端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的 设计方法。
【背景技术】
[0002] 少片变截面钢板弹簧与多片叠加钢板弹簧相比，由于其受力合理，应力载荷趋于 均衡，并且节省材料和成本，实现车辆轻量化，降低车轮动载，提高车辆行驶安全性，同时还 节省燃油，提高车辆运输效率，因此具有良好的经济效益和社会效益，国外已经得到了推广 应用。对于少片变截面钢板弹簧，通常在根部平直段与抛物线段之间，以及端部平直段与抛 物线之间，各增设一斜线段，即采用端部和根部加强型的少片变截面钢板弹簧，这样不仅可 降低弹簧的应力，提高其应力强度，同时，还可进一步满足刚度精确设计值，而且还可便于 抛物线段的加工，改善其加工工艺性。尽管先前曾有人给出了少片抛物线型变截面钢板弹 簧的设计方法，例如，彭莫和高军曾在《汽车工程》第14卷第3期，提出了变断面钢板弹簧的 设计计算方法，该方法只能对端部和根部未加强，且端部等构的少片抛物线型变截面钢板 弹簧进行设计，其不足之处是不能满足端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的设计要 求。
[0003] 对于端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧，由于受变形、刚度计算理论以及少 片变截面钢板弹簧等效厚度及拆分设计理论的制约，至今尚未给出一直简便、准确、可靠的 设计方法，目前大都是忽略端部和根部加强斜线段的影响，将斜线段直接近似看作抛物线 段，对端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧进行近似设计，因此，很难得到准确可靠的参 数设计值。随着计算机及有限元仿真软件的仿真，目前尽管有人曾对端部和根部加强型少 片变截面钢板弹簧采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给定设计结构的端部和根部 加强型少片变截面钢板弹簧的变形或刚度进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更 不能满足车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。
[0004] 因此，必须建立一种精确、可靠的端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的设计 方法，满足车辆行业快速发展及对悬架钢板弹簧精确设计的要求，提高少片变截面钢板弹 簧的设计水平和性能，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低弹簧质量及成本，降低设 计及试验费用，加快产品开发速度。
【发明内容】
[0005] 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、 可靠的端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法。所述变截面钢板弹簧包括至少 两片钢板弹簧，每片钢板弹簧为以中心栓穿装孔为轴心的对称结构，钢板弹簧的一半对称 结构可看作悬臂梁，即为以中心栓穿装孔中心线为一半弹簧的根部固定端，端部受力点为 弹簧的端点，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5段所构成， 即在根部平直段和抛物线段之间，及抛物线段和端部平直段之间设有斜线加强段，以对钢 板弹簧起加强作用;各片端部平直段为非等构，即第1片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长 度大于其他各片的厚度和长度，以满足第1片钢板弹簧的端部受力复杂的要求;其中，L为弹 簧长度的一半，I3为安装间距的一半，11 2为根部平直段的厚度，△ I2为根部斜线段的长度，Δ 1:为端部斜线段的长度；I2为根部斜线段的根部到弹簧端点的距离，I2p为抛物线段的根部 到弹簧端点的距离，I lp为抛物线段的端部到弹簧端点的距离;hu和I11分别为第i片弹簧的 端部平直段的厚度和长度；Yh 2为抛物线段的根部厚度，即根部斜线段的小端厚度，γ根部 斜线段的厚度比;hu/μ为抛物线段的端部厚度，即端部斜线段的最小厚度，μ端部斜线段的 厚度比。在钢板弹簧的安装结构、刚度设计要求值、最大载荷及许用应力给定情况下，对端 部和根部加强型少片变截面钢板弹簧进行设计。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法， 其特征在于采用以下设计步骤：
[0007] (1)端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度的计算：
[0008] 首先，选取等效单片加强型变截面钢板弹簧的抛物线段的厚度比β，其中，β的选择 范围为0.45~0.55;然后，根据加强型少片变截面钢板弹簧的一半长度L，一半刚度设计要 求值Κμ，宽度b，弹性模量Ε;根部斜线段的厚度比γ，根部斜线段的长度△ I2;端部斜线段的 厚度比μ，端部斜线段的长度A 11;安装间距的一半I3;根部斜线段的根部到弹簧端点的距离 I2 = L-I3,抛物线段的根部到弹簧端点的距离I2p = L-I3-Al2,抛物线段的端部到弹簧端点 的距离11ρ = β212ρ;端部平直段的长度I1 = Ilp-A I1，对满足刚度要求的端部和根部加强型少 片变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度h进行计算，BP
[0009]
[0010]
[0011] (2)端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2 的设计：
[0012] A步骤:确定各片弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]:
[0013] 根据端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的一半长度L，宽度b，所受的一半载 荷P，安全许用应力[σ ]，及步骤（1)中计算所得到的h，确定各片变截面钢板弹簧根部厚度 的最大许用厚度[h2]，BP
[0014]
[0015] B步骤:钢板弹簧片数N及各片根部厚度匕的设计：
[0016] 选取端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的片数初始值N，其中，N为2~5之间 的整数;所设计的端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的根部厚度相等，即都等于h 2;根 据A步骤中确定的[h2]，及步骤(1)中计算所得到的，对端部和根部加强型少片变截面钢板 弹簧的根部厚度匕进行设计，BP
[0017]
[0018] 若h2<[h2]，则h2即为端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的各片根部厚度设 计值，所对应的钢板弹簧片数N，即为端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的设计片数；
[0019] 若h2>[h2]，则取片数值N = N+1，返回继续执行B步骤，对增加1片情况下的根部厚 度匕进行设计，直到当h2 < [h2]时，端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的片数及各片根 部厚度设计完毕；
[0020] (3)端部和根部加强型少片变截面钢板弹簧的各片端部平直段的厚度和长度的设 计：
[0021] I步骤:根据步骤(2)中设计所得到的h2,确定第1片钢板弹簧抛物线段的厚度比扮， 即
[0022]
[0023] 根据抛物线根部到弹簧端点的距离I2p，根部斜线段的厚度比γ，端部斜线段的厚 度比y及长度Al1，步骤(2)中设计得到的h 2,及所确定的第1片钢板弹簧抛物线段的厚度比 扮，确定第1片钢板弹簧端部平直段的厚度hn和长度ln，分别为
[0024] hn = Pi γ V-\i2,
[0025] Iii = Pi2I2p-Al1
[0026] II步骤:根据步骤（1)中所确定的等效单片加强型变截面钢板弹簧的抛物线段的 厚度比β和计算得到的等效单片的根部厚度设计值h e，I步骤中所确定的第1片钢板弹簧抛 物线段的厚度比扮，及步骤(2)中设计所得到的N和h2，确定第2片，…，第N片钢板弹簧抛物线 段的厚度比，即
[0027]
[0028]根据所确定的第2片，…，第N片弹簧的厚度比(62 = 03 =…=βΝ，抛物线根部到弹簧 端点的距离I2p，根部斜线段的厚度比γ，端部斜线段的厚度比μ，端部斜线段长度AI1，及步 骤(2)中设计得到的h 2,确定第2片，…，第N片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度，分别为
[0029] 1
[0031] (4)端部