一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和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厚度和长度的设计方法。

背景技术：

为了满足在不同载荷下的车辆行驶平顺性的设计要求，可采用一级渐变刚度板簧，其中，副簧的厚度和片数影响主副簧复合夹紧刚度、悬架偏频及车辆行驶平顺性和行驶安全性，而且还影响板簧的应力强度、可靠性和使用寿命，即所设计副簧的各片厚度和长度应同时满足主副簧复合夹紧刚度和板簧应力强度的设计要求。由于副簧各片厚度和长度的设计，不仅与主副簧复合夹紧刚度、许用应力和载荷有关，而且还与主簧各片的结构参数、接触载荷有关，因此，副簧各片厚度和长度的设计非常复杂，同时还受受主副簧夹紧刚度和副簧根部最大应力和副簧最大许用厚度等关键问题的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及一级渐变刚度板簧现代化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厚度和长度的设计方法，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性及安全性及一级渐变刚度板簧设计的要求，确保板簧同时满足复合夹紧刚度、渐变刚度和应力强度的设计要求，进一步提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量和可靠性及车辆行驶平顺性和安全性；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、可靠的一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度的设计方法，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，钢板弹簧的宽度为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。开始接触载荷为P_k，额定载荷P_N。副簧的各片厚度和长度不仅满足主副簧复合夹紧刚度的设计要求，同时还应该满足板簧应力强度的设计要求。根据主簧各片的结构参数、安装夹紧间距、宽度，弹性模量，许用应力、主副簧复合夹紧刚度、首片主簧的一半夹紧长度、开始接触载荷P_k和额定载荷P_N，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度和长度进行设计。

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厚度和长度的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：

(1)基于主副簧夹紧复合刚度的主副簧根部等效厚度H_MAe的确定

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，安装夹紧间距的一半长度L₀，弹性模量E；主簧片数n，首片主簧的一半夹紧长度L₁；主副簧夹紧刚度K_MA，预取副簧片数m，主副簧总片数N＝n+m，取末片副簧的一半夹紧长度L_N＝3L₀-L₀/2，末片副簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_N＝L₁-L_N，取主副簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_MA＝0.4～0.5，对主副簧根部等效厚度H_MAe进行确定，即

(2)一级渐变刚度板簧的副簧根部等效厚度H_Ae的设计：

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,..,n；步骤(1)计算得到的H_MAe，对一级渐变刚度板簧的副簧根等效部厚度H_Ae进行设计，即

(3)一级渐变刚度板簧的副簧最大许用厚度[h_A]和最少片数m_min的确定：

I步骤：副簧最大许用厚度[h_A]的确定

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半夹紧长度L₁，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，步骤(2)中计算得到的H_MAe，对副簧最大许用厚度[h_A]进行确定，即

II步骤：副簧最少片数m_min的确定

根据步骤(2)中计算得到的H_Ae，I步骤中所确定的[h_A]，对副簧最少片数m_min进行确定，即

(4)一级渐变刚度板簧的副簧片数m及各片厚度h_Aj的设计：

根据步骤(2)中设计得到的H_Ae，步骤(3)的I步骤中确定的[h_A]和m_min，向上圆整m_min，且取m≥m_min，得到副簧片数m，并对各片副簧的厚度h_Aj进行设计，即

m≥m_min，

将h_Aj向上圆整为板簧标准系列厚度，便可得到m片副簧的实际设计厚度为h_Aj；

(5)一级渐变刚度板簧的各片副簧一半作用长度L_Ajt的设计：

A步骤：各片副簧端部外侧重叠段的等效厚度计算

根据主簧片数n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,...n，步骤(3)中设计得到的副簧片数m，各片副簧的厚度为h_Aj，j＝1,2,...m；主副簧的总片数N＝n+m，对一级渐变刚度板簧不同片数k重叠段的等效厚度h_ke进行计算，k＝1,2,...,N，即

根据计算所得到的h_ke，第j片副簧的端部外侧的重叠段的板簧片数N_F＝n+j-1，因此，可得第j片副簧的端部外侧的重叠段的等效厚度h_AjFe为

B步骤：首片副簧的最小一半作用长度L_A1tmin的设计

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半作用长度L_1t,首片主簧的厚度h₁，额定载荷P_N，及A步骤中计算得到的h_A1Fe，对首片副簧的最小一半作用长度L_A1tmin进行设计，即

式中，h_A1Fe为首片副簧的端部外侧的重叠段的等效厚度，h_A1Fe＝h_ne；

C步骤：其他各片副簧的最小一半作用长度的设计

根据一级渐变刚度板簧的宽度b，许用应力[σ]；首片主簧的一半长度L_1t,首片主簧的厚度h₁，开始接触载荷P_k，额定载荷P_N，副簧片数m，A步骤中计算得到的h_AjFe，对其他各片副簧的最小一半作用长度L_Ajtmin，j＝2,...m，进行设计，即

D步骤：各片副簧的一半作用长度的圆整设计

根据步骤B中设计得到的L_A1tmin，步骤C中设计得到的L_Ajtmin，j＝2,...,m，对其进行向上圆整，得到各片副簧一半作用长度的实际设计值，即L_Ajt,j＝1,2,...,m。

本发明比现有技术具有的优点

由于受主副簧夹紧刚度和副簧根部最大应力、主簧根部等效厚度、主副簧根部等效厚度计算和副簧根部等效厚度计算等关键问题的制约，先前一直未能给出一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度的设计方法，不能满足车辆行业快速发展及对悬架弹簧所提出的更高要求。本发明可根据主簧各片的结构参数、安装夹紧间距、宽度，弹性模量，许用应力、主副簧复合夹紧刚度、首片主簧的一半夹紧长度、开始接触载荷P_k和额定载荷P_N，对一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度和长度进行设计。通过ANSYS仿真和试验测试可知，表明本发明所提供的一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度的设计方法是正确的，该方法可得到可靠的副簧厚度和片数设计值，为一级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础，确保副簧满足复合夹紧刚度、应力强度的设计要求。利用该方法可提高一级渐变刚度板簧的设计水平、产品质量、性能和可靠性及车辆行驶安全性；同时，还可节省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厚度和长度的设计流程图；

图2是一级渐变刚度板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的仿真得到的一级渐变刚度板簧的ANSYS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：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，许用应力[σ]＝450MPa。主簧片数n＝3片，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用长度为L_1t＝525mm，L_2t＝445mm，L_3t＝360mm；各片主簧的一半夹紧长度为L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝420mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝335mm；主副簧夹紧复合刚度K_MA＝172.9N/mm。开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N。根据该渐变刚度板簧的主簧的结构参数、主副簧夹紧复合刚度K_MA、弹性模量、许用应力、开始接触载荷P_k和额定载荷P_N，对该一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度进行设计。

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

(1)基于主副簧夹紧复合刚度K_MA的主副簧根部等效厚度H_MAe的确定：

根据一级渐变钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，主副簧夹紧刚度设计值K_MA＝172.9N/mm；主簧片数n＝3片，预取副簧m＝2，即主副簧的总片数N＝n+m＝5。取末片副簧的一半夹紧长度L_N＝3L₀-L₀/2＝125mm，末片副簧的端点与首片主簧端点之间的距离ΔL_N＝L₁-L_N＝375mm，取主副簧的等效单片等应力板簧的抛物线段厚度比β_MA＝0.45，对主副簧根部等效厚度H_MAe进行确定，即

(2)一级渐变刚度板簧的副簧根部等效厚度H_Ae的设计：

根据主簧片数n＝3片，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，步骤(1)计算得到的H_MAe＝16.8mm，对副簧根部等效厚度H_Ae进行设计，即

(3)一级渐变刚度板簧的副簧最大许用厚度[h_A]和最少片数m_min的确定：

I步骤：副簧最大许用厚度[h_A]的确定

根据渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝450MPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N，步骤(2)中计算得到的H_MAe＝16.8mm，对副簧最大许用厚度[h_A]进行确定，即

II步骤：副簧最少片数m_min的确定

根据步骤(2)中计算得到的H_Ae＝14.8mm，I步骤中所确定的[h_A]＝16.8mm，对副簧最少片数m_min进行确定，即

(4)一级渐变刚度板簧的副簧片数m及各片厚度h_Aj的设计：

根据步骤(2)中设计得到的H_Ae＝14.8mm，步骤(3)中确定的[h_A]＝16.8mm，即H_Ae<[h_A]；根据副簧的最少片数m_min＝0.68，取副簧片数m＝2，则各片副簧厚度h_Aj为

将h_Aj＝11.7mm，向上圆整为板簧标准系列厚度12mm，即该渐变刚度板簧的2片副簧的实际设计厚度为h_A1＝h_A2＝12mm。

(5)一级渐变刚度板簧的各片副簧一半作用长度L_Ajt的设计：

A步骤：各片副簧端部外侧重叠段的等效厚度计算

根据主簧片数n＝3，各片厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，步骤(3)中设计得到的副簧片数m＝2，各片副簧的厚度为h_A1＝h_A2＝12mm，主副的总片数N＝n+m＝5，对主副簧不同片数k重叠段的等效厚度h_ke进行计算，k＝1,2,...,N，即

h_1e＝h₁＝8.0mm,

因此，第1片副簧和第2片副簧的端部外侧的重叠段的等效厚度h_A1Fe和h_A2Fe分别为

h_A1Fe＝h_3e＝11.5mm，

h_A2Fe＝h_4e＝14.8mm。

B步骤：首片副簧的最小一半作用长度L_A1tmin的设计

根据渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝450MPa，首片主簧的一半作用长度L_1t＝525mm,首片主簧的厚度h₁＝8mm，额定载荷P_N＝7227N，及A步骤中计算得到的h_A1Fe＝11.5mm，对首片副簧的最小一半作用长度L_A1tmin进行设计，即

C步骤：其他各片副簧的最小一半作用长度的设计

根据渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，许用应力[σ]＝450MPa；首片主簧的一半作用长度L_1t＝525mm,首片主簧的厚度h₁＝8mm，开始接触载荷P_k＝1900N，额定载荷P_N＝7227N，副簧片数m＝2，A步骤中计算得到的h_A1Fe＝11.5mm和h_A2Fe＝14.8mm，对第2片副簧的最小一半作用长度L_A2tmin进行设计，即

D步骤：各片副簧的一半作用长度的圆整设计

根据B步骤中设计得到的L_A1tmin＝273.9mm，C步骤中设计得到的L_A2tmin＝113.3mm，对其向上圆整，得到第1片副簧和第2片副簧的一半作用长度的实际设计值，分别为

L_A1t＝275mm，

L_A2t＝115mm。

根据该一级渐变刚度板簧的结构尺寸、弹性模量及所设计副簧的片数、厚度和长度，建立板簧的一半对称夹紧结构ANSYS仿真模型，并在端部施加一集中力F＝3650N，仿真得到的ANSYS变形仿真云图，如图3所示，其中，最大挠度f_Mmax＝43.05mm，该一级渐变刚度板簧的主副簧复合夹紧刚度的仿真验证值K_MA＝2F/f_Mmax＝169.57N/mm，与验算值K_MA＝169.32N/mm和设计要求值K_MA＝172.9N/mm相吻合。

通过样机加载挠度及夹紧刚度试验可知，当主副簧完全接触之后，主副簧的复合夹紧刚度的试验测试值，与设计要求值相吻合。表明本发明所提供的一级渐变刚度板簧的各片副簧厚度和长度的设计方法是正确的，为一级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到可靠的一级渐变刚度板簧的副簧各片厚度及片数计算值，确保各片副簧满足应力强度和主副簧复合夹紧刚度的设计要求，提高产品的设计水平、性能、可靠性和使用寿命及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。