双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架少片变截面板簧，特别是双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法。

背景技术：

随着汽车节能和轻量化政策的实施，少片变截面板簧因具有重量轻，材料利用率高，片间无摩擦或摩擦小，振动噪声低，使用寿命长等优点，日益受到车辆悬架专家、生产企业及车辆制造企业的高度关注，并且在车辆悬架系统中得到了广泛应用，其中，为了加强板簧的强度，在板簧根部平直段与抛物线段之间增加根部斜线段，在抛物线段与端部平直段之间增加端部斜线段；同时，为了满足首片板簧的端部受力复杂的要求，首片板簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片板簧的端部平直段的厚度和长度，即采用双加强端部非等构式变截面板簧。通常为了提高板簧可靠性和使用寿命的设计要求，通过各片板簧不同自由切线弧高，在装配夹紧之后，使首片板簧或前几片板簧产生一定的预夹紧压应力，从而提高板簧可靠性和使用寿命；同时，确保装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高满足设计要求。其中，装配夹紧后的各片板簧预夹紧应力及首片板簧的初始切线弧高，是由各片板簧的结构参数和自由切线弧高所决定的。然而，据所查资料可知，由于双加强端部非等构式变截面板簧的各片板簧夹紧刚度的计算非常复杂，且受各片板簧预夹紧端点力计算的制约，先前一直未曾给出双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对少片抛物线型变截面板簧提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法，为各片板簧自由切线弧高的设计提供可靠的技术方法，以满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及少片抛物线型变截面板簧技术进步的要求，确保装配夹紧后的各片板簧预夹紧应力及首片板簧的初始切线弧高满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，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、可靠的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其设计流程图，如图1所示。双加强等构式抛物线型变截面板簧为以中心穿装孔对称的结构，其一半对称夹紧结构示意图如图2所示，其中包括，板簧1，根部垫片2，端部垫片3。板簧1的片数为n，各片板簧结构相同，其中，2≤n≤5；双加强端部非等构式变截面板簧的宽度为b，弹性模量为e，一半作用长度为lt，是由根部平直段、根部斜线段、抛物线段、端部斜线段和端部平直段五段所构成，其中，根部平直段用于骑马螺栓装配夹紧，根部斜线段和端部斜线段分别对板簧根部和端部起加强作用，各片板簧的端部平直段非等构，即首片板簧的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片板簧的端部平直段的厚度和长度，以满足首片板簧受力复杂的要求。

根部平直段的一半水平长度l0，根部斜线段的水平长度为δl1，端部斜线段的水平长度为δl2，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝lt-l0，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p＝lt-l0-δl1。各片板簧根部平直段的厚度为h2，抛物线段的根部厚度h2p，其中，h2>h2p≥h2l2p/l2，抛物线段的端部厚度h1ip，各片板簧的端部平直段的厚度为h1i。各片板簧的根部斜线段的γ＝h2p/h2，抛物线段的厚度比βi＝h1i/h2p，端部斜线段的μi＝h1i/h1ip；抛物线段的端部到板簧端点的水平长度为l1ip＝l2pβi²，端部平直段的长度l1i＝l1ip-δl2。各片板簧的根部之间设有根部垫片2，根部垫片厚度为δc。各片板簧的端部之间设有端部垫片3，端部垫片厚度为δe，材料为碳纤维复合材料，以降低板簧工作所产生的摩擦噪声。各片板簧的自由切线弧高为hgi0，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高为hgc1，各片板簧的预夹紧应力为σi，i＝1,2,…,n。通过各片板簧的各自不同自由切线弧高，确保装配预夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力满足设计要求。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部和端部垫片的厚度，及装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度ki的计算：

a步骤：各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi的计算

根据板簧片数n，板簧的宽度b，弹性模量e，端部斜线段的水平长度δl1，根部斜线段的水平长度δl2；根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2；抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p；各片板簧的根部平直段的厚度h2，抛物线段的根部厚度h2ip，抛物线段的端部厚度h1ip，根部平直段的厚度h1i；各片板簧的根部斜线段的厚度比γ＝h2ip/h2，抛物线段的厚度比βi＝h1ip/h2ip，端部斜线段的厚度比μi＝h1i/h1ip；各片板簧的抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l1ip，端部平直段的长度l1i，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi进行计算，i＝1,2,…,n，即

b步骤：各片板簧的夹紧刚度ki的计算

根据板簧片数n，各片板簧的根部平直段的厚度h2，步骤(1)中计算得到的gx-fi，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度ki进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧端点力fi的计算：

根据板簧片数n，板簧的宽度b，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2；各片板簧的根部平直段的厚度h2，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σi，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的预夹紧端点力fi进行计算，i＝1,2,…,n，即

(3)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高hgci的确定：

根据板簧片数n，根部垫片厚度δc，端部垫片厚度δe，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值hgc1，各片板簧的根部平直段的厚度h2，前n-1片板簧的端部平直段厚度h1i，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高hgci进行确定，i＝1,2,…,n，即

(4)双加强端部非等构式抛物线变截面板簧的各片板簧自由切线弧高hgi0的设计：

根据板簧片数n，步骤(1)中计算得到的ki，步骤(2)中计算得到的fi，步骤(3)中所确定的hgci，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高hgi0进行设计，i＝1,2,…,n，即

本发明比现有技术具有的优点

先前对于双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧，一直未曾给出准确可靠的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法，不能满足车辆快速发展及对悬架少片变截面板簧现代化cad设计的要求。本发明可根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。通过样机试验测试可知，本发明所提供的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧的自由切线弧高的设计值，为双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高设计提供可靠的技术方法。利用该方法确保装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，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是双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计流程图；

图2是双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的一半夹紧结构示意图。

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。

实施例一：某双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半作用长度lt＝575mm，弹性模量e＝200gpa，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度l0＝50mm，端部斜线段的水平长度δl1＝30mm，根部斜线段的水平长度δl2＝40mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝lt-l0＝525mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p＝l2-δl2＝495mm。板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝18mm，抛物线段的根部厚度h2p＝17mm，抛物线段的端部厚度h11p＝8mm，h12p＝7mm，h13p＝6mm，端部平直段的厚度h11＝9mm，h12＝8mm，h13＝7mm。各片板簧的根部斜线段的厚度比γ＝h2p/h2＝0.944，抛物线段的厚度比β1＝h11p/h2p＝0.4706，β2＝h12p/h2p＝0.4118，β3＝h13p/h2p＝0.3529，端部斜线段的厚度比μ1＝h11/h11p＝1.125，μ2＝h12/h12p＝1.1429，μ3＝h13/h13p＝1.1667。各片板簧的抛物线段的端部到板簧端点的水平距离l11p＝l2β1²＝116.3mm，l12p＝l2β2²＝89mm，l13p＝l2β3²＝65.4mm；端部平直段的长度l11＝l11p-δl1＝86.3mm，l12＝l12p-δl1＝59mm，l13＝l13p-δl1＝35.4mm。根部垫片厚度δc＝3mm，端部垫片厚度δe＝6mm。装配夹紧后各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ1＝-26.32mpa，σ,2＝0mpa，σ3＝26.32mpa，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值hgc＝95mm。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部和端部垫片的厚度，装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高进行设计。

本发明实例所提供的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度k的计算：

a步骤：各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi的计算

根据板簧片数n＝3，板簧的宽度b＝60mm，弹性模量e＝200gpa，端部斜线段的水平长度δl1＝30mm，根部斜线段的水平长度δl2＝40mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝525mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p＝495mm。各片板簧的根部斜线段的厚度比γ＝0.944，各片板簧的端部斜线段的厚度比μ1＝1.125，μ2＝1.1429，μ3＝1.1667，抛物线段的厚度比β1＝0.4706，β2＝0.4118，β3＝0.3529。抛物线段的端部到板簧端点的水平距离l11p＝116.3mm，l12p＝89mm，l13p＝65.4mm，端部平直段的长度l11＝86.3mm，l12＝59mm，l13＝35.4mm，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi进行计算，i＝1,2,…,n，即

b步骤：各片板簧的夹紧刚度ki的计算

根据板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝18mm，步骤(1)中计算得到的gx-f1＝95.512mm⁴/n，gx-f2＝97.45mm⁴/n，gx-f3＝98.924mm⁴/n，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度ki进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧端点力fi的计算：

根据板簧片数n＝3，板簧的宽度b＝60mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝525mm；各片板簧的根部平直段的厚度h2＝18mm，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ1＝-26.32mpa，σ,2＝0mpa，σ3＝26.32mpa，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧端点力fi进行计算，i＝1,2,…,n，即

(3)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高hgci的确定：

根据板簧片数n＝3，根部垫片厚度δc＝3mm，端部垫片厚度δe＝6mm，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值hgc＝95mm，各片板簧的根部平直段厚度h2＝18mm，前2片板簧的端部平直段厚度h11＝9mm，h12＝8mm，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高hgci进行确定，i＝1,2,…,n，即

hgc1＝95mm，

hgc2＝hgc1+(h2+δc)-(h11+δe)＝101mm；

hgc3＝hgc1+(h2+δc)-(h12+δe)＝102mm。

(4)双加强端部非等构式抛物线变截面板簧的各片板簧自由切线弧高hgi0的设计：

根据板簧片数n＝3，步骤(1)中计算得到的k1＝122.12n/mm，k2＝119.69n/mm，k3＝117.91n/mm，步骤(2)中计算得到的f1＝-162.45n，f2＝0n，f3＝162.45n，步骤(3)中所确定的hgc1＝95mm，hgc2＝101mm，hgc3＝102mm，对双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高hgi0进行设计，i＝1,2,…,n，即

通过样机试验测试可知，本发明所提供的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧自由切线弧高的设计值。

实施例二：某双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半作用长度lt＝575mm，弹性模量e＝200gpa，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度l0＝50mm，，端部斜线段的水平长度δl1＝30mm，根部斜线段的水平长度δl2＝40mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝lt-l0＝525mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p＝l2-δl2＝495mm。板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm，抛物线段的根部厚度h2p＝15mm，抛物线段的端部厚度h11p＝7mm，h12p＝6.5mm，h13p＝6mm，h14p＝5.5mm，端部平直段厚度h11＝8mm，h12＝7.5mm，h13＝7mm，h14＝6.5mm；各片板簧的根部斜线段的厚度比γ＝h2p/h2＝0.9375，各片板簧的端部斜线段的厚度比μ1＝h11/h11p＝1.1429，μ2＝h12/h12p＝1.1538，μ3＝h13/h13p＝1.1667，μ4＝h14/h14p＝1.1818，各片板簧的抛物线段的厚度比β1＝h11p/h2p＝0.4667，β2＝h12p/h2p＝0.4333，β3＝h13p/h2p＝0.4，β4＝h14p/h2p＝0.3667。各片板簧的抛物线段的端部到板簧端点的水平距离l11p＝l2β1²＝114.3mm，l12p＝l2β2²＝89.6mm，l13p＝l2β3²＝84mm，l14p＝l2β4²＝70.6mm；端部平直段的长度l11＝l11p-δl1＝84.3mm，l12＝l12p-δl1＝68.6mm，l13＝l13p-δl1＝54mm，l14＝l14p-δl1＝40.6mm。根部垫片厚度δc＝3mm，端部垫片厚度δe＝6mm。装配夹紧后的首片板簧的初始切线弧高的设计要求值hgc1＝90mm，各片板簧的预夹紧应力的设计要求值σ1＝-29.974mpa，σ,2＝-9.99mpa，σ3＝9.99mpa，σ4＝29.974mpa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，根部和端部垫片的厚度，首片板簧的初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力的设计要求值，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片自由切线弧高进行设计。

采用与实施例一相同的设计方法和步骤，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高进行设计，具体设计步骤如下：

(1)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度k的计算：

a步骤：各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi的计算

根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，弹性模量e＝200gpa，端部斜线段的水平长度δl1＝30mm，根部斜线段的水平长度δl2＝40mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝525mm，抛物线段的根部到板簧端点的水平距离l2p＝495mm。各片板簧的根部斜线段的厚度比γ＝0.9375，各片板簧的端部斜线段的厚度比μ1＝1.1429，μ2＝1.1538，μ3＝1.1667，μ4＝1.1818；片板簧的抛物线段的厚度比β1＝0.4667，β2＝0.4333，β3＝0.4，β4＝0.3667。抛物线段的端部到板簧端点的水平距离l11p＝114.3mm，l12p＝89.6mm，l13p＝84mm，l14p＝70.6mm；端部平直段的长度l11＝84.3mm，l12＝68.6mm，l13＝54mm，l14＝40.6mm，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数gx-fi进行计算

b步骤：各片板簧的夹紧刚度ki的计算

根据板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm，步骤(1)中计算得到的gx-f1＝97.54mm⁴/n，gx-f2＝98.731mm⁴/n，gx-f3＝99.761mm⁴/n，gx-f4＝100.64mm⁴/n，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度ki进行计算，i＝1,2,…,n，即

(2)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧端点力fi的计算：

根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，根部斜线段的根部到板簧端点的水平距离l2＝525mm；各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm，及各片板簧的预夹紧应力的设计要求值分别为σ1＝-29.974mpa，σ,2＝-9.99mpa，σ3＝9.99mpa，σ4＝29.974mpa，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的预夹紧端点力fi进行计算，i＝1,2,…,n，即

(3)双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧初始切线弧高hgci的确定：

根据板簧片数n＝4，根部垫片厚度δc＝3mm，端部垫片厚度δe＝6mm，首片板簧的初始切线弧高的设计要求值hgc1＝90mm，各片板簧的根部平直段厚度h2＝16mm，前3片板簧的端部平直段厚度h11＝8mm，h12＝7.5mm，h13＝7mm，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧装配夹紧后的各片板簧的初始切线弧高hgci进行确定，i＝1,2,…,n，即

hgc1＝90mm，

hgc2＝hgc1+(h2+δc)-(h11+δe)＝95mm，

hgc3＝hgc1+(h2+δc)-(h12+δe)＝95.5mm，

hgc4＝hgc1+(h2+δc)-(h13+δe)＝96mm。

(4)双加强端部非等构式抛物线变截面板簧的各片板簧自由切线弧高hgi0的设计：

根据板簧片数n＝4，步骤(1)中计算得到的k1＝83.986n/mm，k2＝82.973n/mm，k3＝82.117n/mm，k4＝81.40n/mm，步骤(2)中计算得到的f1＝-146.16n，f2＝-48.72n，f3＝48.72n，f4＝146.16n，步骤(3)中所确定的hgc1＝90mm，hgc2＝95mm，hgc3＝95.5mm，hgc4＝96mm，对该双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧的自由切线弧高hgi0进行设计，i＝1,2,…,n，即

通过样机试验测试可知，本发明所提供的双加强端部非等构式变截面板簧自由切线弧高的设计方法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧的自由切线弧高的设计值，为双加强端部非等构式抛物线型变截面板簧的各片板簧自由切线弧高设计提供可靠的技术方法。利用该方法可确保装配夹紧后的首片板簧初始切线弧高和各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。