高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法。

背景技术：

随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度一级渐变刚度板簧，以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，其中，根据最大限位挠度设计值所设置的限位装置，可在冲击载荷下对板簧起保护作用，防止因受冲击而板簧断裂，增强钢板弹簧的使用寿命，其中，最大限位挠度设计值由最大许用应力下的最大许用载荷P_maxX所对应的最大主簧挠度所决定的。然而，由于在主副簧渐变接触过程中，高强度一级渐变刚度板簧挠度的计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对高强度一级渐变刚度设计板簧提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法，为高强度一级渐变刚度板簧设计及CAD软件开发奠定可靠的技术基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性对高强度一级渐变刚度板簧的设计要求，提高产品设计水平、质量和性能，增加板簧使用寿命，满足车辆行驶平顺性和安全性的设计要求；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、可靠的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法，设计流程图，如图1所示。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；高强度一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，由主簧1和副簧2构成，其中，主簧1的片数为n，各片主簧的厚度为h_i，一半长度为L_it，一半夹紧长度为L_i＝L_it-L₀/2，i＝1,2,…,n；副簧2的片数为m，各片副簧的厚度为h_Aj，一半长度为L_Ajt，一半夹紧长度为L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…,m。末片主簧的下表面与首片副簧的上表面之间的主副簧渐变间隙δ_MA，其大小是由主簧初始切线弧高与副簧初始切线弧高所决定的。当载荷达到开始起作用载荷P_k时，在骑马螺栓夹紧距外侧，末片主簧下表面与首片副簧上表面开始接触；当载荷达到完全接触载荷P_w时，末片主簧下表面与首片副簧上表面完全接触。当载荷在[P_k,P_w]范围内变化时，主簧末片下表面与副簧首片上表面的接触位置及主副簧渐变复合夹紧刚度K_kwP随载荷而变化，从而满足悬架偏频保持不变的设计要求，即等偏频型一级渐变刚度板簧悬架。根据最大限位挠度设计值设置一限位装置，在冲击载荷下对板簧起保护作用，增强钢板弹簧的使用寿命，其中，最大限位挠度设计值由最大许用应力下的最大许用载荷P_maxX所对应的最大主簧挠度所决定的。在主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、主簧的厚度和片数，首片主簧的一半夹紧长度，副簧的厚度和片数，开始接触载荷、完全接触载荷、额定载荷及最大许用应力给定情况下，对高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)高强度一级渐变刚度板簧的渐变复合夹紧刚度K_kwP的计算

根据主簧夹紧刚度K_M，开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，对高强度一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP进行计算，即

(2)主簧和主副簧的根部重叠部分等效厚度及主簧和副簧的最大板簧厚度的确定：

I步骤：主簧及主副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me和h_MAe的确定

根据主簧片数n,各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；副簧片数m,各片副簧的厚度h_Aj，j＝1,2,…,m；对高强度一级渐变刚度板簧的主簧的根部重叠部分等效厚度h_Me和主副簧的根部重叠部分等效厚度h_MAe分别进行确定，即

II步骤：主簧和副簧的最大厚度板簧的厚度h_max和h_Amax的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1，2,...,n；副簧片数m，各片副簧的厚度h_Aj,j＝1，2,...,m，分别确定主簧和副簧的最大厚度板簧的厚度h_max和h_Amax，即

h_max＝max(h_i)；

h_Amax＝max(h_Aj)；

(3)高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max的确定：

A步骤：基于主簧应力的最大许用载荷P_Mmax的计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，最大许用应力[σ]；首片主簧的一半夹紧长度L₁，开始接触载荷P_k，步骤(2)的I步骤中计算得到的h_Me和h_MAe，II步骤中所确定的h_max，对基于主簧应力的最大许用载荷P_Mmax进行计算，即

B步骤：基于副簧应力的最大许用载荷P_Amax的计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b，最大许用应力[σ]；首片主簧的一半夹紧长度L₁，开始接触载荷P_k，步骤(2)的I步骤中计算得到的h_MAe，II步骤中所确定的h_Amax，对基于副簧应力的最大许用载荷P_Amax进行计算，即

C步骤：高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_maxX的确定

根据A步骤计算得到的P_Mmax，B步骤计算得到的P_Amax，确定高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_maxX，即

P_maxX＝min(P_Mmax,P_Amax)；

(4)高强度一级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax的设计：

根据主簧夹紧刚度K_M1，主副簧的复合夹紧刚度K_MA，开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w，步骤(3)的C步骤中所确定的P_maxX，步骤(1)中计算所得到的K_kwP，对高强度一级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于在主副簧渐变接触过程中，高强度一级渐变刚度板簧的挠度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法。本发明可根据主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、主簧的厚度和片数，首片主簧的一半夹紧长度，副簧的厚度和片数，开始接触载荷、完全接触载荷、额定载荷及最大许用应力，对高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度进行设计。通过样机加载变形试验测试可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法是正确的，可得到准确可靠的主副簧间隙设计值，为高强度一级渐变刚度板簧设计提供了可靠的技术方法，并且为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、防止板簧因受冲击而断裂，增加板簧使用寿命，提供车辆行驶平顺性和安全性，并且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是高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计流程图；

图2是高强度一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的高强度一级渐变刚度板簧的渐变复合夹紧刚度随载荷的变化曲线；

图4是实施例的高强度一级渐变刚度板簧的挠度f_M随载荷P的变化曲线。

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：某高强度一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa，最大许用应力[σ]＝1200MPa。主簧片数n＝2片，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm。副簧片数m＝3片，各片副簧厚度h_A1＝h_A2＝h_A3＝11mm。主副簧复合夹紧刚度K_MA＝178.62N/mm。开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，额定载荷P_N＝7227N。根据该高强度一级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、主簧的厚度和片数、副簧的厚度和片数，弹性模量、首片主簧的一半夹紧长度，开始接触载荷P_k、完全接触载荷P_w额定载荷P_N和最大许用应力，对该高强度一级渐变刚度板簧的最大许用挠度进行设计。

本发明实例所提供的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)高强度一级渐变刚度板簧的渐变复合夹紧刚度K_kwP的计算

根据主簧夹紧刚度K_M＝51.44N/mm，开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，对高强度一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP进行计算，即

利用MATLAB程序，所计算得到该高强度一级渐变刚度板簧在载荷[P_k,P_w]范围内的渐变复合夹紧刚度K_kwP随载荷P的变化曲线，如图3所示，其中，当载荷P＝P_k＝1842N时，K_kwP＝K_M＝51.44N/mm；当载荷P＝P_w＝6398N时，K_kwP＝K_MA＝178.62N/mm。

(2)主簧和主副簧的根部重叠部分等效厚度及主簧和副簧的最大厚度板簧的厚度的确定：

I步骤：主簧及主副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me和h_MAe的确定

根据主簧片数n＝2,各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm；副簧片数m＝3,各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝h_A3＝11mm；对主簧和主副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me和h_MAe进行确定，即

II步骤：主簧和副簧的最大厚度板簧的厚度h_max和h_Amax的确定

根据主簧片数n＝2，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，副簧片数m＝3，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝h_A3＝11mm，分别确定主簧和副簧的最大厚度板簧的h_max和h_Amax，即

h_max＝max(h₁,h₂)＝8mm；

h_Amax＝max(h_A1,h_A2,h_A3)＝11mm。

(3)高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max的确定：

A步骤：基于主簧应力的最大许用载荷P_Mmax的计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，最大许用应力[σ]＝1200MPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，开始接触载荷P_k＝1842N，步骤(2)的I步骤中计算得到的h_Me＝10.1mm和h_MAe＝17.1mm，II步骤中所确定的h_max＝8mm，对基于主簧应力的最大许用载荷P_Mmax进行计算，即

B步骤：基于副簧应力的最大许用载荷P_Amax的计算

根据高强度一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，最大许用应力[σ]＝1200MPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，开始接触载荷P_k＝1842N，步骤(2)的I步骤中计算得到的h_MAe＝17.1mm，及II步骤中所确定的h_Amax＝11mm，对基于副簧应力的最大许用载荷P_Amax进行计算，即

C步骤：高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_maxX的确定

根据A步骤计算得到的P_Mmax＝24424N，B步骤计算得到的P_Amax＝24829N，确定该高强度一级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_maxX，即

P_maxX＝min(P_Mmax,P_Amax)＝24424N。

(4)高强度一级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax的设计：

根据主簧夹紧刚度K_M1＝51.44N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝178.62N/mm，开始接触载荷P_k＝1842N，完全接触载荷P_w＝6398N，步骤(1)中计算所得到的渐变复合夹紧刚度K_kwP，步骤(3)中所确定的P_maxX＝24424N，对该高强度一级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax进行设计，即

利用MATLAB计算程序，计算所得到该高强度一级渐变刚度板簧的挠度f_M随载荷P的变化曲线，如图4所示，其中，在最大许用载荷P_maxX＝24424N下的挠度，即为该高强度一级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax＝181.3mm。

通过样机加载挠度试验可知，本发明所提供的高强度一级渐变刚度板簧最大限位挠度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一级渐变刚度板簧的最大限位挠度设计值，为高强度一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。利用该方法可提高产品的设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性和安全性，增加板簧可靠性，防止板簧因受冲击而断裂，提高板簧的可靠性和使用寿命；同时，降低设计与试验费用，加快产品开发速度。