非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法。

背景技术：

为了满足一级渐变刚度板簧的主簧强度的要求，通常使副簧尽早承担载荷而降低完全性接触载荷和主簧应力，即采用非等偏频一级渐变刚度板簧悬架，其中，非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙，不仅影响主副簧间隙、渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性，而且还影响板簧应力、安装装配和在额定载荷下剩余切线弧高及车辆行驶安全性。然而，由于受主副簧初始切线弧高及曲面形状在任意位置曲面高度计算的制约，先前一直未能给出非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对非等偏频一级渐变刚度板簧悬架提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，为非等偏频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、车辆行驶平顺性及对非等偏频一级渐变刚度板簧设计的要求，提高非等偏频一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能，及车辆行驶平顺性和安全性的设计要求；同时，降低产品设计及试验费用，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、可靠的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，设计流程图，如图1所示。非等偏频一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1和副簧2所组成的，一级渐变刚度板簧的一半总跨度，即为首片主簧的一半作用长度为L_1t，骑马螺栓夹紧距的一半为L₀，钢板弹簧的宽度为b，弹性模量为E。主簧1的片数为n，各片主簧的厚度为h_i，一半作用长度为L_it，一半夹紧长度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，一半作用长度为L_Ajt，一半夹紧长度L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通过主簧和副簧初始切线弧高，确保首片副簧端部上表面与末片主簧端部下表面之间设置有一定的主副簧间隙δ_MA，以满足渐变刚度板簧开始接触载荷和完全接触载荷、主簧应力强度和悬架渐变刚度的设计要求，并且还应该满足板簧安装及在额定载荷下剩余切线弧高的设计要求。非等偏频一级渐变刚度板簧的空载载荷P₀，开始接触载荷为P_k，完全接触载荷为P_w；为了满足主簧应力强度的要求，悬架开始接触载荷偏频f_0k与完全接触载荷偏频f_0w不相等，即设计为非等偏频一级渐变刚度板簧。主副簧间隙是由末片主簧下表面在首片副簧端部位置处的初始曲面高度与副簧初始切线弧高所决定的，对悬架特性及车辆行驶平顺性和安全性都具有作用影响。根据非等偏频一级渐变刚度板簧的各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、开始接触载荷和完全接触载荷、额定载荷及在额定载荷下剩余切线弧高设计要求值，对非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)非等偏频一级渐变刚度板簧悬架的渐变夹紧刚度K_kwP的计算：

根据开始接触载荷P_k，完全接触载荷P_w；主簧夹紧刚度K_M，主副簧复合夹紧刚度K_MA，对非等偏频一级渐变刚度弹簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变夹紧刚度K_kwP进行计算，即

(2)非等偏频一级渐变刚度弹簧的主簧初始切线弧高H_gM0确定：

根据主簧夹紧刚度K_M，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，额定载荷P_N，在额定载荷P_N下的剩余切线弧高H_gMsy，及步骤(1)中计算得到的K_kwP，对非等偏频一级渐变刚度弹簧的主簧初始切线弧高H_gM0进行确定，即

(3)末片主簧在首片副簧长度位置处的曲面高度H_M-Aend计算：

I步骤：基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e计算

根据非等偏频一级渐变刚度弹簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，一半夹紧长度L₁，步骤(2)中计算得到的H_gM0，对基于初始切线弧高的首片主簧等效端点力F_M1e进行计算，即

II步骤：末片主簧在首片副簧端点位置处的曲面高度H_M-Aend计算

根据非等偏频一级渐变刚度弹簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的厚度h₁，一半夹紧长度L₁；首片副簧的一半夹紧长度L_A1，及I步骤中计算得到的F_M1e，对主簧在首片副簧端点位置处的曲面高度H_M-Aend进行计算，即

式中，为主簧在对应首片副簧端点位置处的变形系数，

(4)非等偏频一级渐变刚度板簧的副簧初始切线弧高H_gA0确定：

A步骤：首片主簧下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夹紧长度L₁，步骤(2)中设计得到的H_gM0，对首片主簧下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a计算

根据非等偏频一级渐变刚度弹簧的宽度b，弹性模量E；首片主簧的一半夹紧长度L₁，主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，开始接触载荷P_k，及A步骤中计算得到的R_M0b，对首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a进行计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

C步骤：副簧初始切线弧高H_gA0确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1，B步骤中计算得到的R_A0a，对副簧初始切线弧高H_gA0进行确定，即

(5)非等偏频一级渐变刚度弹簧的主副簧渐变间隙δ_MA设计：

根据步骤(3)中计算得到的H_M-Aend，及步骤(4)中确定得到的H_gA0，对非等偏频一级渐变刚度弹簧的主副簧间隙δ_MA进行设计，即

δ_MA＝H_M-Aend-H_gA0。

本发明比现有技术具有的优点

由于受主副簧初始切线弧高及曲面形状计算的制约，先前一直未能给出非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。本发明可根据非等偏频一级渐变刚度板簧的各片主簧和副簧的结构参数、弹性模量、主簧夹紧刚度、主副簧复合夹紧刚度、开始接触载荷、完全接触载荷、额定载荷及在额定载荷下的剩余切线弧高设计要求值，在主副簧初始切线弧高确定、及主簧曲面形状计算的基础上，对非等偏频一级渐变刚度板簧悬架的主副簧间隙进行设计。通过样机加载挠度试验测试结果可知，本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙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，为非等偏频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；同时，利用该方法可提高非等偏频一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量及车辆行驶平顺性和安全性；同时，还可降低设计及试验测试费用，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是非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计流程图；

图2是非等偏频一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的非等偏频一级渐变刚度板簧的渐变夹紧刚度K_kwP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：某非等偏频一级渐变刚度板簧，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，跨度的一半即一半作用长度L_1t＝525mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。主簧片数n＝3片，副簧片数m＝2片，主副簧的总片数N＝n+m＝5。其中，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用长度分别为L_1t＝525mm，L_2t＝450mm，L_3t＝350mm；一半夹紧长度分别为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝325mm。各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm，各片副簧的一半作用长度分别为L_A1t＝250mm，L_A2t＝150mm，一半夹紧长度分别为L_A1＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L_A2t-L₀/2＝125mm。主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm。开始接触载荷P_k＝1900N，完全接触载荷P_w＝3800N，额定载荷P_N＝7227N，在额定载荷P_N下的剩余弧高的设计要求值为H_gMN＝26.1mm。根据各片主簧和副簧的结构参数，弹性模量，主簧夹紧刚度，主副簧复合夹紧刚度，开始接触载荷P_k、完全接触载荷P_w、额定载荷P_N及在额定载荷P_N下的剩余弧高的设计要求值，对非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙进行设计。

本发明实例所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)非等偏频一级渐变刚度板簧悬架的渐变夹紧刚度K_kwP的计算：

根据开始接触载荷P_k＝1900N，完全接触载荷P_w＝3800N；主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm，对非等偏频一级渐变刚度板簧在载荷P∈[P_k,P_w]范围内的渐变夹紧刚度K_kwP进行计算，即

利用Matlab计算程序，计算所得到的该非等偏频一级渐变刚度板簧在[P_k,P_w]载荷范围内的的渐变夹紧刚度K_kwP随载荷P的变化曲线，如图3所示，其中，当载荷P＝P_k＝1900N时，渐变夹紧刚度K_kwP＝K_M＝75.4N/mm；当载荷P＝P_w＝3800N时，渐变夹紧刚度K_kwP＝K_MA＝172.9N/mm；在开始接触载荷下的悬架偏频完全接触载荷下的悬架偏频开始接触载荷下的悬架偏频f_0k，与完全接触载荷下的悬架偏频f_0w不相等，即非等偏频一级渐变刚度板簧。

(2)非等偏频一级渐变刚度板簧的主簧初始切线弧高H_gM0的确定：

根据主簧夹紧刚度K_M＝75.4N/mm，主副簧复合夹紧刚度K_MA＝172.9N/mm；开始接触载荷P_k＝1900N，完全接触载荷P_w＝3800N，额定载荷P_N＝7227N，在额定载荷P_N下的剩余切线弧高H_gMsy＝26.1mm，及步骤(1)中计算得到的K_kwP，对主簧初始切线弧高H_gM0进行确定，即

(3)末片主簧在首片副簧端部位置处的曲面高度H_M-Aend计算：

I步骤：基于初始切线弧高的首片主簧端部等效力F_M1e计算

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200Gpa；首片主簧的厚度h₁＝8mm，一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(2)中计算得到的H_gM0＝87.3mm，对基于初始切线弧高的首片主簧的端部等效力F_M1e进行计算，即

II步骤：末片主簧在首片副簧端点位置处的曲面高度H_M-Aend计算

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200Gpa，首片主簧的厚度h₁＝8mm，一半夹紧长度L₁＝500mm；首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝225mm，及I步骤中计算得到的F_M1e＝1126.2N，对末片主簧在首片副簧端点位置处的曲面高度H_M-Aend进行计算，即

式中，为主簧在对应首片副簧端点位置处的变形系数，

(4)非等偏频一级渐变刚度板簧的副簧切线弧高H_gA0的确定：

A步骤：末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(2)中设计得到的H_gM0＝87.3mm，对末片主簧下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

B步骤：首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a计算

根据非等偏频一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，主簧片数n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm；开始接触载荷P_k＝1900N，及A步骤中计算得到的R_M0b＝1499.7mm，对首片副簧上表面初始曲率半径R_A0a进行计算，即

式中，h_Me为主簧根部重叠部分的等效厚度，

C步骤：副簧初始切线弧高H_gA0的确定

根据首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝225mm，B步骤中计算得到的R_A0a＝2686mm，对副簧初始切线弧高H_gA0进行确定，即

(5)非等偏频一级渐变刚度弹簧的主副簧渐变间隙δ_MA设计：

根据步骤(3)中计算得到的H_M-Aend＝22.5mm，及步骤(4)中所确定得到的H_gA0＝9.4mm，对一级渐变刚度板簧的首片副簧上表面的端部与末片主簧的下表面之间的主副簧间隙δ_MA进行设计，即

δ_MA＝H_M-Aend-H_gA0＝13.1mm。

通过样机加载挠度试验可知，该板簧所设计的主副簧间隙δ_MA是准确可靠的，可满足渐变刚度板簧的主副簧开始接触载荷和完全接触载荷的设计要求及在额定载荷下的剩余弧高的设计要求，说明本发明所提供的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙的设计方法是正确。利用该方法可得到准确可靠的非等偏频一级渐变刚度板簧的主副簧间隙设计值，提高非等偏频一级渐变刚度板簧的设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，还可以降低设计及试验费用，加快产品开发速度。