高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法与流程

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刚度特性的计算方法。

背景技术：

随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度两级渐变刚度板簧，进一步满足在不同载荷下的悬架渐变偏频保持不变的设计要求。高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性，影响车辆行驶平顺性和安全性，它不仅与高强度两级渐变刚度板簧的主簧各片和副簧的结构有关，而且还与第1第和第2次开始接触载荷及第2次完全接触载荷有关，同时，由于主簧和第一级副簧及与第二级副簧在渐变过程中的挠度及渐变刚度计算非常复杂，据所查资料可知，目前国内外尚未给出高强度等二级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法。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刚度特性的计算方法，确保高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性满足车辆悬架系统的设计要求，提高高强度两级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能，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、可靠的高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法，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，安装夹紧距的一半L₀为骑马螺栓夹紧距的一半L₀；高强度等偏频两级渐变刚度板簧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h_i，一半作用长度为L_iT，一半夹紧长度为L_i＝L_iT-L₀/2，i＝1,2,…,n，主簧夹紧刚度为K_M。第一级副簧2的片数为m₁，第一级副簧各片的厚度为h_A1j，一半作用长度为L_A1jT，一半夹紧长度为L_A1j＝L_AjT-L₀/2，j＝1,2,…,m₁，主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度为K_M1，末片主簧的下表面与第一副簧首片的上表面之间的设置有第一级渐变间隙δ_MA1。第二级副簧3的片数为m₂，第二级副簧各片的厚度为h_A2k，一半作用长度为L_A2kT，一半夹紧长度为L_A2k＝L_A2kT-L₀/2，k＝1,2,…,m₂，主簧与第一级和第二级副簧的总复合夹紧刚度为K_MA2，第一级副簧末片下表面与第二副簧首片的上表面之间的设置有第二级渐变间隙δ_MA2。当载荷P小于第1次开始起作用载荷P_k1时，只有主簧起作用，悬架夹紧刚度为主簧夹紧刚度K_M；当载荷达到第2次开始起作用载荷P_k2时，末片主簧下表面与第一级副簧首片上表面完全接触，板簧夹紧刚度为主簧和第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1；当载荷达到第2次完全起作用载荷P_w2时，主簧和第一级副簧与第二级副簧完全接触，悬架夹紧刚度为主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2。当载荷在[P_k1,P_w2]范围内变化时，高强度两级渐变刚度板簧的第一级和第二级渐变复合夹紧刚度K_kwP1和K_kwP2随载荷而变化，从而满足在不同载荷下的悬架系统偏频保持不变的设计要求。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，接触载荷，空载载荷和额定载荷，对高强度两级渐变刚度板簧在不同载荷下的夹紧刚度特性进行计算。

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刚度特性的计算方法，其特征在于采用以下匹配设计步骤：

(1)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h_le的计算：

根据主簧的片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数m₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,m₁；第二级副簧的片数m₂，第二级副簧各片的厚度h_A2k，j＝1,2,…,m₂；主簧的总片数N＝n+m₁+m₂，对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h_le进行计算，l＝1,2,…,N，即

(2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度K_M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L_i，及步骤(1)中计算得到的h_le，l＝i＝1,2,…,n，对高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度K_M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复合夹紧刚度K_MA1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L_i，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L_A1j＝L_n+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h_le，l＝1,2,…,N₁，对主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1进行计算，即

(4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度K_MA2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L_i，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L_A1j＝L_n+j，j＝1,2,…,m₁；第二级副簧的片数m₂，第二级副簧各片的一半夹紧长度分别为L_A2k＝L_N1+k，k＝1,2,…,m₂；主副簧的总片数N＝n+m₁+m₂，及步骤(1)中计算得到的h_le，l＝1,2,…,N，对主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2进行计算，即

(5)高强度两级渐变刚度板簧的第一级和第二级渐变夹紧刚度K_kwP1和K_kwP2的计算：

I步骤：第一级渐变夹紧刚度K_kwP1的计算

根据第1次开始接触载荷P_k1，第2次开始接触载荷P_k2，步骤(2)中计算得到的K_M，对载荷P在[P_k1，P_k2]范围时的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1进行计算，即

II步骤：第二级渐变夹紧刚度K_kwP2的计算

根据第2次开始接触载荷P_k2，第2次完全接触载荷P_w2，步骤(3)中计算得到的K_MA1，对载荷P在[P_k2，P_w2]范围时的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2进行计算，即

(6)高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷变化特性的计算：

根据空载载荷P₀，额定载荷P_N第1次开始接触载荷P_k1，第2次开始接触载荷P_k2，第2次完全接触载荷P_w2，步骤(2)中计算得到的K_M，步骤(3)中计算得到的K_MA1，步骤(4)中计算得到的K_MA2，步骤(5)中计算得到的K_kwP1和K_kwP2，对高强度两级渐变刚度板簧在不同载荷P下的夹紧刚度特性K_P进行计算，即

本发明比现有技术具有的优点

主簧与一级副簧和二级副簧的渐变接触过程中，高强度等偏频两级渐变刚度板簧的挠度和渐变夹紧复合刚度计算非常复杂，不仅与主簧和一级副簧及二级副簧的结构参数有关，而且还与接触载荷有关，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刚度特性的计算方法。本发明可根据高强度两级渐变刚度板簧的主簧各片和副簧的结构参数，弹性模量，空载载荷、额定载荷、第1第开始接触载荷P_k1、第2次开始接触载荷P_k2和完全接触载荷P_w2，对高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷的变化特性进行计算。通过ANSYS仿真和样机试验验证可知，本发明所提供的高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法是正确的。利用该方法可得可靠的刚度特性设计值，确保刚度特性满足悬架系统的设计要求，提高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刚度特性的计算流程图；

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是实施例的主簧ANSYS变形仿真云图；

图4是实施例的主簧和第一级副簧的ANSYS变形仿真云图；

图5是实施例的主副簧的ANSYS变形仿真云图；

图6是实施例的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1随载荷P的变化曲线；

图7是实施例的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2随载荷P的变化曲线；

图8是实施例的高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度K_P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：某高强度两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，许用应力[σ]＝430MPa。主簧片数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L_1T＝525mm，L_2T＝450mm；主簧各片的一半夹紧长度分别为L₁＝L_1T-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2T-L₀/2＝425mm。第一级副簧的片数m₁＝1，厚度h_A1j＝11mm，一半作用长度为L_A11T＝360mm，一半夹紧长度L_A11＝L₃＝L_A11T-L₀/2＝335mm。第二级副簧的片数m₂＝2，第二级副簧各片的厚度h_A21＝11mm，h_A22＝11mm，一半作用长度分别为L_A21T＝250mm，L_A22T＝155mm；一半夹紧长度分别L_A21＝L₄＝L_A21T-L₀/2＝225mm，L_A22＝L₅＝L_A22T-L₀/2＝130mm。主副簧的总片数N＝n+m₁+m₂＝5。空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N；第1次开始接触载荷P_k1＝1888N，第2次开始接触载荷P_k2＝2641N，第2次完全接触载荷P_w2＝3694.2N。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，接触载荷、空载载荷和额定载荷，对该高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷变化特性进行计算。

本发明实例所提供的高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法，其计算流程如图1所示，具体计算步骤如下：

(1)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h_le的计算：

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h_A11＝11mm；第二级副簧的片数m₂＝2,第二级副簧各片的厚度h_A21＝11mm；h_A22＝11mm；主副簧的总片数N＝5，对渐变刚度板簧各不同片数重叠段的等效厚度h_le进行计算，l＝1,2,…,N，即

h_1e＝h₁＝8.0mm；

(2)高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度K_M的计算：

根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧片数n＝2，主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，对主簧夹紧刚度进行计算，即

根据主簧各片的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F＝900N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的主簧ANSYS变形仿真云图，如图3所示，其中，端部最大挠度f_Mmax＝34.615mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度ANSYS仿真验证值K_M＝2F/f_Mmax＝52N/mm,与计算值K_M＝51.44N/mm的相对偏差仅为1.09％，结果表明高强度两级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度K_M的计算值是准确可靠的。

(3)高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一级副簧复合夹紧刚度K_MA1的计算：

根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度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L_A11＝L₃＝335mm，主簧与第一级副簧的片数之和N₁＝n+m₁＝3，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝13.3mm，对主簧与第一级副簧的复合夹紧刚度K_MA1进行计算，即

根据主簧各片和第一级副簧的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端部施加一集中力F＝2000N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图4所示，其中，端部最大挠度f_MA1max＝35.555mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主簧和第一级副簧的复合夹紧刚度ANSYS仿真验证值K_MA1＝2F/f_MA1max＝112.502N/mm,与计算值K_MA1＝112.56N/mm的相对偏差仅为0.051％，表明高强度两级渐变刚度板簧的主簧与第一副簧的复合夹紧刚度K_MA1的计算值是准确可靠的。

(4)高强度两级渐变刚度板簧的主副簧总复合夹紧刚度K_MA2的计算：

根据高强度两级渐变刚度板簧的宽度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L_A11＝L₃＝335mm；第二级副簧片数m₂＝2，各片的一半夹紧长度分别为L_A21＝L₄＝225mm，L_A22＝L₅＝130mm。主副簧的总片数N＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝13.3mm，h_4e＝15.4mm；h_5e＝17.1mm；对主副簧的总复合夹紧刚度K_MA2进行计算，即

根据主簧和第一级副簧和第二级副簧的各片的厚度、宽度和一半夹紧长度，弹性模量E，建立ANSYS仿真模型，在端点施加一集中力F＝4000N，进行ANSYS变形仿真和刚度验证，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图5所示，其中，端部最大挠度f_MA2max＝44.184mm，因此，高强度两级渐变刚度板簧的主副簧的复合夹紧刚度ANSYS仿真验证值K_MA2＝2F/f_MA2max＝181.06N/mm,与计算值K_MA1＝181.86N/mm的相对偏差仅为0.44％，结果表明高强度两级渐变刚度板簧的主副簧的复合夹紧刚度K_MA2的计算值是准确可靠的。

(5)高强度两级渐变刚度板簧的第一级和第二级渐变夹紧刚度K_kwP1和K_kwP2的计算：

I步骤：第一级渐变夹紧刚度K_kwP1的计算

根据第1次开始接触载荷P_k1＝1888N，第2次开始接触载荷P_k2＝4133N，步骤(2)中计算得到的K_M＝51.44N/mm，对载荷P在[P_k1，P_k2]范围时的该高强度两级渐变刚度板簧的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1进行计算，即

计算所得到的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1随载荷P的变化曲线，如图6所示；其中，当载荷P＝P_k1＝1888N时的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1＝K_M＝51.44N/mm，当载荷P＝P_k2＝4133N时的第一级渐变夹紧刚度K_kwP1＝K_MA1＝112.56N/mm。

II步骤：第二级渐变夹紧刚度K_kwP2的计算

根据第2次开始接触载荷P_k2＝4133N，第2次完全接触载荷P_w2＝6678N，步骤(3)中计算得到的K_MA1＝112.56N/mm，对载荷P在[P_k2，P_w2]范围时的该高强度两级渐变刚度板簧的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2进行计算，即

计算所得到的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2随载荷P的变化曲线，如图7所示；其中，当载荷P＝P_k2时的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2＝K_MA1＝112.56N/mm；当载荷P＝P_w2时的第二级渐变夹紧刚度K_kwP2＝K_MA2＝181.86N/mm。

(6)高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度随载荷变化特性的计算：

根据空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N,第1次开始接触载荷P_k1＝1888N，第2次开始接触载荷P_k2＝4133N，第2次完全接触载荷P_w2＝6678N，步骤(2)中计算得到的K_M＝51.44N/mm，步骤(3)中计算得到的K_MA1＝112.56N/mm，步骤(4)中计算得到的K_MA2＝181.86N/mm，步骤(5)中计算得到的K_kwP1和K_kwP2，对该高强度两级渐变刚度板簧在不同载荷P下的夹紧刚度特性进行计算，即

利用Matlab计算程序，计算所得到的该高强度两级渐变刚度板簧的夹紧刚度K_P随载荷P的变化曲线，如图8所示。

通过ANSYS仿真和样机加载变形试验测试可知，本发明所提高的高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算方法是正确的，可得到高强度两级渐变刚度板簧的刚度特性的计算值，为高强度两级渐变刚度板簧的设计及CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法可提高高强度两级渐变刚度板簧的设计水平、质量和性能，确保板簧渐变刚度特性满足悬架系统的设计要求，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验测试费用，加快产品开发速度。