高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法。

背景技术：

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性及悬架渐变偏频保持不变的设计要求，随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度三级渐变板簧，进一步提高车辆行驶平顺性。其中，高强度三级渐变板簧的各级接触载荷，不仅影响主簧各片和副簧的根部最大应力的大小，而且还影响渐变刚度及悬架偏频和车辆行驶平顺性。然而，由于渐变刚度和悬架渐变偏频不仅与高强度一级渐变刚度板簧的结构和悬架载荷及质量有关，而且还与接触载荷大小有关，同时，主簧和各级副簧在渐变过程中的渐变刚度及悬架偏频的计算非常复杂，据所查资料可知，目前国内外尚未给出可靠的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对车辆悬架系统设计提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法，以满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性不断提高及对车辆悬架高强度三级渐变板簧的设计要求，提高产品的设计水平、质量、可靠性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、可靠的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法，其设计流程如图1所示。高强度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，高强度三级渐变刚度板簧的一半总跨度为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。主簧1的片数为n，其中，主簧各片的厚度为h_i，一半作用长度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,一半作用长度L_A3lT，一半夹紧长度L_A3l＝L_A3lT-L₀/2，l＝1,2,…,n₃。高强度三级渐变刚度板簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃，主簧及各级副簧之间设有三级渐变间隙δ_MA1、δ_A12和δ_A23，即末片主簧下表面与第一级副簧首片上表面之间设有一级渐变间隙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有二级渐变间隙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有三级渐变间隙δ_A23。通过主簧和各级副簧初始切线弧高及三级渐变间隙，以满足渐变刚度钢板弹簧的各次接触载荷及渐变刚度和悬架偏频的设计要求。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，空载载荷P₀和额定载荷P_N及悬架偏频设计要求值，对高强度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，本发明所提供的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)强度三级渐变刚度板簧的各不同片数重叠段的等效厚度h_me的计算：

根据主簧的片数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；第二级副簧的片数n₂,第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,n₂；第三级副簧的片数n₃，第三级副簧各片的厚度h_A3l，l＝1,2,…,n₃；主副簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃，对三级渐变刚度钢板弹簧的各不同片数m重叠段的等效厚度h_me进行计算，m＝1,2,…,N，即：

(2)高强度三级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度及其与各级副簧的复合夹紧刚度的计算：

i步骤：主簧的夹紧刚度K_M的仿真计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝i＝1,2,…,n，对主簧的夹紧刚度K_M进行仿真计算，即

ii步骤：主簧与第一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁,第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；主簧和第一级副簧的片数之和N₁＝n+n₁，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N₁，对主簧与一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1进行计算，即

iii步骤：主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁,第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；第二级副簧的片数n₂，第二级副簧各片的一半夹紧长度L_A2k＝L_N1+k，k＝1,2,…,n₂；主簧与第一级和第二级副簧的片数之和N₂＝n+n₁+n₂，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N₂，对主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2进行仿真计算，即

iv步骤：主副簧的总复合夹紧刚度K_MA3的仿真计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n，主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁，第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；第二级副簧的片数n₂，第二级副簧各片的一半夹紧长度L_A2k＝L_N1+k，k＝1,2,…,n₂；第三级副簧的片数n₃，第三级副簧各片的一半夹紧长度L_A3l＝L_N2+l，l＝1,2,…,n₃；主副簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N，对主副簧的总夹紧复合刚度K_MA3进行仿真计算，即，即

(3)高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的渐变载荷偏频f₀的设计：

I步骤：悬架系统的空载载荷偏频f₀₀的确定

根据空载载荷P₀，步骤(2)的i步骤中计算得到的K_M，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的空载载荷偏频f₀₀进行确定，即

式中，g为重力加速度，g＝9.8m/m²；

II步骤：悬架系统的额定载荷偏频f_0N的确定

根据额定载荷P_N，步骤(2)的iv步骤中计算得到的K_MA3，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的额定载荷偏频f_0N进行确定，即

III步骤：悬架系统的渐变载荷偏频f₀的设计

根据I步骤中计算得到的f₀₀，II步骤计算得到的f_0N，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的渐变载荷偏频f₀进行设计，即

f₀＝f_0N+(1-0.618)(f₀₀-f_0N)；

(4)高强度三级渐变刚度板簧的各次接触载荷的匹配设计：

根据步骤(2)中分别计算得到的K_M，K_MA1，K_MA2和K_MA3，步骤(3)中设计得到的f₀，对高强度三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1，第2第开始接触载荷P_k2，第3第开始接触载荷P_k3和第3次完全接触载荷P_w3分别进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于高强度三级渐变板簧的渐变夹紧复合刚度及偏频计算非常复杂，不仅与主簧和一级副簧及二级副簧的结构参数有关，而且还与各次接触载荷有关，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法。本发明可根据高强度三级渐变刚度板簧的主簧各片和副簧的结构参数，弹性模量，空载载荷P₀和额定载荷P_N及偏频设计要求值f₀₀和f_0N，对高强度三级渐变刚度板簧的各次接触载荷进行设计。通过样机仿真及车辆行驶平顺性试验可知，本发明所提供的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法是正确的。利用该方法可得可靠的接触载荷设计值，满足在不同载荷下的悬架渐变偏频及车辆行驶平顺性的设计要求，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是高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计流程图；

图2是高强度三级渐变板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的仿真计算所得到的高强度三级渐变刚度板簧悬架系统偏频随载荷的变化特性曲线。

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：某高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。主簧及各级副簧的总片数N＝5，其中，主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm；主簧各片的一半作用长度分别为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm；一半夹紧长度分别为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＝L₃＝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＝L₄＝L_A21T-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＝L₅＝L_A31T-L₀/2＝125mm。空载载荷P₀＝1715N，额定载荷P_N＝7227N。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，空载载荷P₀和额定载荷P_N及偏频设计要求值，对高强度三级渐变刚度板簧的第1次、2次和3次级开始接触载荷P_k1、P_k2、P_k3及第3次级完全接触载荷P_w3进行匹配设计。

本发明实例所提供的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)高强度三级渐变刚度板簧的各不同片数重叠段的等效厚度h_me的计算：

根据主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm；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；主副簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃＝5；对高强度三级渐变刚度钢板弹簧各不同片数m重叠段的等效厚度h_me进行计算，m＝1,2,…,N，即：

h_1e＝h₁＝8.0mm；

(2)高强度三级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度及其与各级副簧的复合夹紧刚度的计算：

i步骤：主簧的夹紧刚度K_M的仿真计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，m＝i＝1,2,...,n，对主簧的夹紧刚度K_M进行仿真计算，即

ii步骤：主簧与一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧片数n₁＝1,一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm，主簧和第一级副簧的片数之和N₁＝n+n₁＝3，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，m＝1,2,...,N₁，对主簧与一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1进行计算，即

iii步骤：主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧片数n₁＝1，一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm；第二级副簧的片数n₂＝1，一半夹紧长度L_A21＝L₄＝225mm，主簧与第一级和第二级副簧的片数之和N₂＝n+n₁+n₂＝4，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，m＝1,2,...,N₂，对主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2进行仿真计算，即

iv步骤：主副簧的总复合夹紧刚度K_MA3的仿真计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n₁＝2，主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧片数n₁＝1，一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm；第二级副簧片数n₂＝1，一半夹紧长度L_A21＝L₄＝225mm；第三级副簧片数n₃＝1，一半夹紧长度L_A31＝L₅＝125mm；主副簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，h_5e＝18.1mm，m＝1,2,...,N，对主副簧的总夹紧复合刚度K_MA3进行仿真计算，即，即

(3)高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的渐变载荷偏频f₀的设计：

I步骤：悬架系统的空载载荷偏频f₀₀的确定

根据空载载荷P₀＝1715N，步骤(2)的i步骤中计算得到的K_M＝51.43N/mm，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的空载载荷偏频f₀₀进行确定，即

II步骤：悬架系统的额定载荷偏频f_0N的确定

根据额定载荷P_N＝7227N，步骤(2)的iv步骤中计算得到的K_MA3＝172.9N/mm，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的额定载荷偏频f_0N进行确定，即

III步骤：悬架系统的渐变载荷偏频f₀的设计

根据I步骤中计算得到的f₀₀＝2.73Hz，II步骤计算得到的f_0N＝2.44Hz，对高强度三级渐变刚度板簧悬架系统的渐变载荷偏频f₀进行设计，即

f₀＝f_0N+(1-0.618)(f₀₀-f_0N)＝2.55Hz。

(4)高强度三级渐变刚度板簧的各次接触载荷的匹配设计：

根据步骤(1)中计算得到的K_M＝51.44N/mm、K_MA1＝75.42N/mm、K_MA2＝144.46N/mm和K_MA3＝172.9N/mm，及步骤(3)中设计得到的f₀＝2.55Hz，对高强度三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1，第2第开始接触载荷P_k2，第3第开始接触载荷P_k3和第3次完全接触载荷P_w3分别进行设计，即

该高强度三级渐变刚度板簧所受的空载载荷P₀和额定载荷P_N及设计所得到的接触载荷P_k1、P_k2、P_k3和P_w3具体设计值，如下表1所示。

表1该三级渐变刚度钢板弹簧所受载荷及各级接触载荷的具体设计值

通过样机仿真和加载挠度试验可知，该高强度三级渐变刚度板簧的各级接触载荷，满足车辆行驶平顺性对悬架系统在空载、额定载荷及渐变载荷下的偏频设计要求，其中，仿真计算所得到的该高强度三级渐变刚度板簧悬架系统偏频随载荷的变化特性曲线，见图3所示。

利用该方法可得到准确可靠的高强度三级渐变刚度板簧的接触载荷设计值，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。