝1,2,…,n2。主簧與第一級副簧和第二級副簧的片數之和N2＝n+n1+n2。第三級副簧4的片數為n3，第三級副簧各片的厚度為hA3l，一半作用長度LA3lT，一半夾緊長度LA3l＝LN2+l＝LA3lT-L0/2，l＝1,2,…,n3。通過主簧和各級副簧的初始切線弧高，在主簧末片下表面與第一級副簧首片上表面之間設置有第一級漸變間隙δMA1；第一級副簧末片下表面與第二級副簧首片上表面之間設置有第二級間隙δA12；第二級副簧末片下表面與第三級副簧首片上表面之間設置有第三級漸變間隙δA23；以滿足板簧各次開始接觸載荷、應力強度、漸變剛度、懸架偏頻和車輛行駛平順性的設計要求。根據各片板簧的結構參數，騎馬螺栓夾緊距，彈性模量，各次接觸載荷，對非等偏頻型三級漸變剛度板簧在不同載荷下的夾緊剛度特性進行計算。

為解決上述技術問題，本發明所提供的非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，其特徵在於採用以下計算步驟：

(1)非等偏頻型三級漸變剛度板簧各不同片數重疊段的等效厚度hme的計算：

根據主簧片數n,各片主簧的厚度hi，i＝1,2,…,n；第一級副簧的片數n1，第一級副簧各片的厚度hA1j，j＝1,2,…,n1；第二級副簧的片數n2,第二級副簧各片的厚度hA2k，k＝1,2,…,n2；第三級副簧的片數n3，第三級副簧各片的厚度hA3l，l＝1,2,…,n3；主簧與第一級副簧的片數之和N1＝n+n1，主簧與第一、第二級副簧的片數之和N2＝n+n1+n2，主副簧的總片數N＝n+n1+n2+n3，對非等偏頻型三級漸變剛度板簧各不同片數m重疊段的等效厚度hme的進行計算，m＝1,2,…,N，即：

(2)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的各級夾緊剛度KM、KMA1、KMA2和KMA3計算：

A步驟：主簧夾緊剛度KM的計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b，彈性模量E；主簧片數n，主簧各片的一半夾緊長度Li，i＝1,2,…,n，及步驟(1)中計算得到的hme，m＝i＝1,2,…,n,對主簧夾緊剛度KM進行計算，即

B步驟：主簧與第一級副簧的夾緊複合剛度KMA1的計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b，彈性模量E；主簧的片數n,主簧各片的一半夾緊長度Li，i＝1,2,…,n；第一級副簧片數n1,第一級副簧各片的一半夾緊長度LA1j＝Ln+j，j＝1,2,…,n1；主簧和第一級副簧的片數之和N1＝n+n1，及步驟(1)中計算得到的hme，m＝1,2,…,N1，對主簧與第一級副簧的夾緊複合剛度KMA1進行計算，即

C步驟：主簧與第一級副簧和第二級副簧的夾緊複合剛度KMA2計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b，彈性模量E；主簧片數n,主簧各片的一半夾緊長度Li，i＝1,2,…,n；第一級副簧片數n1,第一級副簧各片的一半夾緊長度LA1j＝Ln+j，j＝1,2,…,n1；第二級副簧片數n2,第二級副簧各片的一半夾緊長度LA2k＝LN1+k,k＝1,2,…,n2，主簧與第一級副簧和第二級副簧的片數之和N2＝n+n1+n2，及步驟(1)中計算得到的hme，m＝1,2,…,N2，對主簧與第一級和第二級副簧的夾緊複合剛度KMA2進行計算，即

D步驟：主副簧的總複合夾緊剛度KMA3計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b，彈性模量E；主簧的片數n，主簧各片的一半夾緊長度Li，i＝1,2,…,n；第一級副簧片數n1,第一級副簧各片的一半夾緊長度LA1j＝Ln+j，j＝1,2,…,n1；第二級副簧片數n2,第二級副簧各片的一半夾緊長度LA2k＝LN1+k,k＝1,2,…,n2，第三級副簧片數n3,第三級副簧各片的一半夾緊長度LA3l＝LN2+l，l＝1,2,…,n3，主副簧的總片數N＝n+n1+n2+n3，及步驟(1)中計算得到的hme，m＝1,2,…,N，對主副簧的總複合夾緊剛度KMA3進行計算，即，即

(3)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第一級漸變複合夾緊剛度KkwP1的計算：

根據第1次開始接觸載荷Pk1，第2次開始接觸載荷Pk2，步驟(2)中計算得到的KM和KMA1，對載荷P在[Pk1,Pk2]範圍時的非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第一級漸變複合夾緊剛度KkwP1進行計算，即

(4)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第二級漸變複合夾緊剛度KkwP2的計算：

根據第2次開始接觸載荷Pk2，第3次開始接觸載荷Pk3，步驟(2)中計算得到的KMA1和KMA2，對載荷P在[Pk2,Pk3]範圍時的非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第二級漸變複合夾緊剛度KkwP2進行計算，即

(5)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第三級漸變複合夾緊剛度KkwP3的計算：

根據第3次開始接觸載荷Pk3，第3次完全接觸載荷Pw3，步驟(2)中計算得到的KMA2和KMA3，對載荷P在[Pk3,Pw3]範圍時非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第三級漸變複合夾緊剛度KkwP3進行計算，即

本發明比現有技術具有的優點

由於非等偏頻型三級漸變剛度板簧的撓度及漸變複合夾緊剛度計算非常複雜，先前國內外一直未給出非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，不能滿足非等偏頻型三級漸變剛度板簧的設計及CAD軟體開發要求。本發明可根據各片主簧和各級副簧的結構參數，騎馬螺栓夾緊距，彈性模量，各次接觸載荷接觸載荷，對該非等偏頻型三級漸變剛度板簧在不同載荷下的夾緊剛度特性進行計算。通過樣機加載撓度及夾緊剛度試驗可知，本發明所提供的非等偏頻型三級漸變剛度板簧接觸載荷的匹配設計方法是正確的。利用該方法可得到可靠的各次接觸載荷設計值，不僅可滿足車輛行駛平順性和非等偏頻型三級漸變剛度板簧的應力強度設計要求，並且為非等偏頻型三級漸變剛度板簧設計及CAD軟體開發奠定了可靠的技術基礎，提高非等偏頻型三級漸變剛度板簧的設計水平、質量和性能及車輛行駛平順性；同時，降低設計及試驗費用，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是非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算流程圖；

圖2是非等偏頻型三級漸變剛度板簧的一半對稱結構示意圖；

圖3是實施例的非等偏頻型三級漸變剛度板簧的夾緊剛度KP隨載荷P的變化曲線。

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：某非等偏頻型三級漸變剛度板簧的寬度b＝63mm，騎馬螺栓夾緊距的一半L0＝50mm，彈性模量E＝200GPa。主副簧的總片數N＝5，其中，主簧的片數n＝2,各片主簧的厚度h1＝h2＝8mm；各片主簧的一半作用長度為L1T＝525mm，L2T＝450mm；一半夾緊長度為L1＝L1T-L0/2＝500mm；L2＝L2T-L0/2＝425mm。第一級副簧的片數n1＝1，厚度hA11＝8mm，一半作用長度為LA11T＝350mm，一半夾緊長度為LA11＝L3＝LA11T-L0/2＝325mm。第二級副簧的片數n2＝1,厚度hA21＝13mm，一半作用長度為LA21T＝250mm，一半夾緊長度為LA21＝L4＝LA11T-L0/2＝225mm。第三級副簧的片數n3＝1，厚度hA31＝13mm，一半作用長度為LA31T＝150mm，一半夾緊長度為LA31＝L5＝LA31T-L0/2＝125mm。該非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第1次開始接觸載荷Pk1＝1810N，第2次開始接觸載荷Pk2＝2565N，第3次開始接觸載荷Pk3＝3057N，第3次完全接觸載荷Pw3＝3643N。根據各片板簧的結構參數，騎馬螺栓夾緊距，彈性模量，各次接觸載荷，對該非等偏頻型三級漸變剛度板簧在不同載荷下的夾緊剛度特性進行計算。

本發明實例所提供的非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法，其計算流程如圖1所示，具體計算步驟如下：

(1)非等偏頻型三級漸變剛度板簧各不同片數重疊段的等效厚度hme的計算：

根據主簧片數n＝2,各片主簧的厚度h1＝h2＝8mm；第一級副簧的片數n1＝1，厚度hA11＝8mm；第二級副簧的片數n2＝1,厚度hA21＝13mm；第三級副簧的片數n3＝1，厚度hA31＝13mm；主副簧的總片數N＝5，對非等偏頻型三級漸變剛度板簧各不同片數m重疊段的等效厚度hme的進行計算，m＝1,2,…,N，即：

h1e＝h1＝8.0mm；

(2)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的各級夾緊剛度KM、KMA1、KMA2和KMA3計算：

A步驟：主簧的夾緊剛度KM計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；主簧的片數n＝2,各片主簧的一半夾緊長度L1＝500mm，L2＝425mm，及步驟(1)中計算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，對主簧的夾緊剛度KM進行計算，即

B步驟：主簧與第一級副簧的夾緊複合剛度KMA1計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；主簧的片數n＝2,主簧各片的一半夾緊長度L1＝500mm，L2＝425m；第一級副簧片數n1＝1,第一級副簧的一半夾緊長度LA11＝L3＝325mm；主簧和第一級副簧的片數之和N1＝n+n1＝3，及步驟(1)中計算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝11.5mm，m＝1,2,...,N1，對第一級主簧與第二級主簧的夾緊複合剛度KMA1進行計算，即

C步驟：主簧與第一級和第二級副簧的夾緊複合剛度KMA2計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；主簧的片數n＝2,主簧各片的一半夾緊長度L1＝500mm，L2＝425m；第一級副簧片數n1＝1,第一級副簧的一半夾緊長度LA11＝L3＝325mm；第二級副簧片數n2＝1,第二級副簧的一半夾緊長度LA21＝L4＝225mm，主簧和第一級、第二級副簧的片數之和N2＝n+n1+n2＝4，及步驟(1)中計算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝11.5mm，h4e＝15.5mm，m＝1,2,...,N2，對主簧與第一級和第二級副簧的夾緊複合剛度KMA2進行計算，即

D步驟：主副簧的總複合夾緊剛度KMA3計算

根據非等偏頻三級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；主簧的片數n＝2,各片主簧的一半夾緊長度L1＝500mm，L2＝425m；第一級副簧片數n1＝1,第一副簧的一半夾緊長度LA11＝L3＝325mm；第二級副簧片數n2＝1,第二級副簧的一半夾緊長度LA21＝L4＝225mm；第三級副簧片數n3＝1,第三級副簧的一半夾緊長度LA31＝L5＝125mm，主副簧的總片數N＝5，及步驟(1)中計算得到的漸變剛度鋼板彈簧在各不同片數重疊段的等效厚度h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝11.5mm，h4e＝15.5mm，h5e＝18.1mm，m＝1,2,...,N，對主副簧的總複合夾緊剛度KMA3進行計算，即，即

(3)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第一級漸變複合夾緊剛度KkwP1的計算：

根據第1次開始接觸載荷Pk1＝1810N，第2次開始接觸載荷Pk2＝2565N，步驟(2)中計算得到的KM＝51.4N/mm和KMA1＝75.4N/mm，對載荷P在[Pk1,Pk2]範圍時該非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第一級漸變複合夾緊剛度KkwP1進行計算，即

(4)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第二級漸變複合化夾緊剛度KkwP2的計算：

根據第2次開始接觸載荷Pk2＝2565N，第3次開始接觸載荷Pk3＝3057N，步驟(2)中計算得到的KMA1＝75.4N/mm和KMA2＝144.5N/mm，對載荷P在[Pk2,Pk3]範圍時該非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第二級漸變複合夾緊剛度KkwP2進行計算，即

(5)非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第三級漸變複合夾緊剛度KkwP3的計算：

根據第3次開始接觸載荷Pk3＝3057N，第3次完全接觸載荷Pw3＝3643N，步驟(2)中計算得到的KMA2＝144.5N/mm和KMA3＝172.9N/mm，對載荷P∈[Pk3,Pw3]範圍時該非等偏頻型三級漸變剛度板簧的第三級漸變複合夾緊剛度KkwP3進行計算，即

利用Matlab計算程序，計算所得到的該非等偏頻型三級漸變剛度板簧的夾緊剛度KP隨載荷P的變化曲線如圖3所示，其中，當載荷PPW3＝3643N時，漸變夾緊剛度KP＝KMA3＝172.9N/mm。

通過樣機加載撓度及夾緊剛度試驗可知，本發明所提供的非等偏頻型三級漸變剛度板簧剛度特性的計算方法是正確的，為非等偏頻型三級漸變剛度板簧設計及CAD軟體開發奠定了可靠的技術基礎。利用該方法可得到可靠的在不同載荷下的夾緊剛度計算值，可提高非等偏頻型三級漸變剛度板簧的設計水平、質量和性能及車輛行駛平順性；同時，降低設計及試驗費用，加快產品開發速度。