非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷的验算方法与流程

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的验算方法。

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，为了满足主簧的应力强度，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渐变刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性，还影响板簧的应力强度、悬架可靠性及车辆行驶安全性，并且对于给定设计结构的非等偏频型三级渐变刚度板簧是否满足接触载荷设计要求，必须对其进行验算，而且各次接触载荷的验算也是板簧特性仿真验证的前提。然而，由于受各级板簧根部重叠部分等效厚度计算制约，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的验算方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧设计及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的验算方法，为非等偏频型三级渐变刚度板簧的特性仿真验证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和安全性；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、可靠的非等偏频型三级渐变刚度板簧的接触载荷的验算方法，其验算流程如图1所示。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，三级渐变刚度板簧的总跨度的一半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，板簧的宽度为b，弹性模量为E，许用应力[σ]。其中，主簧1的片数n片，主簧各片的厚度为h_i，主簧各片的一半作用长度为L_iT，一半夹紧长度L_i＝L_1iT-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，第l片的一半作用长度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1的末片下表面与第一级副簧2的首片上表面之间设置有第一级渐变间隙δ_MA1；第一级副簧2的末片下表面与第二级副簧3的首片上表面之间设置有第二级渐变间隙δ_A12；第二级副簧3的末片下表面与第三级副簧4的首片上表面之间设置有第三级渐变间隙δ_A23，以满足渐变刚度板簧的接触载荷、渐变刚度、应力强度、悬架偏频及车辆行驶平顺性和安全性的设计要求。根据首片主簧的一半加紧长度，主簧各片和各级副簧的厚度，板簧宽度，弹性模量，骑马螺栓夹紧距，主簧和各级副簧的初始切线弧高设计值，对给定设计结构的非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行验算。

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的验算方法，其特征在于采用以下验算步骤：

(1)非等偏频型三级渐变刚度钢板弹簧的主簧和各级副簧的初始曲率半径的计算：

I步骤：第一级主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n，主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n；主簧首片的一半夹紧长度L₁，主簧的初始切线弧高H_gM0，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

II步骤：第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a计算

根据第一级副簧首片的一半夹紧长度L_A11，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10，对第一级副簧末片上表面初始曲率半径R_A10a进行计算，即

III步骤：第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b计算

根据第一级副簧片数n₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,n₁；II步骤中计算得到的R_A10a，对第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b进行计算，即

IV步骤：第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a的计算

根据第二级副簧首片的一半夹紧长度L_A21，第二级副簧的初始切线弧高设计值H_gA20，对第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a进行计算，即

V步骤：第二级副簧首片下表面初始曲率半径R_A20b的计算

很据第二级副簧片数n₂，第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,n₂，及IV步骤所确定的R_A20a，对第二级副簧首片下表面初始曲率半径R_A20b进行计算，即

VI步骤：第三级副簧首片上表面初始曲率半径R_A30a的计算

根据第三级副簧首片的一半夹紧长度L_A31，第三级副簧的初始切线弧高H_gA30，对第三级副簧首片上表面初始曲率半径R_A30a进行计算，即

(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度的计算：

根据主簧片数n,主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…n；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；第二级副簧片数n₂,第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,n₂；第三级副簧片数n₃,第三级副簧各片的厚度h_A3l，l＝1,2,…,n₃；对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、h_MA3e分别进行计算，即：

(3)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的验算

根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧首片的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中计算得到的R_M0b和R_A10a，步骤(2)中计算得到的h_Me，对第1次开始接触载荷P_k1进行验算，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的验算：

根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧首片的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中计算得到的R_A10b和R_A20a，步骤(2)中计算得到的h_MA1e，步骤(3)中验算得到的P_k1，对第2次开始接触载荷P_k2进行验算，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的验算：

根据非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；主簧首片的一半夹紧长度L₁，步骤(1)中计算得到的R_A20b和R_A30a，步骤(2)中计算得到的h_MA2e，步骤(4)中验算得到的P_k2，对第3次开始接触载荷P_k3进行验算，即

(6)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的验算：

根据步骤(4)中验算得到的P_k2，步骤(5)中验算得到的P_k3，对第3次完全接触载荷P_w3进行验算，即

本发明比现有技术具有的优点

由于受各级板簧根部重叠部分等效厚度计算制约，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的验算方法，不能满足非等偏频型三级渐变刚度板簧设计及CAD软件开发要求。本发明可根据首片主簧的一半加紧长度，主簧各片和各级副簧的厚度，弹性模量，骑马螺栓夹紧距，主簧和各级副簧的初始切线弧高设计值，对给定设计结构的非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行验算。通过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的验算方法是正确的，为非等偏频型三级渐变刚度板簧的特性仿真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的验算值，确保板簧满足各次接触载荷、渐变刚度、应力强度、悬架偏频及车辆行驶平顺性和安全性的设计要求，提高产品设计水平、质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

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的验算流程图；

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，弹性模量E＝200GPa。主副簧的总片数N＝5，其中，主簧片数n＝2,主簧各片厚度h₁＝h₂＝8mm；首片主簧的一半作用长度为L_1T＝525mm，一半夹紧长度为L₁＝L_1T-L₀/2＝500mm。第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm；第二级副簧的片数n₂＝1,厚度h_A21＝13mm；第三级副簧的片数n₃＝1，厚度h_A31＝13mm。主簧的初始切线弧高H_gM0＝102.3mm，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10＝18.8mm，第二级副簧的初始切线弧高H_gA20＝6mm，第三级副簧的初始切线弧高H_gA30＝1.6mm。根据主簧首片的一半夹紧长度，主簧各片和各级副簧的厚度，弹性模量，骑马螺栓夹紧距，主簧和各级副簧的初始切线弧高设计值，对该非等偏频型三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行验算。

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的验算方法，其验算流程如图1所示，具体验算步骤如下：

(1)非等偏频型三级渐变刚度钢板弹簧的主簧和各级副簧的曲率半径的计算：

I步骤：第一级主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b计算

根据主簧片数n＝2，主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm；主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，主簧的初始切线弧高H_gM0＝102.3mm，对主簧末片下表面初始曲率半径R_M0b进行计算，即

II步骤：第一级副簧首片上表面初始曲率半径R_A10a计算

根据第一级副簧首片的一半夹紧长度L_A11＝325mm，第一级副簧的初始切线弧高H_gA10＝18.8mm，对第一级副簧末片上表面初始曲率半径R_A10a进行计算，即

III步骤：第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b计算

根据第一级副簧片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm；II步骤中计算得到的R_A10a＝2818.6mm，对第一级副簧末片下表面初始曲率半径R_A10b进行计算，即

IV步骤：第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a的计算

根据第二级副簧首片的一半夹紧长度L_A21＝225mm，第二级副簧的初始切线弧高H_gA20＝6mm，对第二级副簧首片上表面初始曲率半径R_A20a进行计算，即

V步骤：第二级副簧首片下表面初始曲率半径R_A20b的计算

很据第二级副簧片数n₂＝1，厚度h_A21＝13mm，及IV步骤所确定的R_A20a＝4221.8mm，对第二级副簧首片下表面初始曲率半径R_A20b进行计算，即

R_A20b＝R_A20a+h_A21＝4234.8mm；

VI步骤：第三级副簧首片上表面初始曲率半径R_A30a的计算

根据第三级副簧首片的一半夹紧长度L_A31＝125mm，第三级副簧的初始切线弧高H_gA30＝1.6mm，对第三级副簧首片上表面初始曲率半径R_A30a进行计算，即

(2)非等偏频型三级渐变刚度板簧的主簧及其与各级副簧的根部重叠部分等效厚度的计算：

根据主簧片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₁＝8mm；第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm；第二级副簧片数n₂＝1,厚度h_A21＝13mm；第三级副簧片数n₃＝1,厚度h_A31＝13mm；对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、h_MA3e分别进行计算，即：

(3)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的验算：

根据该非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(1)中计算所得到的R_M0b＝1289mm和R_A10a＝2818.6mm，步骤(2)中计算得到的h_Me＝10.1mm，对第1次开始接触载荷P_k1进行验算，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的验算：

根据该非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(1)中计算得到的R_A10b＝2826.6mm和R_A20a＝4221.8mm，步骤(2)中计算得到的h_MA1e＝11.5mm，步骤(3)中验算得到的P_k1＝1810N，对第2次开始接触载荷P_k2进行验算，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的验算：

根据该非等偏频型三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧首片的一半夹紧长度L₁＝500mm，步骤(1)中所计算得到的R_A20b＝4234.8mm和R_A30a＝4883.6mm，步骤(2)中计算得到的h_MA2e＝15.5mm，步骤(4)中验算得到的P_k2＝2564.8N，对第3次开始接触载荷P_k3进行验算，即

(6)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的验算：

根据步骤(4)中验算得到的P_k2＝2564.8N，步骤(5)中验算得到的P_k3＝3056.7N，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进行验算，即

与设计值比较可知，该非等偏频型三级渐变刚度板簧的第1次、第2次、第3次开始接触载荷和第3次完全接触载荷的验算值P_k1＝1810N、P_k2＝2564.8N、P_k3＝3056.7N和P_w3＝3643N，与设计要求值相吻合，说明该非等偏频型三级渐变刚度板簧的结构设计是可靠的，可满足接触载荷的设计要求。

通过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的验算方法是正确的，为非等偏频型三级渐变刚度板簧的特性仿真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的验算值，确保满足板簧各次接触载荷、渐变刚度、应力强度、悬架偏频及车辆行驶平顺性和安全性的设计要求，提高产品设计水平、质量和性能及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。