本發(fā)明涉及車(chē)輛懸架板簧，特別是基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法。

背景技術(shù)：

為了滿足車(chē)輛行駛平順性的要求，通常采用一級(jí)漸變剛度板簧懸架，其中，懸架偏頻影響車(chē)輛行駛平順性和安全性，而且懸架偏頻不僅與彈簧懸架剛度有關(guān)，而且與接觸載荷有關(guān)，對(duì)于給定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)板簧懸架的偏頻特性的仿真計(jì)算，并根據(jù)偏頻仿真計(jì)算結(jié)果，依據(jù)偏頻設(shè)計(jì)要求值，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，確保懸架偏頻滿足車(chē)輛平順性設(shè)計(jì)要求。然而，由于受接觸載荷仿真計(jì)算和漸變接觸過(guò)程中的懸架漸變剛度及漸變偏頻計(jì)算的制約，先前一直未能給出基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，不能滿足車(chē)輛行業(yè)快速發(fā)展及現(xiàn)代化CAD軟件開(kāi)發(fā)的要求。然隨著車(chē)輛行駛速度及其對(duì)平順性要求的不斷提高，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧懸架提出了更高設(shè)計(jì)要求，因此，必須建立一種精確、可靠的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，為一級(jí)漸變剛度板簧懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、特性仿真計(jì)算及CAD軟件開(kāi)發(fā)奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，滿足車(chē)輛行業(yè)快速發(fā)展、車(chē)輛行駛平順性及對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧設(shè)計(jì)的要求，提高一級(jí)漸變剛度板簧懸架的設(shè)計(jì)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性及車(chē)輛行駛平順性和安全性；同時(shí)，降低設(shè)計(jì)及試驗(yàn)費(fèi)用，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)便、可靠的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，其調(diào)整設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。一級(jí)漸變剛度板簧的一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，是由主簧1和副簧2所組成的，一級(jí)漸變剛度板簧的一半總跨度，即為首片主簧的一半作用長(zhǎng)度為L(zhǎng)_1t，騎馬螺栓夾緊距的一半為L(zhǎng)₀，板簧的寬度為b，彈性模量為E。主簧1的片數(shù)為n，各片主簧的厚度為h_i，一半作用長(zhǎng)度為L(zhǎng)_it，一半夾緊長(zhǎng)度L_i＝L_it-L₀/2，i＝1,2,…n。副簧2的片數(shù)為m，各片副簧的厚度為h_Aj，一半作用長(zhǎng)度為L(zhǎng)_Ajt，一半夾緊長(zhǎng)度L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通過(guò)主簧和副簧初始切線弧高，確保副簧首片端部上表面與主簧末片端部下表面之間設(shè)置有一定的主副簧間隙δ_MA，以滿足漸變剛度板簧開(kāi)始接觸載荷和完全接觸載荷、主簧應(yīng)力強(qiáng)度和懸架漸變剛度的設(shè)計(jì)要求，并且還應(yīng)該滿足板簧安裝及在額定載荷下剩余切線弧高的設(shè)計(jì)要求。一級(jí)漸變剛度板簧的空載載荷P₀，開(kāi)始接觸載荷為P_k，完全接觸載荷為P_w；為了滿足主簧應(yīng)力強(qiáng)度的要求，懸架開(kāi)始接觸載荷偏頻f_0k與完全接觸載荷偏頻f_0w不相等，即設(shè)計(jì)為非等偏頻一級(jí)漸變剛度板簧。懸架在不同載荷下的偏頻特性影響車(chē)輛行駛平順性和安全性。根據(jù)主簧和副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量、主簧夾緊剛度，主副簧復(fù)合夾緊剛度，主簧和副簧的初始切線弧高，空載載荷和額定載荷，及偏頻設(shè)計(jì)要求值，在接觸載荷仿真計(jì)算和懸架偏頻特性仿真驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，確保懸架偏頻特性滿足車(chē)輛懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，其特征在于采用以下調(diào)整設(shè)計(jì)步驟：

(1)一級(jí)漸變剛度板簧的開(kāi)始接觸載荷P_k的仿真計(jì)算：

A步驟：末片主簧下表面初始曲率半徑R_M0b的確定

根據(jù)主簧片數(shù)n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁，主簧初始切線弧高H_gM0，確定末片主簧下表面初始曲率半徑R_M0b，即

B步驟：首片副簧上表面初始曲率半徑R_A0的確定

根據(jù)首片副簧的一半夾緊長(zhǎng)度L_A1，副簧初始切線弧高H_gA0，確定首片副簧上表面初始曲率半徑R_A0a，即

C步驟：開(kāi)始接觸載荷P_k的仿真計(jì)算

根據(jù)一級(jí)漸變剛度板簧的寬度b，彈性模量E；主簧片數(shù)n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夾緊跨長(zhǎng)度L₁；A步驟中所確定的R_M0b，B步驟中所確定的R_A0a，對(duì)開(kāi)始接觸載荷P_k進(jìn)行仿真計(jì)算，即

式中，h_Me為主簧根部重疊部分的等效厚度，

(2)一級(jí)漸變剛度板簧的完全接觸載荷P_w的仿真計(jì)算：

a步驟：完全接觸時(shí)的主簧切線弧高表達(dá)式H_gMw的建立

根據(jù)主簧初始切線弧高H_gM0，主簧夾緊剛度K_M，主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA，步驟(1)中仿真計(jì)算得到的P_k，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立完全接觸時(shí)的主簧切線弧高表達(dá)式H_gMw，即

式中，A、B和C為所定義的漸變撓度計(jì)算的中間參數(shù)，B＝-CP_k，

b步驟：完全接觸時(shí)的末片主簧下表面曲率半徑R_Mwb表達(dá)式的建立：

根據(jù)主簧片數(shù)n，各片主簧的厚度h_i，i＝1,2,…,n；首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁，a步驟中所建立的H_gMw，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立完全接觸時(shí)的末片主簧下表面曲率半徑表達(dá)式R_Mwb，即

c步驟：完全接觸載荷P_w的仿真計(jì)算

根據(jù)一級(jí)漸變剛度板簧的寬度b，彈性模量E；首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁，步驟(1)中所得到的R_M0b、h_Me和P_k，及b步驟中所建立的R_Mwb，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立一級(jí)漸變剛度板簧的完全接觸載荷仿真計(jì)算數(shù)學(xué)模型，即

求解上述數(shù)學(xué)模型，便可得到非等偏頻一級(jí)漸變板簧的完全接觸載荷P_w；

(3)一級(jí)漸變剛度板簧懸架的偏頻特性的仿真計(jì)算：

根據(jù)主簧夾緊剛度K_M，主副簧夾緊復(fù)合剛度K_MA，空載載荷P₀，額定載荷P_N，步驟(1)的C步驟中仿真計(jì)算得到的P_k，步驟(2)中仿真計(jì)算得到的P_w，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧懸架系統(tǒng)在不同載荷下的偏頻特性進(jìn)行仿真計(jì)算，即

式中，g為重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)：

根據(jù)仿真計(jì)算得到的板簧在原接觸載荷下的偏頻特性f₀隨載荷P變化的特性，主簧夾緊剛度K_M，主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA，以開(kāi)始接觸載荷和完全接觸載荷下的偏頻設(shè)計(jì)要求值f_0kI和f_0wI為目標(biāo)，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧的開(kāi)始接觸載荷P_k和完全接觸載荷P_w進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，即

本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)

由于受接觸載荷仿真計(jì)算和漸變接觸過(guò)程中的懸架漸變剛度及漸變偏頻計(jì)算的制約，先前一直未能給出基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，不能滿足車(chē)輛行業(yè)快速發(fā)展及現(xiàn)代化CAD軟件開(kāi)發(fā)的要求。懸架在不同載荷下的偏頻特性影響車(chē)輛行駛平順性和安全性；對(duì)于給定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)板簧懸架的偏頻特性的仿真計(jì)算，可確保其偏頻特性滿足車(chē)輛懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明可根據(jù)主簧和副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量、主簧夾緊剛度，主副簧復(fù)合夾緊剛度，主簧和副簧的初始切線弧高，空載載荷和額定載荷，懸架偏頻設(shè)計(jì)要求值，在接觸載荷仿真計(jì)算和懸架偏頻仿真驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對(duì)一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法。通過(guò)實(shí)例設(shè)計(jì)和樣機(jī)的車(chē)輛行駛平順性驗(yàn)測(cè)試可知，本發(fā)明所提供的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法是正確的，為一級(jí)漸變剛度板簧懸架設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。利用該方法可提高懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量和性能，進(jìn)一步提高車(chē)輛的行駛平順性和安全性；同時(shí)，還可以降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試費(fèi)用，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1是基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)流程圖；

圖2是一級(jí)漸變剛度板簧的一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)施例的仿真計(jì)算得到的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和接觸載荷下的一級(jí)漸變剛度板簧懸架的偏頻f₀隨載荷P變化的特性曲線；

圖4是實(shí)施例的仿真計(jì)算得到的接觸載荷調(diào)整設(shè)計(jì)之后的一級(jí)漸變剛度板簧懸架的偏頻f₀隨載荷P變化的特性曲線。

具體實(shí)施方案

下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例：某一級(jí)漸變剛度板簧懸架的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；跨度的一半即一半作用長(zhǎng)度L_1t＝525mm，騎馬螺栓夾緊距的一半L₀＝50mm。主副簧的總片數(shù)N＝n+m＝5，其中，主簧片數(shù)n＝3，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)_1t＝525mm，L_2t＝450mm，L_3t＝350mm；一半夾緊長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_3t-L₀/2＝325mm。副簧片數(shù)m＝2，各片副簧的厚度h_A1＝h_A2＝13mm，各片副簧的一半作用長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)_A1t＝250mm，L_A2t＝150mm，一半夾緊長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)_A1＝L_A1t-L₀/2＝225mm，L_A2＝L_A2t-L₀/2＝125mm。主簧夾緊剛度K_M＝75.4N/mm，主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA＝172.9N/mm。主簧初始切線弧高H_gM0＝102mm，副簧初始切線弧高H_gA0＝12mm?？蛰d載荷P₀＝1715N，額定載荷P_N＝7227N。在開(kāi)始接觸載荷下的懸架偏頻設(shè)計(jì)要求值為f_0kI＝3.17Hz，在完全接觸載荷下的懸架偏頻設(shè)計(jì)要求值為f_0wI＝3.1Hz。根據(jù)主簧和副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量、主簧夾緊剛度，主副簧復(fù)合夾緊剛度，主簧和副簧的初始切線弧高，空載載荷和額定載荷，及偏頻設(shè)計(jì)要求值，在接觸載荷仿真計(jì)算和偏頻特性仿真驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對(duì)該一級(jí)漸變剛度板簧的接觸載荷進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。

本發(fā)明實(shí)例所提供的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法，其調(diào)整設(shè)計(jì)流程如圖1所示，具體調(diào)整設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)一級(jí)漸變剛度板簧的開(kāi)始接觸載荷P_k的仿真計(jì)算

A步驟：末片主簧下表面的初始曲率半徑R_M0b的確定

根據(jù)主簧片數(shù)n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁＝500mm，初始切線弧高H_gM0＝102mm，確定末片主簧下表面的初始曲率半徑R_M0b，即

B步驟：首片副簧上表面的初始曲率半徑R_A0的確定

根據(jù)首片副簧的一半夾緊長(zhǎng)度L_A1＝225mm，副簧初始切線弧高H_gA0＝12mm，確定首片副簧上表面的初始曲率半徑R_A0a，即

C步驟：開(kāi)始接觸載荷P_k的仿真計(jì)算

根據(jù)一級(jí)漸變剛度板簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa，；主簧片數(shù)n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夾緊跨長(zhǎng)度L₁＝500mm，A步驟中所確定的R_M0b＝1300.5mm，B步驟中所確定的R_A0a＝2115.4mm，對(duì)開(kāi)始接觸載荷P_k進(jìn)行仿真計(jì)算，即

式中，h_Me為主簧根部重疊部分的等效厚度，

(2)一級(jí)漸變剛度板簧的完全接觸載荷P_w的仿真計(jì)算：

a步驟：完全接觸時(shí)的主簧切線弧高表達(dá)式H_gMw的建立：

根據(jù)主簧初始切線弧高H_gM0＝102mm，主簧夾緊剛度K_M＝75.4N/mm，主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA＝172.9N/mm，步驟(1)中仿真計(jì)算得到的P_k＝1911N，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立完全接觸時(shí)的主簧切線弧高表達(dá)式H_gMw，即

式中，B＝-1911C，

b步驟：主副簧完全接觸時(shí)的末片主簧下表面曲率半徑R_Mwb表達(dá)式的建立：

根據(jù)主簧片數(shù)n＝3，各片主簧的厚度h_i＝8mm，i＝1,2,…,n，首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁＝500mm，a步驟中所建立的H_gMw，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立完全接觸時(shí)的末片主簧下表面曲率半徑表達(dá)式R_Mwb，即

c步驟：完全接觸載荷P_w的仿真計(jì)算

根據(jù)一級(jí)漸變剛度板簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；首片主簧的一半夾緊長(zhǎng)度L₁＝500mm，步驟(1)中所確定的R_M0b＝1300.5mm、h_Me＝11.5mm和P_k＝1911N，及b步驟中所建立的R_Mwb，以完全接觸載荷P_w為參變量，建立一級(jí)漸變剛度板簧的完全接觸載荷仿真計(jì)算數(shù)學(xué)模型，即

利用Matlab計(jì)算程序，求解上述數(shù)學(xué)模型，便可得到該非等偏頻一級(jí)漸變板簧的主副簧完全接觸載荷的仿真計(jì)算值P_w＝3843N。

(3)一級(jí)漸變剛度板簧懸架的偏頻特性的仿真計(jì)算：

根據(jù)主簧夾緊剛度K_M＝75.4N/mm，主副簧夾緊復(fù)合剛度K_MA＝172.9N/mm，空載載荷P₀＝1715N，額定載荷P_N＝7227N，步驟(1)中仿真計(jì)算得到的P_k＝1911N，步驟(2)中仿真計(jì)算得到的P_w＝3843N，對(duì)該一級(jí)漸變剛度板簧懸架系統(tǒng)在不同載荷下的偏頻特性進(jìn)行仿真計(jì)算，即

利用Matlab計(jì)算程序，仿真計(jì)算所得到的該一級(jí)漸變剛度板簧懸架在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和接觸載荷下的偏頻f₀隨載荷P變化的特性曲線，如圖3所示，其中，在空載載荷P₀＝1715N，開(kāi)始接觸載荷P_k＝1911N，完全接觸載荷P_w＝3843N和額定載荷P_N＝7227N情況下的懸架偏頻分別為f₀₀＝3.3Hz，f_0k＝3.17Hz，f_0w＝3.34Hz，f_0N＝2.43Hz，其中，在完全接觸載荷下的懸架偏頻f_0w＝3.34Hz，高于設(shè)計(jì)要求值f_0wI＝3.1Hz。

(4)基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)：

根據(jù)主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA＝172.9N/mm，以懸架系統(tǒng)在完全接觸載荷下的偏頻設(shè)計(jì)要求值f_0wI＝3.1Hz為目標(biāo)，對(duì)該一級(jí)漸變剛度板簧的完全接觸載荷P_w進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，即

通過(guò)Matlab計(jì)算程序，仿真計(jì)算所得到的該一級(jí)漸變剛度板簧懸架系統(tǒng)在完全接觸載荷調(diào)整設(shè)計(jì)之后的偏頻f₀隨載荷P變化的特性曲線，如圖4所示，可知，接觸載荷調(diào)整設(shè)計(jì)之后，該一級(jí)漸變剛度板簧懸架系統(tǒng)的在完全接觸載荷時(shí)的懸架系統(tǒng)偏頻f_0w顯著降低，其中，在完全接觸載荷下的懸架偏頻f_0w＝3.1Hz，滿足車(chē)輛平順性對(duì)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)樣機(jī)的車(chē)輛行駛平順性試驗(yàn)可知，本發(fā)明所提供的基于偏頻仿真的一級(jí)漸變剛度板簧接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)法是正確的，為一級(jí)漸變剛度板簧的偏頻仿真及接觸載荷的調(diào)整設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)方法。利用該方法可提高一級(jí)漸變剛度板簧懸架的設(shè)計(jì)水平和性能及車(chē)輛行駛平順性和安全性；同時(shí)，降低設(shè)計(jì)及試驗(yàn)費(fèi)用，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。