端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法。

背景技术：

随着汽车节能化、舒适化、轻量化、安全化的快速发展，少片变截面钢板弹簧因具有重量轻，材料利用率高，片间无摩擦或摩擦小，振动噪声低，使用寿命长等优点，日益受到车辆悬架专家、生产企业及车辆制造企业的高度关注，并且在车辆悬架系统中得到了广泛应用。通常为了满足加工工艺、应力强度、刚度及吊耳厚度的设计要求，会将少片变截面钢板弹簧加工为抛物线型、斜线型、根部加强型、端部加强型、两端加强型等不同结构形式，此外，由于少片变截面钢板弹簧第1片弹簧的受力较为复杂，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片弹簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片弹簧端部平直段的厚度和长度，即大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧，以满足第1片弹簧受力复杂的要求。据所查资料可知，先前国内外对于少片抛物线型钢板弹簧的设计和计算，大都是针对端部等构的钢板弹簧进行的，一直未曾给出可靠的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法，为端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的弧高设计奠定可靠的技术基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的设计要求，提高产品设计水平、质量和性能，满足车辆行驶平顺性的设计要求；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

技术实现要素：

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、可靠的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法，其设计流程图，如图1所示。少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半对称结构可看作为变截面悬臂梁，即将对称中心线看作为一半弹簧的根部固定端，将弹簧端部受力点看作为弹簧端点。端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半对称结构示意图，如图2所示，其中包括，弹簧1，根部垫片2，端部垫片3。弹簧1各片的一半长度为L_M，是由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段所构成，每片弹簧的根部平直段的厚度为h_2M，安装间距的一半为l₃，各片弹簧的宽度为b；弹簧1各片的端部平直段非等构，即第1片弹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，各片弹簧的端部平直段的厚度和长度分别为h_1Mi和l_1Mi，i＝1,2,…,N，N为弹簧片数；中间变截面为抛物线段，各片抛物线段的厚度比为β_i＝h_1Mi/h_2M，抛物线段的根部到弹簧端点的距离为l_2M＝L_M-l₃，抛物线段的端部到弹簧端点的距离l_1Mi＝l_2Mβ_i²，各片弹簧的初始切线弧高为H_ci。弹簧1各片的根部平直段之间设有根部垫片2，弹簧1各片的端部平直段之间设有端部垫片3，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。在各片弹簧的结构参数、弹性模量、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值给定情况下，对端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的初始切线弧高进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)端点受力情况下的抛物线型钢板弹簧各片弹簧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半长度L_M，宽度b，安装间距的一半l₃，抛物线根部到弹簧端点的距离l_2M，弹性模量E，第i片弹簧的抛物线段的厚度比β_i，其中，i＝1,2,…,N，N为弹簧片数，对端点受力情况下的各片弹簧在端点处的变形系数G_x-Di进行计算，即

(2)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧首片弹簧所受端部力F₁的计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的根部厚度h_2M，及步骤(1)中计算得到的G_x-Di，确定各片弹簧在夹紧状态下的一半刚度K_Mi，即

其中，i＝1,2,…,N，N为弹簧片数；

II步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧所受的一半额定载荷P，弹簧片数N，及I步骤中所确定的K_Mi，对首片弹簧所受的端部力F₁进行计算，即

(3)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧端部变形f_D的计算：

根据步骤(2)中I步骤所确定的K_M1，及II步骤中所确定的F₁，对额定载荷下的钢板弹簧的端部变形f_D进行计算，即

(4)端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧初始切线弧高的设计：

根据额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值H_m，及步骤(3)中计算得到的f_D，确定各片弹簧的初始切线弧高，即

H_ci＝H_m+f_D；

其中，i＝1,2,…,N，N为弹簧片数。

本发明比现有技术具有的优点

先前国内外对于少片抛物线型钢板弹簧的设计和计算，大都是针对端部等构的钢板弹簧进行的，一直未曾给出可靠的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法。本发明可根据各片弹簧的结构参数、弹性模量、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，对端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的初始切线弧高进行设计。通过样机加载变形试验测试可知，本发明所提供的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的初始切线弧高设计值，为端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础；同时，利用该方法，可提高产品设计水平、产品质量和车辆行驶平顺性；同时，还可降低设计和试验测试费用，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是端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧弧高的设计流程图；

图2是端部非等构的少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半的结构示意图。

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：某少片抛物线型变截面钢板弹簧的片数N＝2，其中，各片弹簧的一半长度L_M＝575mm，宽度b＝60mm，根部平直段的厚度h_2M＝11mm，安装间距的一半l₃＝55mm，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l_2M＝L_M-l₃＝520mm，弹性模量E＝200GPa；第1片弹簧的端部平直段的厚度h_1M1＝7mm，抛物线段的厚度比β₁＝h_1M1/h_2M＝0.64；第2片弹簧的端部平直段的厚度h_1M2＝6mm，抛物线段的厚度比β₂＝h_1M2/h_2M＝0.55。该弹簧额定载荷的一半P＝1900N，钢板弹簧在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值H_m＝26mm，对该端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的弧高进行设计。

本发明实例所提供的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法，其设计流程如图1所示，具体步骤如下：

(1)端点受力情况下的抛物线型钢板弹簧各片弹簧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半长度L_M＝575mm，宽度b＝60mm，安装间距的一半l₃＝55mm，抛物线根部到弹簧端点的距离l_2M＝520mm，弹性模量E＝200GPa，第1片弹簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.64，第2片弹簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.55，对端点受力情况下的第1片、第2片弹簧在端点处的变形系数G_x-D1、G_x-D2进行计算，即

(2)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧首片弹簧所受端部力F₁的计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的根部厚度h_2M＝11mm，及步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝89.29mm⁴/N、G_x-D2＝93.78mm⁴/N，确定第1片、第2片弹簧在夹紧状态下的一半刚度K_M1、K_M2，即

II步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧所受的一半额定载荷P＝1900N，弹簧片数N＝2，及I步骤中所确定的K_M1＝14.91N/mm、K_M2＝14.19N/mm，对首片弹簧所受的端部力F₁进行计算，即

(3)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧端部变形f_D的计算：

根据步骤(2)中I步骤所确定的K_M1＝14.91N/mm，及II步骤中所确定的F₁＝973.51N，对额定载荷下的钢板弹簧的端部变形f_D进行计算，即

(4)端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧初始切线弧高的设计：

根据额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值H_m＝26mm，及步骤(3)中计算得到的f_D＝65.29mm，确定各片弹簧的初始切线弧高，即

H_c1＝H_m+f_D＝91.29mm；

H_c2＝H_m+f_D＝91.29mm。

通过样机试验测试可知，弹簧的切线弧高设计值是可靠的，可满足端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧在额定载荷下的剩余切线弧高的设计要求，结果表明该发明所提供的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。

实施例二：某少片抛物线型变截面钢板弹簧的片数N＝2，其中，各片弹簧的一半长度L_M＝600mm，宽度b＝60mm，根部平直段的厚度h_2M＝12mm，安装间距的一半l₃＝60mm，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l_2M＝L_M-l₃＝540mm，弹性模量E＝200GPa；第1片弹簧的端部平直段的厚度h_1M1＝8mm，抛物线段的厚度比β₁＝h_1M1/h_2M＝0.67；第2片弹簧的端部平直段的厚度h_1M2＝7mm，抛物线段的厚度比β₂＝h_1M2/h_2M＝0.58。该弹簧额定载荷的一半P＝2100N，钢板弹簧在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值H_m＝28mm，对该端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧的弧高进行设计。

采用与实施例一相同的设计方法和步骤，对该少片抛物线型变截面钢板弹簧的弧高进行设计，具体步骤如下：

(1)端点受力情况下的抛物线型钢板弹簧各片弹簧端点变形系数G_x-Di的计算：

根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的一半长度L_M＝600mm，宽度b＝60mm，安装间距的一半l₃＝60mm，抛物线根部到弹簧端点的距离l_2M＝540mm，E＝200GPa，第1片弹簧的抛物线段的厚度比β₁＝0.67，第2片弹簧的抛物线段的厚度比β₂＝0.58，对端点受力情况下的第1片、第2片弹簧在端点处的变形系数G_x-D1、G_x-D2进行计算，即

(2)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧首片弹簧所受端部力F₁的计算：

I步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧的根部厚度h_2M＝12mm，及步骤(1)中计算得到的G_x-D1＝98.43mm⁴/N、G_x-D2＝103.99mm⁴/N，确定第1片、第2片弹簧在夹紧状态下的一半刚度K_M1、K_M2，即

II步骤：根据少片抛物线型变截面钢板弹簧所受的一半额定载荷P＝2100N，弹簧片数N＝2，及I步骤中所确定的K_M1＝17.56N/mm、K_M2＝16.62N/mm，对首片弹簧所受的端部力F₁进行计算，即

(3)额定载荷下的抛物线型钢板弹簧端部变形f_D的计算：

根据步骤(2)中I步骤所确定的K_M1＝17.56N/mm，及II步骤中所确定的F₁＝1078.90N，对额定载荷下的钢板弹簧的端部变形f_D进行计算，即

(4)端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧初始切线弧高的设计：

根据额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值H_m＝28mm，及步骤(3)中计算得到的f_D＝61.44mm，确定各片弹簧的初始切线弧高，即

H_c1＝H_m+f_D＝89.44mm；

H_c2＝H_m+f_D＝89.44mm。

通过样机试验测试可知，弹簧的切线弧高设计值是可靠的，可满足端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧在额定载荷下的剩余切线弧高的设计要求，结果表明该发明所提供的端部非等构的少片抛物线型钢板弹簧弧高的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。