本发明属于弹簧，具体涉及一种变刚度弹簧及其设计方法。
背景技术：
1、随着人们生活水平提高和环保意识增强，我国在电池技术方面取得显著进步，结合一系列优惠政策，电动汽车所占有的市场份额越来越高，电动汽车产业得到飞速发展。电池包是电动汽车的核心部件，为了保证车辆具有足够的续航里程，电池包往往会设计得比较大，传统避震器需要占据较大的空间，不利于车辆空间布局，甚至会侵占车内空间，影响车辆乘坐舒适性。波簧是一种特殊的弹性元件，由多个波峰和波谷组成，在压缩过程众波峰和波谷相互靠近。这种弹簧在轴向方向上所要求的高度相对于螺旋弹簧更低，可以在较小空间内提供所需弹性力，但传统的波簧刚度无法变化，而车辆为了提高行驶舒适性，通常需要将车辆减震器设计为初始阶段较软、后续阶段较硬，传统的波簧无法满足上述需求。
2、因此，上述问题亟待解决。
技术实现思路
1、发明目的：为了克服以上不足，本发明提供一种变刚度弹簧及其设计方法，在轴向方向上结构紧凑，能够在较小空间内提供符合需求的弹性力，并且能够在较小的变形范围内提供精准的弹性力，在较大负载下具有足够的承载力，具有初始阶段柔软，随着变形量增加，承载能力增大，缓冲性能和抗冲击性能增强，在不同变形阶段具有不同刚度特性。
2、技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种变刚度弹簧，包括外套筒和内套筒。外套筒套接于内套筒外侧，外套筒和内套筒滑动连接，外套筒和内套筒内形成伸缩腔。伸缩腔内安装有波簧。波簧两端分别抵接于外套筒和内套筒。波簧沿外套筒轴线螺旋设置。本发明将波簧设置在外套筒和内套筒内形成的伸缩腔内，能够避免波簧受到灰尘、碎石和油污的干扰，延长波簧使用寿命，并且伸缩腔限制了波簧的变形方向，避免波簧偏斜或者扭矩，确保波簧提供稳定的弹性力，提高系统的稳定性。
3、进一步地，上述的变刚度弹簧中，波簧每一圈设有若干波峰和波谷，波簧相邻圈的波峰和波谷交错设置。波簧的波峰和波谷交错设置，能够使力均匀分布在整个波簧上，避免应力集中，提高承载能力，减少波簧产生裂纹的可能性，提高波簧使用寿命。相邻圈波峰和波谷交错设置有助于实现更平滑的弹性力变形曲线。通过改变波簧的波峰高度、截面宽度和厚度，实现刚度调节，如将波簧一端厚度较薄，使波簧初始端的柔软性，吸收细小振动，能够提高吸收和缓冲能力，实现波簧变刚度。
4、进一步地，上述的变刚度弹簧中，波簧横截面倾斜设置。当外力作用在波簧上，倾斜设置的横截面能够将力分解为多个方向的力，将一部分力向倾斜方向传递，减少应力集中，提高波簧承载能力，提高波簧有效变形空间。在常规使用过程中，主要由波簧相互抵接的波峰和波谷提供弹性力，此时具有较大有效弹性变形范围，能够在较大变形量下仍保持较好弹性。当波簧在较大负载下或者受到冲击时，随着波簧压缩变形，波簧横截面开始向水平方向变形，波簧承载能力抗冲击能力加大，实现在小幅度冲击时，波簧提供阻力较小，确保车辆行驶柔性，在遇到较大冲击力时，波簧阻力增加，提供强支撑和缓冲，避免车辆因冲击力过大而发生距离振动。并且波簧横截面倾斜设计，能够增强波簧抗扭矩能力，提高车辆抗侧倾能力，提高车辆操控性。
5、进一步地，上述的变刚度弹簧中，内套筒外侧设有弹簧。弹簧两端分别抵接于外套筒和内套筒，弹簧将外套筒和内套筒保持距离。弹簧将外套筒和内套筒连接，当外套筒和内套筒发生相对运动，弹簧被压缩或者拉伸，为外套筒和内套筒运动提供导向，并将外套筒和内套筒连接，对波簧施加预载力，确保结构稳定性。
6、进一步地，上述的变刚度弹簧中，外套筒底部设有第一环形槽，内套筒底部设有第二环形槽，波簧两端分别设于第一环形槽和第二环形槽内。将波簧两端置于环形槽内，确保波簧定位精准，避免出现位移，提高稳定性和可靠性。
7、进一步地，上述的变刚度弹簧中，第一环形槽和第二环形槽底部分别设有弹性环，波簧两端分别和弹性环抵接。波簧两端设置弹性环，将波簧和外套筒、内套筒隔离，减少波簧受到的冲击力，提高缓冲减震性能，能够减少波簧磨损，延长使用寿命，弹性环能够吸收微小振动，提高减震性能。
8、进一步地，上述的变刚度弹簧中，第二环形槽内侧壁连接有弹性圈，弹性圈和波簧间留有间隙。弹性圈能够减少波簧和第二环形槽摩擦，减少噪音，同时当弹性圈挤压变形，弹性圈直径逐渐增大，当波簧的直径增大到将弹性圈和波簧间的间隙填补，波簧和弹性圈抵接发生摩擦，使弹性圈参与到缓冲过程中，使冲击力传送到弹性圈，弹性圈和波簧共同承受冲击和震动，形成多级缓冲，提高弹簧适应性。同时弹性圈受到第二环形槽限制，无法向外变形，对波簧变形起到一定限制左艳红，防止波簧超出其弹性极限产生不可逆的变形或损坏，防止弹簧失效，延长弹簧使用寿命。
9、进一步地，上述的变刚度弹簧中，第一环形槽包括第一外壁，第二环形槽包括第二外壁，第一外壁内侧设有凸键，凸键沿外套筒轴向设置。第二外壁设有键槽，键槽和凸键相应设置，凸键卡入键槽，凸键沿键槽滑动。凸键和键槽设置，提高外套筒和内套筒连接稳定性。
10、上述变刚度弹簧的设计方法，包括如下步骤：
11、s1：确定使用场景，根据载荷、变形特性、空间、寿命要求进行初步寻优，获得所述波簧初步优解方案。
12、s2：根据获得的波簧初步优解方案，根据工作环境和负载特性，利用胡克定律来计算预紧力。
13、s3：根据计算获得预紧力，结合所述弹簧长度值和内径值，估算所述弹簧的丝径值和节距值。
14、s4：将所述波簧初步优解方案，建立所述波簧三维模型。
15、s5：将所述波簧三维模型输入仿真环境中，进行有限元分析。将所述波簧一端固定，所述波簧另一端压缩，输出位移数值、应力数值和反应力数值。
16、s6：根据获得的位移数值、应力数值和反应力数值，确定其应力水平，优化模型，重复s5,直至模型应力水平符合设计要求。
17、s7：制作波簧样品，在模拟实际工作环境的测试平台上进行实验，根据实验数据优化。
18、上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明变刚度弹簧及其设计方法，将波簧设置在外套筒和内套筒内形成的伸缩腔内，能够避免波簧受到灰尘、碎石和油污的干扰，延长波簧使用寿命，并且伸缩腔限制了波簧的变形方向，避免波簧偏斜或者扭矩，确保波簧提供稳定的弹性力，提高系统的稳定性。相邻圈波峰和波谷交错设置有助于实现更平滑的弹性力变形曲线。通过改变波簧的波峰高度，截面宽度和厚度，实现刚度调节。将波簧横截面倾斜设置能够将力分解为多个方向的力，将一部分力向倾斜方向传递，减少应力集中，提高波簧承载能力，提高波簧有效变形空间。设置弹性圈，当波簧受力，其直径增大到将弹性圈和波簧间的间隙填补，波簧和弹性圈抵接发生摩擦，使弹性圈参与到缓冲过程中，使冲击力传送到弹性圈，弹性圈和波簧共同承受冲击和震动，形成多级缓冲，提高弹簧适应性，弹性圈能够防止波簧超出其弹性极限产生不可逆的变形或损坏，防止弹簧失效，延长弹簧使用寿命。
1.一种变刚度弹簧，其特征在于：包括外套筒（1）和内套筒（2）；所述外套筒（1）套接于内套筒（2）外侧，所述外套筒（1）和内套筒（2）滑动连接，所述外套筒（1）和内套筒（2）内形成伸缩腔；所述伸缩腔内安装有波簧（3）；所述波簧（3）两端分别抵接于外套筒（1）和内套筒（2）；所述波簧（3）沿外套筒（1）轴线螺旋设置。
2.根据权利要求1所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述波簧（3）每一圈设有若干波峰和波谷，所述波簧（3）相邻圈的波峰和波谷交错设置。
3.根据权利要求1所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述波簧（3）横截面倾斜设置。
4.根据权利要求1所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述内套筒（2）外侧设有弹簧（31）；所述弹簧（31）两端分别抵接于外套筒（1）和内套筒（2），所述弹簧（31）将外套筒（1）和内套筒（2）保持距离。
5.根据权利要求1所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述外套筒（1）底部设有第一环形槽（11），所述内套筒（2）底部设有第二环形槽（21），所述波簧（3）两端分别设于第一环形槽（11）和第二环形槽（21）内。
6.根据权利要求5所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述第一环形槽（11）和第二环形槽（21）底部分别设有弹性环（4），所述波簧（3）两端分别和弹性环（4）抵接。
7.根据权利要求5所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述第二环形槽（21）内侧壁连接有弹性圈（5），所述弹性圈（5）和波簧（3）间留有间隙。
8.根据权利要求5所述的变刚度弹簧，其特征在于：所述第一环形槽（11）包括第一外壁（111），所述第二环形槽（21）包括第二外壁（211），所述第一外壁（111）内侧设有凸键（112），所述凸键（112）沿外套筒（1）轴向设置；所述第二外壁（211）设有键槽，所述键槽和凸键（112）相应设置，所述凸键（112）卡入键槽，所述凸键（112）沿键槽滑动。
9.根据权利要求1-8任一项所述的变刚度弹簧的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：