根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法。

背景技术：

为了满足车辆悬架在不同载荷下的变刚度设计要求，通常将少片变截面钢板弹簧设计为主、副簧，其中，主簧在与副簧相接触点位置处设计有一定的间隙，确保在大于一定载荷之后，主、副簧接触而一起共同工作。由于少片变截面主簧的第1片其受力复杂，不仅承受垂向载荷，同时还承受扭转载荷和纵向载荷，因此，实际所设计的第1片钢板弹簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚一些，即大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧；同时，为了加强少片变截面钢板弹簧的应力强度，通常在主簧根部平直段与抛物线段之间增设一斜线段，即采用根部加强型的少片变截面主簧。另外，由于为了满足主副簧不同复合刚度的设计要求，通常采用不同长度的副簧，即主簧与副簧的接触位置也不同，因此，可分为端部平直段接触和抛物线段接触。然后，由于根部加强型少片变截面钢板弹簧在任意位置处的变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧触点处的主、副簧间隙的设计方法。

尽管先前曾有人给出了少片斜线型变截面钢板弹簧的设计方法，例如，彭莫，高军曾在《汽车工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了变断面钢板弹簧的设计计算方法，该方法主要是针对端部等构的少片抛物型变截面钢板弹簧进行设计，其不足之处是不能满足根部非等构的少片变截面钢板弹簧的设计要求，更不能满足根部加强型少片变截面主簧在抛物线段与副簧触点处的主、副簧间隙的设计。目前尽管对根部加强型少片变截面主簧的变形，有人曾采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际设计结构的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，满足解析设计的要求，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。

因此，必须建立一种精确、可靠的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧触点处的主、副簧间隙的设计方法，满足车辆行业快速发展及对少片变截面主、副钢板弹簧精确设计的要求，提高变截面钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，提高车辆行驶平顺性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

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、可靠的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法，设计流程图如图1所示。根部加强型少片变截面主副簧为对称结构，弹簧的一半对称结构可看作悬臂梁，即将对称中心线看作为弹簧的根部固定端，将主簧的端部受力点和副簧触点分别看作为主簧端点和副簧端点。根部加强型少片变截面主副簧的一半对称结构示意图，如图2所示，其中包括，主簧1，根部垫片2，副簧3；端部垫片4；主簧1由N片组成，N为2～4的整数，各片总长度的一半为L，由根部平直段、斜线段、抛物线段和端部平直段4段构成；每片根部平直段的厚度为h2，安装间距的一半为l3；斜线段的长度为Δl，斜线段的根部到主簧端点的距离为l2，抛物线段的根部到主簧端点的距离为l2p，抛物线段的根部厚度为h2p，即斜线段的厚度比γ＝h2p/h2；主簧1各片的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，分别大于其他各片的厚度和长度，各片的端部平直段的厚度和长度分别为h1i和l1i，即各片的抛物线段的厚度比βi＝h1i/h2p，i＝1,2,…,N；主簧1的各片根部平直段及与副簧3的根部平直段之间设有根部垫片2，主簧1的各片端部平直段之间设有端部垫片4，端部垫片4的材料为碳纤维复合材料，以降低弹簧工作时所产生的摩擦噪声；副簧3的一半长度为LA，即副簧端点到主簧端点之间的水平距离为l0；主簧1的第N片的抛物线段与副簧3的端部触点之间设有一定的主、副簧间隙δ，当载荷大于副簧起作用载荷时，副簧与主簧抛物线段内某点相接触。在主簧的各片结构参数、弹性模量、副簧长度、副簧起作用载荷给定情况下，对根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧端部触点之间的主副簧间隙进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)各片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-Ei计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，斜线段的根部到主簧端点的距离l2，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p，斜线段的厚度比γ，主簧片数N，其中，第i片变截面主簧的抛物线段的厚度比βi，i＝1,2,…,N，对各片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-Ei进行计算，即

(2)第N片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点的变形系数Gx-CD计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的长度Δl，斜线段的根部到主簧端点的距离l2，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p，斜线段的厚度比γ，副簧触点与主簧端点的水平距离l0，主簧片数N，对第N片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第N片变截面主簧的端点力FN计算：

I步骤：根据少片根部加强型变截面主簧的根部平直段的厚度h2，主簧片数N，及步骤(1)中计算得到的各片变截面主簧的端点变形系数Gx-Ei，确定各片变截面主簧的一半刚度KMi，即

II步骤：根据副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P，主簧片数N，及I步骤中所确定的KMi，对副簧起作用载荷下的第N片变截面主簧的端点力FN进行计算，即

式中，KMN为第N片变截面主簧的一半刚度；

(4)根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

根据变截面主簧的根部平直段的厚度h2，II步骤中计算所得到的第N片变截面主簧的端点力FN，及步骤(2)中计算所得到的Gx-CD，对根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于根部加强型少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因此，先前一直未能给出根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧触点处的主、副簧间隙的设计方法。

本发明可根据根部加强型少片变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先确定出各片主簧在端点处的变形系数，及第N主簧在抛物线段与副簧触点处的变形系数；然后，通过各片端点处的变形系数及刚度，得到第N片主簧在端点所分担的载荷；随后，根据第N片主簧的根部厚度和在端点所分担载荷，及在抛物线段与副簧接触点位置处的变形系数，对根部加强型少片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点位置处的主、副簧间隙进行设计。

通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的根部加强型少片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点位置处的主、副簧间隙设计值，为根部加强型少片变截面钢板弹簧在抛物线段内的主、副簧间隙设计，提供了可靠的设计方法，并且为CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可提高少片变截面主、副钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，降低悬架弹簧质量和成本，提高车辆行驶平顺性；同时，还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是根部加强型少片变截面主簧在抛物线段与副簧间隙的设计流程图；

图2是根部加强型少片变截面主副簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例一的根部加强型少片变截面主簧的变形仿真云图；

图4是实施例二的根部加强型少片变截面主簧的变形仿真云图。

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：某根部加强型变截面主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部平直段的厚度h2＝11mm，安装间距的一半l3＝55mm，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝L-l3-Δl＝490mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝L-l3＝520mm；抛物线段的根部厚度h2p＝10.23mm，即斜线段的厚度比γ＝h2p/h2＝0.93；第1片主簧的端部平直段的厚度h11＝7mm，即第1片主簧的抛物线段的厚度比β1＝h11/h2p＝0.69；第2片主簧的端部平直段的厚度h12＝6mm，即第2片主簧的抛物线段的厚度比β2＝h12/h2p＝0.59。副簧的一半长度LA＝355mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝220mm，副簧触点与主簧抛物线段内某点相接触。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N，对该少片根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。

本发明实例所提供的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法，其设计流程如图1所示，具体步骤如下：

(1)各片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-Ei计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝490mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝520mm，斜线段的厚度比γ＝0.93，第1片变截面主簧的抛物线段的厚度比β1＝0.69，第2片变截面主簧的抛物线段的厚度比β2＝0.59，主簧片数N＝2，对第1片、第2片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-E1和Gx-E2分别进行计算，即

(2)第2片变截面主簧在抛物线段与副簧接触点的变形系数Gx-CD计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L＝575mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝490mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝520mm，斜线段的厚度比γ＝0.93，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝220mm，主簧片数N＝2，对第2片主簧在抛物线段与副簧触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第N片变截面主簧的端点力FN计算：

I步骤：根据少片根部加强型变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝11mm，主簧片数N＝2，及步骤(1)中计算所得到的Gx-E1＝107.53mm⁴/N和Gx-E2＝113.42mm⁴/N，确定第1片、第2片根部加强型变截面主簧的一半刚度KM1、KM2，分别为

II步骤：根据设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝1200N，及I步骤中所确定的KM1＝12.38N/mm和KM2＝11.74N/mm，对副簧起作用载荷下的第2片根部加强型变截面主簧的端点力F2进行计算，即

(4)根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

根据变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝11mm，II步骤中计算所得到F2＝584.08N，及步骤(2)中计算得到的Gx-CD＝39.76mm⁴/N，对根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该少片根部加强型变截面钢板弹簧的主簧结构参数和材料特性参数，建立该少片根部加强型变截面钢板弹簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加集中载荷P＝1200N，对该少片根部加强型变截面钢板弹簧主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图3所示，其中，该主簧在距离端部位置220mm处的变形量δ＝17.58mm。

可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝17.58mm，与主副簧间隙设计值δ＝17.45mm相吻合，相对偏差仅为0.74％；结果表明该发明所提供的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。

实施例二：某少片根部加强型变截面主簧的片数N＝2，其中，各片主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，根部平直段的厚度h2＝14.78mm，安装间距的一半l3＝60mm，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝L-l3-Δl＝510mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝L-l3＝540mm；抛物线段的根部厚度h2p＝13.3mm，斜线段的厚度比γ＝h2p/h2＝0.90；第1片主簧的端部平直段的厚度h11＝8mm，第1片主簧的抛物线段的厚度比β1＝h11/h2p＝0.60；第2片主簧的端部平直段的厚度h12＝6.5mm，及第2片主簧的抛物线段的厚度比β2＝h12/h2p＝0.49。副簧的一半长度LA＝340mm，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝L-LA＝260mm，副簧触点与主簧抛物线段内某点相接触。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，对该主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。

采用与实施例一相同的方法和步骤，对该主簧在抛物线段与副簧触点处的主副簧间隙进行设计，具体步骤如下：

(1)各片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-Ei计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝510mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝540mm，斜线段的厚度比γ＝0.90，主簧片数N＝2，第1片主簧的抛物线段的厚度比β1＝0.60，第2片主簧的抛物线段的厚度比β2＝0.49，对第1片、第2片根部加强型变截面主簧的端点变形系数Gx-E1、Gx-E2分别进行计算，即

(2)第N片变截面主簧在抛物线段与副簧接触触点的变形系数Gx-CD计算：

根据少片根部加强型变截面主簧的一半长度L＝600mm，宽度b＝60mm，弹性模量E＝200GPa，斜线段的长度Δl＝30mm，抛物线段的根部到主簧端点的距离l2p＝510mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2＝540mm，斜线段的厚度比γ＝0.90，副簧触点与主簧端点的水平距离l0＝260mm，主簧片数N＝2，对第2片根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧接触点处的变形系数Gx-CD进行计算，即

(3)副簧起作用载荷下的第N片变截面主簧的端点力F2计算：

I步骤：根据少片根部加强型变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝14.78mm，及步骤(1)中计算得到的Gx-E1＝137.44mm⁴/N和Gx-E2＝143.40mm⁴/N，主簧片数N＝2，确定第1片、第2片根部加强型变截面主簧的一半刚度KM1、KM2，分别为

II步骤：根据设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P＝3000N，及I步骤中所确定的KM1＝23.49N/mm和KM2＝22.52N/mm，对副簧起作用载荷下的第2片根部加强型变截面主簧的端点力F2进行计算，即

(4)根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：

根据少片根部加强型变截面主簧的根部平直段的厚度h2＝14.78mm，II步骤中计算所得到的F2＝1468.40N，及步骤(2)中计算所得到的Gx-CD＝39.60mm⁴/N，对根部加强型变截面主簧在抛物线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ进行设计，即

利用ANSYS有限元仿真软件，根据该根部加强型变截面主簧的各片结构参数和材料特性参数，建立该根部加强型变截面主簧的一半对称结构的ANSYS仿真模型，划分网格，并在仿真模型的根部施加固定约束，在端点施加集中载荷P＝3000N，对该少片根部加强型变截面钢板弹簧主簧的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图4所示，其中，该主簧在距离端部位置260mm处的变形量δ＝18.12mm。

可知，在相同载荷下，该钢板弹簧主簧变形量的ANSYS仿真验证值δ＝18.12mm，与主副簧间隙设计值δ＝18.01mm相吻合，相对偏差仅为0.61％；结果表明该发明所提供的根部加强型少片主簧在抛物线段与副簧间隙的设计方法是正确的，参数设计值是准确可靠的。