端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及車輛懸架鋼板彈簧，特別是端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的 設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 少片變截面鋼板彈簧與多片疊加鋼板彈簧相比，由于其受力合理，應(yīng)力載荷趨于 均衡，并且節(jié)省材料，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，降低車輪動載，提高車輛行駛安全性，同時(shí)還節(jié)省燃 油，提高車輛運(yùn)輸效率，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，已引起了車輛專家的高度關(guān) 注。由于少片鋼板彈簧的第1片其受力復(fù)雜，不僅承受垂向載荷，同時(shí)還承受扭轉(zhuǎn)載荷和縱 向載荷，因此，實(shí)際所設(shè)計(jì)的第1片鋼板彈簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚一些，即 在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，大都采用端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈簧。目前鋼板彈簧的變截 面主要有兩種類型，一種是拋物線型，另外一種是斜線型，其中，拋物線型的應(yīng)力載荷比斜 線型的更加合理。然而，由于拋物線型加工工藝復(fù)雜，需要復(fù)雜、昂貴的加工設(shè)備，而斜線型 變截面鋼板彈簧則加工工藝簡單，只需要簡單的設(shè)備便可加工，因此，在滿足應(yīng)力強(qiáng)度條件 下，通過可用斜線型的變截面鋼板彈簧，代替拋物線型的變截面鋼板彈簧。
[0003] 盡管先前曾有人給出了少片斜線型變截面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)方法，例如，彭莫，高軍 曾在《汽車工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了變斷面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該方法 主要是針對端部等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，其不足之處是不能滿足端部 非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)要求。對于端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼 板彈簧，由于受變形、剛度、等效厚度計(jì)算理論及其拆分設(shè)計(jì)理論的制約，至今尚未給出一 直簡便、準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)方法，目前大都是忽略端部非等構(gòu)的影響，按端部等構(gòu)設(shè)計(jì)方法， 對端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧進(jìn)行近似設(shè)計(jì)，因此，很難得到準(zhǔn)確可靠的參 數(shù)設(shè)計(jì)值。隨著計(jì)算機(jī)及有限元仿真軟件的發(fā)展，目前盡管有人曾對端部非等構(gòu)的少片斜 線型變截面鋼板彈簧采用ANSYS建模仿真法，但是該方法僅能對給出實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的鋼板 彈簧的變形或剛度進(jìn)行仿真驗(yàn)證，不能提供精確的解析設(shè)計(jì)式，更不能滿足車輛快速發(fā)展 及對懸架鋼板彈簧現(xiàn)代化CAD設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的要求。
[0004] 因此，必須建立一種精確、可靠的端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧的設(shè) 計(jì)方法，滿足車輛行業(yè)快速發(fā)展及對懸架鋼板彈簧精確設(shè)計(jì)的要求，提高變截面鋼板彈簧 的設(shè)計(jì)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和性能，提高車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)品開發(fā)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡便、 可靠的端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)方法，其中，端部非等構(gòu)少片變截面 鋼板彈簧的變截面為斜線型，即由根部平直段、斜線段、端部平直段三段所構(gòu)成，且各片端 部平直段為非等構(gòu)，即第1片的端部平直段的厚度和長度，大于其他各片的厚度和長度，其 設(shè)計(jì)流程圖，如圖1所示;端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的單片彈簧的一半的結(jié)構(gòu) 示意圖如圖2所示，其中，L為彈簧長度的一半，I3為安裝間距的一半，b為寬度，1!2為根部厚 度，Imh ll分別為第i片彈簧的端部厚度和平直段長度。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的 設(shè)計(jì)方法，其特征在于采用以下設(shè)計(jì)步驟：
[0007] (1)少片斜線型變截面鋼板彈簧的等效單片根部厚度he的計(jì)算：
[0008] 首先，選取單片斜線型變截面鋼板彈簧的端部厚度與根部厚度的比值，即端部厚 度比β = 0.55;然后，根據(jù)少片斜線型變截面鋼板彈簧的一半剛度設(shè)計(jì)要求值KM，一半長度 U寬度b，安裝間距的一半13,斜線根部到彈簧端點(diǎn)的距離I2 = L-I3,彈性模量E，對滿足剛度 要求的少片斜線型變截面鋼板彈簧的等效單片根部厚度進(jìn)行計(jì)算，即
[0010] (2)少片斜線型變截面鋼板彈簧的片數(shù)N及各片根部厚度出的設(shè)計(jì)：
[0011] A步驟:確定各片彈簧根部厚度的最大許用厚度[h2]:
[0012] 根據(jù)少片斜線型變截面鋼板彈簧的一半長度L，寬度b，所受的一半載荷P，安全許 用應(yīng)力[0]，及步驟(1)中計(jì)算得到的h，確定各片彈簧根部厚度的最大許用厚度[h 2]，BP
[0014] B步驟:鋼板彈簧片數(shù)N及各片根部厚度匕的設(shè)計(jì)：
[0015] 選取端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的片數(shù)初始值N=2,其中，N為2~5之 間的整數(shù);所設(shè)計(jì)的少片斜線型變截面鋼板彈簧的根部厚度相等，即都等于h 2;根據(jù)A步驟 中確定的[h2]，及步驟（1)中計(jì)算得到的h，對端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的各 片根部厚度h 2進(jìn)行設(shè)計(jì)，BP
[0017] 若h2<[h2]，則h2即為端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的各片根部厚度設(shè) 計(jì)值，所對應(yīng)的N即為少片斜線型變截面鋼板彈簧的片數(shù)設(shè)計(jì)值；
[0018] 若h2>[h2]，則取鋼板彈簧的片數(shù)N=N+1，返回繼續(xù)執(zhí)行B步驟，對增加1片情況下的 根部厚度匕進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到當(dāng)h 2 < [h2]時(shí)，少片斜線型變截面鋼板彈簧的片數(shù)及各片根部厚 度設(shè)計(jì)完畢；
[0019] (3)端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧的各片端部平直段厚度及長度的設(shè) 計(jì)：
[0020] I步驟:根據(jù)步驟(2)中設(shè)計(jì)得到的h2,確定第1片鋼板彈簧的端部厚度比扮，即
[0022] 根據(jù)斜線根部到彈簧端點(diǎn)的距離12,步驟(2)中設(shè)計(jì)得到的h2,及所確定的第1片鋼 板彈簧的端部厚度比扮，確定第1片鋼板彈簧的端部平直段厚度hn和長度ln，分別為
[0023] hn = Pih2,
[0024] Z11=A1V2 :
[0025] II步驟:根據(jù)I步驟中確定的第1片彈簧的端部厚度比扮，步驟（1)中確定的端部厚 度比β和he，及步驟（2)中設(shè)計(jì)得到的鋼板彈簧片數(shù)N和各片根部厚度h 2,確定第2片，第3 片，…，第N片彈簧的端部厚度比，即
[0027]根據(jù)所確定的第2片，第3片，…，第N片彈簧的厚度比β2 = β3 =…=βΝ，斜線根部到 彈簧端點(diǎn)的距離12,及步驟(2)中設(shè)計(jì)得到的h2,確定第2片，第3片，…，第N片彈簧的端部平 直段厚度和長度，分別為
[0030] (4)端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧的各片不同位置厚度Iu(X)的設(shè)計(jì)：
[0031] 根據(jù)少片斜線型變截面鋼板彈簧的一半長度L，斜線根部到彈簧端點(diǎn)的距離12,步 驟(3)中確定的各片彈簧的端部厚度和平直段長度，及步驟(2)中設(shè)計(jì)得到的各片彈簧根部 厚度h 2,以鋼板彈簧自由端為坐標(biāo)原點(diǎn)，可得端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的各 片不同位置X處厚度Iu (X)的設(shè)計(jì)值，SP
[0033] 其中，? = 1，2，···，Ν。
[0034] 本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)
[0035] 由于端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板，其分析計(jì)算非常復(fù)雜，因此，國內(nèi)、外 一直未能給出可靠的解析設(shè)計(jì)方法。目前大都是忽略端部非等構(gòu)的影響，按端部等構(gòu)設(shè)計(jì) 方法，對端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧進(jìn)行近似設(shè)計(jì)，因此，很難得到準(zhǔn)確可靠 的參數(shù)設(shè)計(jì)值。隨著計(jì)算機(jī)及有限元仿真軟件的發(fā)展，目前盡管有人曾對端部非等構(gòu)的少 片斜線型變截面鋼板彈簧采用ANSYS建模仿真法，但是該方法僅能對給出實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的 鋼板彈簧的變形或剛度進(jìn)行仿真驗(yàn)證，不能提供精確的解析設(shè)計(jì)式，更不能滿足車輛快速 發(fā)展及對懸架鋼板彈簧現(xiàn)代化CAD設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的要求。
[0036] 本發(fā)明根據(jù)鋼板彈簧的設(shè)計(jì)剛度和安裝結(jié)構(gòu)尺寸，所選定等效單片斜線型變截面 鋼板彈簧的斜線段的厚度比β，及斜線型變截面鋼板彈簧的端部變形系數(shù)，首先，給出等效 單片斜線型變截面鋼板彈簧根部厚度h設(shè)計(jì)方法;然后，根據(jù)鋼板彈簧載荷P及最大許用應(yīng) 力[0]，給出了少片斜線型變截面鋼板彈簧根部最大許用厚度[h 2]的設(shè)計(jì)方法;隨后，根據(jù) 等效單片鋼板彈簧的根部厚度匕，利用疊加鋼板重疊部分的等效厚度計(jì)算公式，給出了少 片斜線型變截面鋼板彈簧片數(shù)N及根部厚度h 2的設(shè)計(jì)方法;最后，根據(jù)等效單片斜線型變截 面鋼板彈簧端部平直段的厚度設(shè)計(jì)值ffie，利用疊加鋼板重疊部分的等效厚度計(jì)算公式，給 出端部非等構(gòu)少片斜線型變截面鋼板彈簧的各片端部平直段厚度hu和長度Iu的設(shè)計(jì)方 法。
[0037] 通過設(shè)計(jì)實(shí)例及ANSYS仿真驗(yàn)證可知，該方法可得到準(zhǔn)確、可靠的端部非等構(gòu)的少 片斜線型變截面鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計(jì)值，為端部非等構(gòu)的少片斜線型變截面鋼板彈簧設(shè)計(jì) 提供了可靠的設(shè)計(jì)方法，并且為C