少片变截面主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法
【专利摘要】本发明涉及少片变截面主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明可根据各片端部非等构的抛物线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片主簧的端点变形系数<i>G</i><i>x</i>?D<i>i</i>，及第<i>N</i>片主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数<i>G</i><i>x</i>?BC；然后，根据副簧起作用载荷和各片主簧的<i>G</i><i>x</i>?D<i>i</i>，得到第<i>N</i>片主簧的端点力<i>F</i>N；随后，根据第<i>N</i>片主簧的根部厚度<i>h</i>2和<i>F</i>N及<i>G</i><i>x</i>?BC，对主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。通过仿真验证可知，利用方法可得到准确的主副簧间隙设计值，满足副簧起作用载荷的设计要求，提高产品设计水平和性能及车辆平顺性；同时，加快产品开发速度，降低设计及试验费用。
【专利说明】
少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及车辆悬架钢板弹黃，特别是少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的 设计方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足车辆悬架在不同载荷下的变刚度设计要求，通常将少片变截面钢板弹黃 设计为主、副黃，其中，主黃在与副黃相接触点处设计有一定的间隙，确保当大于一定载荷 之后，主、副黃相接触而共同工作。由于少片变截面主黃的第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片钢板弹黃的端部厚度，通 常比其他各片的要偏厚一些，即大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹黃;同时，为了满 足主副黃不同复合刚度的设计要求，通常采用不同长度的副黃，即主黃与副黃的接触位置 也不同，因此，可分为抛物线段接触和端部平直段接触两种。然后，由于端部非等构的少片 变截面钢板弹黃在任意位置处的变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出端部非等构 的少片变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主、副黃间隙的设计方法。
[0003] 尽管先前曾有人给出了少片变截面钢板弹黃的设计方法，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黃的设计计算方法，该方法主要 是针对端部等构的少片抛物型变截面钢板弹黃进行设计，其不足之处是不能满足端部非等 构的少片变截面钢板弹黃的设计要求，更不能满足少片变截面主黃在抛物线段与副黃接触 点处的主、副黃间隙的设计。目前，尽管有人曾对少片变截面主、副黃间隙，采用ANSYS建模 仿真法，但是该方法只能对给出实际设计结构的少片变截面主、副黃间隙进行仿真验证，不 能提供精确的解析设计式，W满足解析设计的要求，更不能满足车辆快速发展及对悬架钢 板弹黃现代化CA的受计软件开发的要求。
[0004] 因此，必须建立一种精确、可靠的少片抛物线型主黃在抛物线段与副黃接触点处 的主、副黃间隙的设计方法，满足车辆行业快速发展及对少片变截面主、副钢板弹黃精确设 计的要求，提高变截面钢板弹黃的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性；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、 可靠的少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计方法，设计流程图，如图1所示。少片 抛物线型变截面主副黃为对称结构，一半对称结构的弹黃可看作为悬臂梁，即将对称中屯、 线看作弹黃的根部固定端，将主黃受力点和副黃触点分别看作为主黃端点和副黃端点。少 片抛物线型变截面主副黃的一半对称结构示意图，如图2所示，其中包括，主黃1，根部垫片 2,副黃3,端部垫片4;主黃1由N片组成，其中，N的取值范围为2~4,各片主黃的一半长度为 L，由根部平直段、抛物线段和端部平直段Ξ段构成，根部平直段的厚度为h2,安装间距的一 半为13,抛物线段的根部到弹黃端点的距离为b = kl3;主黃1各片的端部平直段非等构，即 第1片主黃端部平直段的厚度和长度，大于其他各片的厚度和长度，各片端部平直段的厚度 和长度分别为hii和hi，i=l，2,…，N;中间变截面为抛物线段，各片抛物线段的厚度比βι = hii/hs;在第Ν片主黃的Μ物线段与副黃3的端部触点之间设有一定的主、副黃间隙δ。副黃3 的长度小于主黃1的长度，副黃3的一半长度为La,即副黃3的端点到主黃端点的水平距离1〇 = kLA。主黃1的根部平直段之间及与副黃3的根部平直段之间，设有根部垫片2;主黃1的端 部平直段之间，设由端部垫片4,端部垫片4的材料为碳纤维复合材料，W降低弹黃工作时的 摩擦噪声。在主钢板弹黃的各片结构参数、材料特性参数、副黃长度、副黃起作用载荷给定 情况下，对少片变截面主黃在抛物线段与副黃端部触点之间的主副黃间隙进行设计。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的 设计方法，其特征在于采用W下设计步骤：
[0007] (1)各片抛物线型变截面主黃的端点变形系数Gx-di计算：
[000引根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L，宽度b，弹性模量E，安装间距的一半 13,抛物线段的根部到主黃端点的距离b = kl3,第i片主黃的抛物线段的厚度比扣，其中，i =1，2，…，N，N为主黃的片数，对各片主黃的端点变形系数Gx-d进行计算，即
[0009]
i=l，.2，".,W;
[0010] (2)第N片变截面主黃在抛物线段与副黃接触点的变形系数Gx-bc计算：
[0011] 根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部 到主黃端点的距离12,副黃端部触点与主黃端点的水平距离1〇,对第N片主黃在抛物线段与 副黃接触点处的变形系数Gx-bc进行计算，即
[0012]
[0013] (3)第N片变截面主黃的端点受力Fn计算：
[0014] I步骤:根据少片抛物线型变截面主黃的根部厚度h2,及步骤（1)中计算得到的各 片主黃的端点变形系数Gx-Di，确定各片抛物线型变截面主黃的一半刚度Kmi，即
[0015]
[0016] II步骤:根据副黃起载荷的一半即单端点载荷P，及I步骤中所确定的Kmi，对第N片 抛物线型变截面主黃的端点力Fn进行计算，即
[0017]
[001引式中，Kmn为第N片抛物线型变截面主黃一半刚度；
[0019] (4)少片抛物线型变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主副黃间隙δ设计：
[0020] 根据抛物线型变截面主黃的根部平直段的厚度h2，n步骤中计算得到的第Ν片主 黃的端点力Fn，及步骤（2)中计算得到的第N片主黃在抛物线段与副黃接触点的变形系数 Gx-BC，对少片抛物线型变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主副黃间隙δ进行设计，即
[0021]
[0022] 本发明比现有技术具有的优点
[0023] 由于端部非等构的少片变截面钢板弹黃在任意位置变形计算非常复杂，因此，先 前一直未能给出少片抛物线型主黃在端部平直段与副黃接触点处的主、副黃间隙的设计方 法。
[0024] 本发明可根据少片抛物线型变截面主黃的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片 主黃在端点处的变形系数，及第N主黃在端部平直段与副黃接触点处的变形系数;然后，通 过各片端点处的变形系数及刚度，得到第N片主黃在端点所分担的载荷;随后，根据第N片主 黃根部厚度和端点所分担载荷，及在端部平直段与副黃接触点处的变形系数，对少片抛物 线型变截面主黃在端部平直段与副黃接触点位置处的主、副黃间隙进行设计。
[0025] 通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的少片抛物线型变 截面主黃在端部平直段与副黃接触点处的主、副黃间隙的参数设计值，为端部非等构的少 片抛物线型变截面钢板弹黃在端部平直段内的主、副黃间隙设计，提供了可靠的设计方法， 并且为CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可提高少片变截面主、副钢板弹 黃的设计水平、产品质量和性能，降低悬架弹黃质量和成本，提高车辆行驶平顺性；同时，还 降低设计及试验费用，加快产品开发速度。
【附图说明】
[0026] 为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。
[0027] 图1是少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计流程图；
[0028] 图2是少片抛物线型变截面主副黃的一半对称结构示意图；
[0029] 图3是实施例一的少片抛物线型变截面主黃的变形仿真云图；
[0030] 图4是实施例二的少片抛物线型变截面主黃的变形仿真云图。 具体实施方案
[0031 ]下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032] 实施例一:某少片抛物线型变截面主黃的片数N = 2,其中，各片主黃的一半长度L =575mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，根部平直段的厚度h2 = 11mm，安装间距的一半 l3 = 55mm，抛物线段的根部到主黃端点的距离l2 = kl3 = 520mm，第1片主黃的端部平直段的 厚度}111 = 7皿，即第1片主黃的抛物线段的厚度比& = 0.64,第2片主黃的端部平直段的厚度 hi2 = 6mm，即第2片主黃的抛物线段的厚度比阮=0.55;副黃的一半长度LA=365mm，即副黃 端点到主黃端点的水平距离lo = kLA=210mm，当载荷大于副黃起作用载荷时，副黃端点与 主黃抛物线段内某点相接触。设计要求的副黃起作用载荷的一半即单端点载荷P=1200N， 对该少片抛物线型变截面钢板弹黃的主黃在中间抛物线段与副黃端部触点之间的主、副黃 间隙进行设计。
[0033] 本发明实例所提供的少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计方法，其设计 流程如图1所示，具体步骤如下：
[0034] (1)各片抛物线型变截面主黃的端点变形系数Gx-di计算：
[00对根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L = 575mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，安装间距的一半l3 = 55mm，抛物线段的根部到主黃端点的距离l2 = 520mm，第1片主 黃的抛物线段的厚度比01 = 0.64,第2片主黃的抛物线段的厚度比& = 0.55,对第1片、第2片 主黃的端点变形系数Gx-D1、Gx-D2分别进行计算，即
[003引（2)第2片变截面主黃在抛物线段与副黃接触点的变形系数Gx-bg计算：
[0039] 根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L = 575mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，抛物线端的根部到主黃端点的距离b = 520mm，副黃端点到主黃端点的距离1〇 = 210mm，对第2片主黃在抛物线段与副黃接触点处的变形系数Gx-bc进行计算，即
[0040]
[0041] (3)第2片变截面主黃的端点力F2计算：
[0042] I步骤:根据少片抛物线型变截面主黃的根部平直段的厚度h2 = llmm，及步骤（1) 中计算得到的Gx-Di = 98.16mm4/N和心〇2=102.631111114/^，确定第1片、第2片主黃的一半刚度 Kmi、Km2,分别为
[0045] II步骤:根据副黃起作用载荷的一半即单端点载荷P=1200N，及I步骤中所确定的 第1片主黃的一半刚度KMi=13.56N/mm、第2片主黃的一半刚度KM2 = 12.97N/mm，对第2片主 黃的端点力F2进行计算，即
[0046]
[0047] (4)少片抛物线型变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主、副黃间隙δ设计： [004引根据主黃的根部平直段的厚度h2=llmm，II步骤中计算得到的F2 = 586.66N，及步 骤(2)中计算得到的Gx-Bc = 38.46mm4/N，对主黃在抛物线段与副黃接触点处的主、畐騰间隙δ 进行设计，即
[0049]
[0050] 利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片抛物线型变截面主黃的结构参数和材料 特性参数，建立该少片抛物线型变截面主黃的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格， 并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加集中载荷Ρ=1200Ν，对该少片抛物线型变 截面主黃的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图3所示，其中，该主黃在距离 端部位置210mm处的变形量δ = 17.11mm。
[0051] 可知，在相同载荷情况下，该少片抛物线型变截面主黃的ANSYS仿真验证值δ = 17.11mm，与主副黃间隙设计值δ = 16.95mm相吻合，相对偏差仅为0.94% ;结果表明该发明 所提供的少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确 可靠的。
[0052] 实施例二:某少片抛物线型变截面主黃的片数N = 2,其中，各片主黃的一半长度L = 600mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，根部厚度h2 = 14mm，安装间距的一半l3 = 60mm， 抛物线段的根部到主黃端点的距离l2 = kl3 = 540mm;第1片主黃的端部平直段的厚度hii = 9mm，即第1片主黃的抛物线段的厚度比βι = 0.64,第2片主黃的端部平直段的厚度hi2 = 8mm， 即第2片主黃的抛物线段的厚度比& = 0.57;副黃的一半长度LA=380mm，即副黃端点到主黃 端点的距离l〇 = kLA=220mm;所要求的副黃起作用载荷的一半即单端点载荷P = 3000N，当 载荷大于副黃起作用载荷时，副黃与主黃抛物线段内某点相接触。对该少片变截面主黃在 抛物线段与副黃接触点之间的主副黃间隙进行设计。
[0053] 采用与实施例一相同的设计方法和步骤，对该主黃在抛物线段与副黃接触点之间 的主副黃间隙进行设计，具体步骤如下：
[0054] (1)各片抛物线型变截面主黃的端点变形系数Gx-di计算：
[0055] 根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L = 600mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，安装间距的一半13 = 60mm，抛物线段的根部到主黃端点的距离12 = 540mm，第1片主 黃的抛物线段的厚度比01 = 0.64,第2片主黃的抛物线段的厚度比& = 0.57,对第1片、第2片 主黃的端点变形系数Gx-D1、Gx-D2分别进行计算，即
[0058] (2)第N片变截面主黃在抛物线段与副黃接触点的变形系数Gx-bg计算：
[0059] 根据少片抛物线型变截面主黃的一半长度L = 600mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，抛物线段的根部到主黃端点的距离b = 540mm，副黃端点到主黃端点的距离1〇 = 220mm，对第2片变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的变形系数Gx-bc进行计算，即
[0060]
[0061] (3)第2片变截面主黃的端点力Fn计算：
[0062] I步骤:根据少片抛物线型变截面主黃的根部平直段的厚度h2 = 14mm，及步骤（1) 中计算得到的Gx-di = 110.54mm4/N和Gx-d2 = 114.69mm4/N，确定第1片、第2片变截面主黃的一 半刚度Kmi、Km2，分别为
[0065] II步骤:根据副黃起作用载荷的一半即单端点载荷P = 3000N，及I步骤中所确定的 Kmi = 24.82N/mm和Km2 = 23.92N/mm，对第2片变截面主黃的端点力F2进行计算，即
[0066]
[0067] (4)少片抛物线型变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主、副黃间隙δ设计：
[0068] 根据变截面主黃的根部平直段的厚度h2 = 14mm，II步骤中计算得到的第2片主黃 所受的端点力F2 = 1472.30N，及步骤(2)中计算得到的Gx-Bc = 43.26mm4/N，对少片抛物线型 变截面主黃在抛物线段与副黃接触点处的主、副黃间隙δ进行设计，即
[0069]
[0070] 利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片抛物线型变截面主黃的结构参数和材料 特性参数，建立该少片抛物线型变截面钢板弹黃的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网 格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加集中载荷Ρ = 3000Ν，对该少片抛物线型 变截面钢板弹黃主黃的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图4所示，其中，该 少片抛物线型变截面主黃在距离端部位置220mm处的变形量δ = 23.25mm。
[0071] 可知，在相同载荷情况下，该钢板弹黃主黃的变形量的ANSYS仿真验证值δ = 23.25mm，与主副黃间隙设计值δ = 23.21mm相吻合，相对偏差仅为0.17% ;结果表明该发明 所提供的少片变截面主黃在抛物线段与副黃间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确 可靠的。
【主权项】
1.少片变截面主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法，其中，少片变截面主簧的一半 对称结构由根部平直段、抛物线段和端部平直段的三段构成，且第1片主簧的端部平直段与 其他各片非等构，即第1片主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； 在第N片主簧在抛物线段与副簧端部触点之间设有一定的主副簧间隙，以满足副簧起作用 载荷的设计要求;在主簧的各片结构参数、材料特性参数、副簧长度和副簧起作用载荷给定 情况下，对少片变截面主簧在抛物线段与副簧端部触点之间的主副簧间隙进行设计，具体 设计步骤： (1) 各片抛物线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Dl计算： 根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，安装间距的一半13,抛 物线段的根部到主簧端点的距离12 = L-13,第i片主簧的抛物线段的厚度比&，其中，i = l， 2,…，N，N为主簧的片数，对各片主簧的端点变形系数Gx-^进行计算，即(2) 第N片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点的变形系数Gxi计算： 根据少片抛物线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，抛物线段的根部到主 簧端点的距离12,副簧端部触点与主簧端点的水平距离1〇,对第N片主簧在抛物线段与副簧 接触点处的变形系数G X-BC进行计算，SP(3) 第N片变截面主簧的端点受力Fn计算： I步骤:根据少片抛物线型变截面主簧的根部厚度h2,及步骤(1)中计算得到的各片主簧 的端点变形系数Gx-Dl，确定各片抛物线型变截面主簧的一半刚度KMl，即II步骤:根据副簧起载荷的一半即单端点载荷P，及I步骤中所确定的KMi，对第N片抛物 线型变截面主簧的端点力Fn进行计算，即式中，Kmn为第N片抛物线型变截面主簧一半刚度； (4) 少片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的主副簧间隙δ设计： 根据抛物线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2，II步骤中计算得到的第Ν片主簧的端 点力Fn，及步骤(2)中计算得到的第N片主簧在抛物线段与副簧接触点的变形系数GX-BC，对少 片抛物线型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的主副簧间隙S进行设计，即
【文档编号】G06F17/50GK105825000SQ201610141596
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月13日
【发明人】周长城, 王炳超, 于曰伟, 王凤娟, 邵明磊, 赵雷雷, 张云山
【申请人】周长城