一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法。

背景技术：

为了满足在不同载荷下车辆行驶平顺性的要求，通常车辆悬架采用一级渐变刚度板簧，其中，各片副簧的下料长度是由夹紧段长度、曲面段长度所决定的，副簧下料长度设计是否精确可靠，直接影响加工工艺、生产效率和材料节省率。然而，由于受副簧初始曲面形状计算的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。

随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对非等偏频一级渐变刚度板簧悬架提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，为一级渐变刚度板簧的设计、下料、加工及现代化CAD软件开发，奠定了可靠的技术，满足车辆行业快速发展和车辆行驶平顺性要求不断提高及对一级渐变刚度板簧设计的要求，提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和性能及车辆行驶平顺性；同时，提高材料节省率和生产加工效率，降低设计和试验测试费用，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、可靠的一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，设计流程如图1所示。一级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1和副簧2所组成的，一级渐变刚度板簧的一半跨度，即为首片主簧的一半作用长度为L_1t，骑马螺栓夹紧距的一半为L₀，板簧宽度为b，弹性模量为E。主簧1的片数为n，各片主簧的厚度为h_i，主簧的一半作用长度为L_it，一半夹紧长度L_i＝L_it-L₀/2，i＝1,2,…n。副簧2的片数为m，各片副簧的厚度为h_Aj，各片副簧的一半作用长度为L_Ajt，一半夹紧长度L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通过主簧和副簧初始切线弧高，确保副簧首片端部上表面与主簧末片端部下表面之间设置有一定的主副簧间隙δ_MA，以满足渐变刚度板簧簧开始接触载荷和完全接触载荷、主簧应力强度和悬架渐变刚度的设计要求。各片副簧的下料长度是由夹紧段长度、曲面段长度和首片吊耳圆周长度所决定的，影响加工工艺、生产效率和材料节省率。根据该渐变刚度板簧的的骑马螺栓夹紧距、首片副簧初始切线弧高、夹紧长度、厚度、弹性模量及其他各片副簧的作用长度，在首片初始曲面形状计算的基础上，通过曲面微元及叠加计算，对一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)一级渐变刚度板簧的首片副簧的等效端点力F_A1e的计算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片副簧的厚度h_A1，首片副簧的一半夹紧长度L_A1，副簧初始切线弧高H_gA0，对首片副簧的等效端点力F_A1e进行计算，即

(2)一级渐变刚度板簧的首片副簧在任意位置处的变形系数G_Ax的计算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，弹性模量E；首片副簧的一半夹紧长度L_A1，以距离板簧对称中心L₀/2的位置为坐标原点，对首片副簧任意位置x处的变形系数G_Ax进行计算，即

(3)一级渐变刚度板簧的首片副簧初始曲面形状f_Ax的计算：

根据首片副簧的厚度h_A1，首片副簧的一半夹紧长度L_A1，步骤(1)中计算得到的F_A1e，步骤(2)中计算得到的G_Ax，对首片副簧初始曲面形状f_Ax进行计算，即

(4)一级渐变刚度板簧的首片副簧下料长度L_Ac1的设计：

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀；首片副簧的厚度h_A1，首片副簧的一半夹紧长度L_A1，以ΔL为曲面微元长度，在0～L_A1范围内划分为N_c＝L_A1/ΔL个曲面微元，根据步骤(3)中计算得到的f_Ax及在任意位置x_i处的曲面高度f_Axi，0≤x_i≤L_A1，i＝1,2,…,N_c+1，利用叠加原理对首片副簧的下料长度L_Ac1进行设计，即

(5)一级渐变刚度板簧的其他各片副簧下料长度的设计：

a步骤：根据副簧片数m，首片副簧的一半作用长度L_A1t，其他各片副簧的一半作用长度L_Ajt，j＝2,…,m，对首片副簧与其他各片副簧的一半作用长度之差进行计算，即

ΔL_Aj1＝L_A1t-L_Ajt，j＝2,…,m；

b步骤：其他各片副簧下料长度的设计

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀；副簧片数m，步骤(4)中计算得到的L_Ac1，a步骤中计算得到的ΔL_Aj1,j＝2,…,m；对其他各片副簧的下料长度进行设计，即

L_Ajc＝L_Ac1-2ΔL_Aj1，j＝2,…,m。

本发明比现有技术具有的优点

由于受副簧初始曲面形状计算的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及现代化CAD软件开发的要求。本发明可根据该渐变刚度板簧的的骑马螺栓夹紧距、首片副簧初始切线弧高、夹紧长度、厚度、弹性模量及其他各片副簧的作用长度，在首片初始曲面形状计算的基础上，通过曲面微元及叠加计算，对一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度进行设计。通过实际下料和样机加工验证可知，利用该方法可得到准确可靠的各片副簧下料长度设计值，为渐变刚度板簧的设计、下料、加工及现代化CAD软件开发奠定了可靠的技术。同时，利用该方法还可以节省材料、优化生产工艺、提高生产效率、降低设计和试验测试费用，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是一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的一级渐变刚度板簧的首片副簧任意位置处变形系数G_Ax曲线；

图4是实施例的一级渐变刚度板簧的首片副簧初始曲面形状曲线f_Ax。

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：某一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa。副簧片数m＝2，各片副簧厚度h_A1＝h_A2＝13mm。副簧初始切线弧高H_gA0＝12mm。第1片副簧的一半作用长度为L_A1t＝250mm，一半夹紧长度为L_A1＝L_A1t-L₀/2＝225mm；第2片副簧的一半作用长度为L_A2t＝175mm，一半夹紧长度为L_A2＝L_A2t-L₀/2＝150mm。根据该渐变刚度板簧的的骑马螺栓夹紧距、首片副簧初始切线弧高、夹紧长度、厚度、弹性模量及其他各片副簧的作用长度，在首片初始曲面形状计算的基础上，通过曲面微元及叠加计算，对该一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度进行设计。

本发明实例所提供的一级渐变刚度板簧的各片副簧下料长度的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)一级渐变刚度板簧的首片副簧的等效端点力F_A1e的计算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；首片副簧厚度h_A1＝13mm，一半夹紧长度L_A1＝225mm，初始切线弧高H_gA0＝12mm，对基于初始切线弧高的首片副簧的等效端点力F_A1e进行计算，即

(2)一级渐变刚度板簧的首片副簧在任意位置处的变形系数G_Ax的计算：

根据一级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；首片副簧的一半夹紧长度L_A1＝225mm，以距离对称中心L₀/2的位置为坐标原点，对首片副簧任意位置x处的变形系数G_Ax进行计算，即

当x在0～L_A1范围内变化时，利用Matlab计算程序，计算所得到的首片副簧任意位置处变形系数G_Ax曲线，如图3所示；其中，在x＝0位置处的变形系数G_Ax＝0，在x＝L_A1＝225mm处的变形系数G_Ax＝3.6161×10^-12m⁴/N。

(3)一级渐变刚度板簧的首片副簧初始曲面形状f_Ax的计算：

根据首片副簧的厚度h_A1＝13mm，一半夹紧长度L_A1＝225mm，步骤(1)中计算得到的F_A1e＝7291N，步骤(2)中计算得到的G_Ax，对首片副簧初始曲面形状f_Ax进行计算，即

当x在0～225mm范围内变化时，利用Matlab计算程序，计算得到首片副簧初始曲面形状f_Ax曲线，如图4所示。

(4)一级渐变刚度板簧的首片副簧下料长度L_Ac1的设计：

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm；首片副簧的厚度h_A1＝13mm，一半夹紧长度L_A1＝225mm，以ΔL＝5mm为曲面微元长度，在0～L_A1范围内划分为N_c＝L_A1/ΔL＝45个曲面微元，根据步骤(3)中计算得到的首片副簧初态曲面形状f_Ax和在任意位置x_i处的曲面高度f_Axi，0≤x_i≤L_A1，i＝1,2,…,N_c+1，利用叠加原理，对首片副簧的下料长度L_Ac1进行设计，即

(5)一级渐变刚度板簧的其他各片副簧下料长度的设计：

a步骤：根据副簧片数m＝2，各片副簧的一半作用长度L_A1t＝250mm，L_A2t＝175mm，计算首片副簧与第2片副簧的一半作用长度之差，即

ΔL_A21＝L_A1t-L_A2t＝75mm；

b步骤：其他各片副簧下料长度的设计

根据骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm；副簧片数m＝2，步骤(4)中设计得到的L_Ac1＝500.8mm，a步骤中计算得到的ΔL_A21＝75mm；对第2片副簧下料长度进行设计，即

L_A2c＝L_Ac1-2ΔL_A21＝350.8mm。

通过样机下料加工试验可知，利用该方法可得到准确可靠的各片副簧的下料长度设计值，为一级渐变刚度板簧的设计、下料、加工及现代化CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可节省材料，改善加工工艺，提高生产效率；同时，还可降低设计及试验费用，加快产品开发速度。