高强度两级渐变刚度板簧的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，特别是高强度两级渐变刚度板簧的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，车辆悬架可采用高强度两级渐变刚度板簧，从而进一步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，为了提高板簧使用寿命，提高车辆行驶安全性，防止在过载及冲击载荷情况下板簧发生断裂，通常依据最大限位挠度设置一限位装置。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，主簧挠度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，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的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最大限位挠度的设计方法，得到准确可靠的最大限位挠度设计值，提高板簧使用寿命，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。

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、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法，设计流程图，如图1所示。等偏频两级渐变刚度板簧的各片板簧采用高强度钢板，宽度为b，弹性模量为e，各片板簧的以中心栓穿装孔为中心的对称结构，其安装夹紧距的一半l0为骑马螺栓夹紧距的一半l0；高强度两级渐变刚度板簧的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，一半作用长度为lit，一半夹紧长度为li＝lit-l0/2，i＝1,2,…,n，主簧夹紧刚度为km，主簧初始切线弧高为hgm0。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，第一级副簧的初始切线弧高为hga10，以确保满足主簧末片的下表面与第一副簧首片的上表面之间的第一级渐变间隙δma1的设计要求。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；第二级副簧的初始切线弧高为hga20，以确保第一级副簧末片下表面与第二副簧首片的上表面之间的第二级渐变间隙δa12的设计要求。依据最大许用应力及最大许用载荷所对应的主簧挠度作为板簧的最大限位挠度，并根据最大限位挠度设置一限位装置，对板簧起保护作用，防止因受冲击载荷而断裂，从而提高板簧使用寿命。根据各片板簧的结构参数、弹性模量、最大许用应力、额定载荷及接触载荷，对高强度两级渐变刚度板簧的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两级渐变刚度板簧的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)高强度两级渐变刚度板簧的最大许用载荷pmax的确定：

a步骤：各不同片数l重叠段的等效厚度计算

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；第二级副簧的片数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，对渐变刚度钢板弹簧的不同片数l重叠段的等效厚度hle进行计算，l＝1,2,...,n，即

其中，主簧根部重叠部分的等效厚度hme＝hne；主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hma1e＝hn1e；主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hma2e＝hne；

b步骤：主簧的最大厚度板簧的厚度hmax确定

根据主簧的片数n,主簧各片的厚度hi，i＝1,2,...,n，对主簧的最大板簧厚度的厚度hmax进行确定，即

hmax＝max(hi)，i＝1,2,...,n；

c步骤：最大许用载荷pmax的确定

根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b，最大许用应力[σ]；主簧首片的一半夹紧长度l1，第1次开始接触载荷pk1，第2次开始接触载荷pk2，a步骤中计算得到的hme、hma1e和hma2e，及b步骤中所确定的hmax，对最大许用载荷pmax进行确定，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钢板弹簧的宽度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，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的总复合夹紧刚度kma2的计算：

根据高强度两级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量e；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度lii＝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，及步骤(1)中计算得到的hle，l＝1,2,...,n，对主副簧的总复合夹紧刚度kma2进行计算，即

(5)高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度fmmax的设计：

根据第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，步骤(1)中所确定的pmax，步骤(2)～(4)中分别计算所得到的km、kma1和kma2，对高强度两级渐变刚度板簧的最大许用挠度fmmax进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

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，主簧挠度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，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法。本发明可主簧各片和副簧的结构参数、弹性模量、最大许用应力、额定载荷、第1次和第2次接触载荷，首先根据最大许用应力及主簧最大根部应力，确定出高强度两级渐变刚度板簧的最大许用载荷，然后，根据主簧夹紧刚度、主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度、主副簧总复合夹紧刚度及最大许用载荷，利用所建立的高强度两级渐变刚度板簧的主簧挠度计算式，对其最大限位挠度进行设计。通过样机试验可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法是正确的，为高强度两级渐变刚度板簧设计提供了可靠设计技术。利用该方法可得到准确可靠的最大限位挠度设计值，通过限位装置可对板簧起到有效保护，防止因受冲击而断裂，从而提高板簧使用寿命，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。

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是高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计流程图；

图2是高强度两级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的仿真计算得到的高强度两级渐变刚度板簧在0～pmax范围内的主簧挠度随载荷的变化曲线。

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，最大许用应力[σ]＝1200mpa。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＝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，第二级副簧各片的一半作用长度分别为la21t＝250mm，la22t＝155mm；一半夹紧长度分别la21＝l4＝la21t-l0/2＝225mm，la22＝l5＝la22t-l0/2＝130mm。额定载荷pn＝7227n，一级开始接触载荷pk1＝1888n，二级开始接触载荷pk2＝4133n，二级完全接触载荷pw2＝6678n。根据各片板簧的结构参数、弹性模量、最大许用应力、额定载荷及接触载荷，对高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度进行设计，对高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度进行设计。

本发明实例所提供的高强度两级渐变刚度板簧的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)高强度两级渐变刚度板簧的最大许用载荷pmax的确定：

a步骤：各不同片数l重叠段的等效厚度计算

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，对该高强度两级渐变刚度板簧的各不同片数l重叠段的等效厚度hle分别进行计算，l＝1,2,…,n，即

其中，主簧的根部重叠部分等效厚度hme＝h2e＝10.1mm；主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度hma1e＝h3e＝13.3mm；主副簧的根部重叠部分的总等效厚度hma2e＝h5e＝17.1mm。

b步骤：主簧的最大厚度板簧的厚度hmax确定

根据主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h1＝h2＝8mm，主簧的最大厚度板簧的厚度hmax进行确定，即

hmax＝max(h1,h2)＝8mm；

c步骤：最大许用载荷pmax的确定

根据该高强度两级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，最大许用应力[σ]＝1200mpa；主簧首片的一半夹紧长度l1＝500mm，第1次开始接触载荷pk1＝1888n，第2次开始接触载荷pk2＝4133n，a步骤中计算得到的hme＝10.1mm、hma1e＝13.3mm和hma2e＝17.1mm，及b步骤中所确定的hmax＝8mm，对最大许用载荷pmax进行确定，即

(2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度km的计算：

根据该高强度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)的a步骤中计算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，对主簧夹紧刚度进行计算，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：

根据该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)的a步骤中计算得到的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

(4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧的总复合夹紧刚度kma2的计算：

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；第一级副簧的片数m1＝1，一半夹紧长度la11＝l3＝335mm；第二级副簧的片数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＝n+m1+m2＝5，及步骤(1)的a步骤中计算得到的h1e＝8.0mm，h2e＝10.1mm，h3e＝13.3mm，h4e＝15.4mm和h5e＝17.1mm；对主副簧的总复合夹紧刚度kma2进行计算，即

(5)高强度两级渐变刚度板簧的最大限位挠度fmmax的设计：

根据第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，步骤(1)中所确定的最大许用载荷pmax＝21705n，步骤(2)～(4)中分别计算所得到的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最大许用挠度fmmax进行设计，即

利用matlab程序，仿真计算所得到该高强度两级渐变刚度板簧在0～pmax范围内的主簧挠度随载荷的变化曲线，如图3所示，其中，在最大允许载荷pmax＝21705n下的最大挠度为fmmax＝165.7mm与最大限位挠度的设计值相吻合。

通过样机加载挠度试验可知，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两级渐变刚度板簧的最大限位挠设计值，提高高强度两级渐变刚度板簧的设计水平，确保限位装置对板簧在冲击载荷下起保护作用，提高板簧的可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低设计及使用费用，加快产品开发速度。