非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法。

背景技术：

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性，可将原一级渐变刚度板簧的主簧和副簧分别拆分为两级，即采用三级渐变刚度板簧；同时，为了确保主簧的应力强度，通常通过主簧和三级副簧初始切线弧高及三级渐变间隙，使三级副簧适当提前承担载荷，从而降低主簧的应力，即采用非等偏频型三级渐变刚度板簧悬架，其中，各次接触载荷不仅影响板簧渐变夹紧刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性，同时，接触载荷还影响板簧应力强度、悬架可靠性及车辆行驶安全性，并且各次接触载荷匹配设计也是非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计的前提。然而，由于受非等偏频型三级渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及最大应力计算问题制约，先前国内外一直未给出非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计及CAD软件开发要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对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、可靠的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，为非等偏频型三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型三级渐变刚度板簧的设计要求，提高产品的设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及剩余费用，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、可靠的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其设计流程如图1所示。非等偏频型三级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3和第三级副簧4所组成的，板簧的一半总跨度等于首片主簧的一半作用长度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，许用应力[σ]。其中，主簧1的片数n片，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。第一级副簧2的片数为n₁，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L_A1j＝L_A1jT-L₀/2，j＝1,2,…,n₁。第二级副簧3的片数为n₂，第二级副簧片各片的厚度为h_A2k，一半作用长度L_A2kT，一半夹紧长度L_A2k＝L_A2kT-L₀/2，k＝1,2,…,n₂。第三级副簧4的片数为n₃，第三级副簧各片的厚度为h_A3l，一半作用长度L_A3lT，一半夹紧长度L_A3l＝L_A3lT-L₀/2，l＝1,2,…,n₃。通过主簧和各级副簧的初始切线弧高，在主簧末片下表面与第一级副簧首片上表面之间设置有第一级渐变间隙δ_MA1；第一级副簧末片下表面与第二级副簧首片上表面之间设置有第二级间隙δ_A12；第二级副簧末片下表面与第三级副簧首片上表面之间设置有第三级渐变间隙δ_A23；以满足板簧各次开始接触载荷、应力强度、渐变刚度、悬架偏频和车辆行驶平顺性的设计要求。根据三级渐变刚度板簧的结构参数，许用应力，空载载荷和额定载荷，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其特征在于采用以下匹配设计步骤：

(1)主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e和h_MA3e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n,各片主簧的厚度h_i，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧的片数n₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,n₁，及I步骤中计算得到的h_Me，对主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧的片数n₂，第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,n₂，及II步骤中计算得到的h_MA1e，对主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e进行计算，即

IV步骤：主副簧的根部重叠部分的总等效厚度h_MA3e的计算

根据第三级副簧的片数n₃＝1，第三级副簧各片的厚度h_A3l，l＝1,2,…,n₃，及III步骤中计算得到的h_MA2e，对主副簧的根部重叠部分的总等效厚度h_MA3e进行计算，即

(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1的匹配设计：

A步骤：主簧最大厚度板簧的厚度h_max的确定

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，确定主簧最大厚度板簧的厚度h_max，即

h_max＝max(h_i)，i＝1,2,…,n；

B步骤：最大第1次开始接触载荷P_k1max的计算

根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]，额定载荷P_N；主簧首片的一半夹紧长度L₁，A步骤中确定的h_max，及(1)步骤中计算得到的h_Me、h_MA1e、h_MA2e和h_MA3e，建立最大第1次开始接触载荷P_k1max的数学模型，即

利用Matlab计算程序，求解上述关于P_k1max方程，便可得到最大第1次开始接触载荷P_k1ma；

C步骤：第1次开始接触载荷P_k1进行优化匹配设计

根据空载载荷P₀，及B步骤计算得到的P_k1max，对第1次开始接触载荷P_k1进行优化匹配设计，即

P_k1＝P₀+0.618(P_k1max-P₀)；

(3)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷P_w3的匹配设计：

根据额定载荷P_N，及步骤(2)的C步骤中计算得到的P_k1，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷P_w3进行匹配设计，即

(4)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷P_k2的匹配设计：

根据步骤(2)的C步骤中设计得到的P_k1，步骤(3)中匹配设计得到的P_w3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷P_k2进行匹配设计，即

(5)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷P_k3的匹配设计：

根据步骤(4)中匹配设计得到的P_k2，步骤(3)中匹配设计得到的P_w3，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷P_k3进行匹配设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于受非等偏频型三级渐变刚度板簧的根部重叠部分等效厚度及最大应力计算问题制约，先前国内外一直未给出非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧的设计及CAD软件开发要求。本发明可根据三级渐变刚度钢板弹簧的主簧首片的一半夹紧长度L₁₁，各片主簧和各级副簧的厚度，许用应力，空载载荷P₀和额定载荷P_N，对非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次、2次和3次开始接触载荷P_k1、P_k2、P_k3及第3次完全接触载荷P_w3进行匹配设计。通过样机仿真及车辆行驶平顺性试验可知，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法是正确的。利用该方法可得可靠的接触载荷设计值，不仅满足悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，而且还能满足主簧应力强度的设计要求，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是非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计流程图；

图2是非等偏频型三级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图。

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：某非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，许用应力[σ]＝600MPa。板簧的总片数N＝5，其中，主簧的片数n＝2,各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm；各片主簧的一半作用长度为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm；一半夹紧长度为L₁＝L_1T-L₀/2＝500mm；L₂＝L_2T-L₀/2＝425mm。第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm，一半作用长度为L_A11T＝350mm，一半夹紧长度为L_A11＝L_A11T-L₀/2＝325mm。第二级副簧的片数n₂＝1,厚度h_A21＝13mm，一半作用长度为L_A21T＝250mm，一半夹紧长度为L_A21＝L_A11T-L₀/2＝225mm。第三级副簧的片数n₃＝1，厚度h_A31＝13mm，一半作用长度为L_A31T＝150mm，一半夹紧长度为L_A31＝L_A31T-L₀/2＝125mm。空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N。根据板簧的结构参数，许用应力，空载载荷和额定载荷，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行匹配设计。

本发明实例所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法，其匹配设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度h_Me、h_MA1e、h_MA2e和h_MA3e的计算：

I步骤：主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me的计算

根据主簧片数n＝2,各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，对主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me进行计算，即

II步骤：主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e的计算

根据第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm，及I步骤中计算得到的h_Me＝10.1mm，主簧与第一级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e进行计算，即

III步骤：主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e的计算

根据第二级副簧的片数n₂＝1，厚度h_A21＝13mm，及II步骤中计算得到的h_MA1e＝11.5mm，对主簧与第一级副簧和第二级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA2e进行计算，即

IV步骤：主副簧的根部重叠部分的总等效厚度h_MA3e的计算

根据第三级副簧的片数n₃＝1，厚度h_A31＝13mm，及III步骤中计算得到的h_MA2e＝15.5mm，对主副簧的根部重叠部分的总等效厚度h_MA3e进行计算，即

(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1的匹配设计：

A步骤：主簧的最大厚度板簧的厚度h_max的确定

根据主簧片数n＝2，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝8mm，确定主簧的最大厚度板簧的厚度h_max，即

h_max＝max(h_i)＝8mm,i＝1,2,…,n；

B步骤：最大第1次开始接触载荷P_k1max的计算

根据渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝600MPa，额定载荷P_N＝7227N；主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，A步骤中确定的h_max＝8mm，及(1)步骤中计算得到的h_Me＝10.1mm、h_MA1e＝11.5mm、h_MA2e＝15.5mm和h_MA3e＝18.1mm，以最大第1次开始接触载荷P_k1max为参变量，建立关于非等偏频型三级渐变刚度板簧的最大第1次开始接触载荷P_k1max的计算数学模型，即

利用Matlab计算程序，求解上述方程，便可得到该非等偏频型三级渐变刚度板簧的最大第1次开始接触载荷P_k1max＝1875N；

C步骤：第1次开始接触载荷P_k1进行优化匹配设计

根据空载载荷P₀＝1715N，及B步骤计算得到的P_k1max＝1875N，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1进行优化匹配设计，即

P_k1＝P₀+0.618(P_k1max-P₀)＝1814N。

(3)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷P_w3的匹配设计：

根据额定载荷P_N＝7227N，及C步骤中计算得到的P_k1＝1814N，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次完全接触载荷P_w3进行匹配设计，即

(4)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第2次开始接触载荷P_k2的匹配设计：

根据步骤(2)的C步骤中设计得到的P_k1＝1814N，步骤(3)中设计得到的P_w3＝3621N，对第2次开始接触载荷P_k2进行匹配设计，即

(5)非等偏频型三级渐变刚度板簧的第3次开始接触载荷P_k3的匹配设计：

根据步骤(4)中设计得到的P_k2＝2563N，步骤(3)中设计得到的P_w3＝3621N，对第3次开始接触载荷P_k3进行匹配设计，即

可知，该非等偏频型三级渐变刚度板簧的空载载荷P₀、额定载荷P_N、及匹配设计所得到的各次接触载荷的P_k1、P_k2、P_k3和P_w3的具体匹配设计值，如下表1所示。

表1该非等偏频型三级渐变刚度板簧所受载荷及各级接触载荷的匹配设计值

通过对样机加载挠度试验可知，本发明所提供的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷匹配设计方法是正确的，为非等偏频型三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。利用该方法可得到可靠的各次接触载荷匹配设计值，不仅满足悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，而且满足板簧应力强度的设计要求，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。