端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的 设计方法。
【背景技术】
[0002] 少片变截面钢板弹簧与多片叠加钢板弹簧相比，由于其受力合理，应力载荷趋于 均衡，并且节省材料，实现车辆轻量化，降低车轮动载，提高车辆行驶安全性，同时还节省燃 油，提高车辆运输效率，因此具有良好的经济效益和社会效益，已引起了车辆专家的高度关 注。由于少片钢板弹簧的第1片其受力复杂，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片钢板弹簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚一些，即 在实际设计和生产中，大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧。目前钢板弹簧的变截 面主要有两种类型，一种是抛物线型，另外一种是斜线型，其中，抛物线型的应力载荷比斜 线型的更加合理。然而，由于抛物线型加工工艺复杂，需要复杂、昂贵的加工设备，而斜线型 变截面钢板弹簧则加工工艺简单，只需要简单的设备便可加工，因此，在满足应力强度条件 下，通过可用斜线型的变截面钢板弹簧，代替抛物线型的变截面钢板弹簧。
[0003] 尽管先前曾有人给出了少片斜线型变截面钢板弹簧的设计方法，例如，彭莫，高军 曾在《汽车工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了变断面钢板弹簧的设计计算方法，该方法 主要是针对端部等构的少片斜线型变截面钢板弹簧进行设计，其不足之处是不能满足端部 非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设计要求。对于端部非等构的少片斜线型变截面钢 板弹簧，由于受变形、刚度、等效厚度计算理论及其拆分设计理论的制约，至今尚未给出一 直简便、准确、可靠的设计方法，目前大都是忽略端部非等构的影响，按端部等构设计方法， 对端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧进行近似设计，因此，很难得到准确可靠的参 数设计值。随着计算机及有限元仿真软件的发展，目前尽管有人曾对端部非等构的少片斜 线型变截面钢板弹簧采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际设计结构的钢板 弹簧的变形或刚度进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更不能满足车辆快速发展 及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。
[0004] 因此，必须建立一种精确、可靠的端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设 计方法，满足车辆行业快速发展及对悬架钢板弹簧精确设计的要求，提高变截面钢板弹簧 的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用， 加快产品开发速度。
【发明内容】
[0005] 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、 可靠的端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的设计方法，其中，端部非等构少片变截面 钢板弹簧的变截面为斜线型，即由根部平直段、斜线段、端部平直段三段所构成，且各片端 部平直段为非等构，即第1片的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片的厚度和长度，其 设计流程图，如图1所示;端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的单片弹簧的一半的结构 示意图如图2所示，其中，L为弹簧长度的一半，I3为安装间距的一半，b为宽度，1!2为根部厚 度，Imh ll分别为第i片弹簧的端部厚度和平直段长度。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的 设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0007] (1)少片斜线型变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度he的计算：
[0008] 首先，选取单片斜线型变截面钢板弹簧的端部厚度与根部厚度的比值，即端部厚 度比β = 0.55;然后，根据少片斜线型变截面钢板弹簧的一半刚度设计要求值KM，一半长度 U宽度b，安装间距的一半13,斜线根部到弹簧端点的距离I2 = L-I3,弹性模量E，对满足刚度 要求的少片斜线型变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度进行计算，即
[0010] (2)少片斜线型变截面钢板弹簧的片数N及各片根部厚度出的设计：
[0011] A步骤:确定各片弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]:
[0012] 根据少片斜线型变截面钢板弹簧的一半长度L，宽度b，所受的一半载荷P，安全许 用应力[0]，及步骤(1)中计算得到的h，确定各片弹簧根部厚度的最大许用厚度[h 2]，BP
[0014] B步骤:钢板弹簧片数N及各片根部厚度匕的设计：
[0015] 选取端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的片数初始值N=2,其中，N为2~5之 间的整数;所设计的少片斜线型变截面钢板弹簧的根部厚度相等，即都等于h 2;根据A步骤 中确定的[h2]，及步骤（1)中计算得到的h，对端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的各 片根部厚度h 2进行设计，BP
[0017] 若h2<[h2]，则h2即为端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的各片根部厚度设 计值，所对应的N即为少片斜线型变截面钢板弹簧的片数设计值；
[0018] 若h2>[h2]，则取钢板弹簧的片数N=N+1，返回继续执行B步骤，对增加1片情况下的 根部厚度匕进行设计，直到当h 2 < [h2]时，少片斜线型变截面钢板弹簧的片数及各片根部厚 度设计完毕；
[0019] (3)端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的各片端部平直段厚度及长度的设 计：
[0020] I步骤:根据步骤(2)中设计得到的h2,确定第1片钢板弹簧的端部厚度比扮，即
[0022] 根据斜线根部到弹簧端点的距离12,步骤(2)中设计得到的h2,及所确定的第1片钢 板弹簧的端部厚度比扮，确定第1片钢板弹簧的端部平直段厚度hn和长度ln，分别为
[0023] hn = Pih2,
[0024] Z11=A1V2 :
[0025] II步骤:根据I步骤中确定的第1片弹簧的端部厚度比扮，步骤（1)中确定的端部厚 度比β和he，及步骤（2)中设计得到的钢板弹簧片数N和各片根部厚度h 2,确定第2片，第3 片，…，第N片弹簧的端部厚度比，即
[0027]根据所确定的第2片，第3片，…，第N片弹簧的厚度比β2 = β3 =…=βΝ，斜线根部到 弹簧端点的距离12,及步骤(2)中设计得到的h2,确定第2片，第3片，…，第N片弹簧的端部平 直段厚度和长度，分别为
[0030] (4)端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的各片不同位置厚度Iu(X)的设计：
[0031] 根据少片斜线型变截面钢板弹簧的一半长度L，斜线根部到弹簧端点的距离12,步 骤(3)中确定的各片弹簧的端部厚度和平直段长度，及步骤(2)中设计得到的各片弹簧根部 厚度h 2,以钢板弹簧自由端为坐标原点，可得端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的各 片不同位置X处厚度Iu (X)的设计值，SP
[0033] 其中，? = 1，2，···，Ν。
[0034] 本发明比现有技术具有的优点
[0035] 由于端部非等构的少片斜线型变截面钢板，其分析计算非常复杂，因此，国内、外 一直未能给出可靠的解析设计方法。目前大都是忽略端部非等构的影响，按端部等构设计 方法，对端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧进行近似设计，因此，很难得到准确可靠 的参数设计值。随着计算机及有限元仿真软件的发展，目前尽管有人曾对端部非等构的少 片斜线型变截面钢板弹簧采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际设计结构的 钢板弹簧的变形或刚度进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更不能满足车辆快速 发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。
[0036] 本发明根据钢板弹簧的设计刚度和安装结构尺寸，所选定等效单片斜线型变截面 钢板弹簧的斜线段的厚度比β，及斜线型变截面钢板弹簧的端部变形系数，首先，给出等效 单片斜线型变截面钢板弹簧根部厚度h设计方法;然后，根据钢板弹簧载荷P及最大许用应 力[0]，给出了少片斜线型变截面钢板弹簧根部最大许用厚度[h 2]的设计方法;随后，根据 等效单片钢板弹簧的根部厚度匕，利用叠加钢板重叠部分的等效厚度计算公式，给出了少 片斜线型变截面钢板弹簧片数N及根部厚度h 2的设计方法;最后，根据等效单片斜线型变截 面钢板弹簧端部平直段的厚度设计值ffie，利用叠加钢板重叠部分的等效厚度计算公式，给 出端部非等构少片斜线型变截面钢板弹簧的各片端部平直段厚度hu和长度Iu的设计方 法。
[0037] 通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的端部非等构的少 片斜线型变截面钢板弹簧的参数设计值，为端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧设计 提供了可靠的设计方法，并且为C