基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板彈簧的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及車(chē)輛懸架鋼板彈黃，特別是基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板彈黃的設(shè) 計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車(chē)輛懸架少片變截面鋼板彈黃與多片疊加鋼板彈黃相比，由于其受力合理，應(yīng)力 載荷趨于均衡，并且節(jié)省材料和成本，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕量化，降低車(chē)輪動(dòng)載，提高車(chē)輛行駛安全 性，同時(shí)還節(jié)省燃油，提高車(chē)輛運(yùn)輸效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，國(guó)外已經(jīng)在很 多車(chē)輛上得到了推廣和應(yīng)用。對(duì)于少片變截面鋼板彈黃，通常在根部平直段與拋物線(xiàn)段之 間增設(shè)一斜線(xiàn)段，即采用根部加強(qiáng)型少片變截面鋼板彈黃，運(yùn)樣不僅可降低彈黃的應(yīng)力，提 高其應(yīng)力強(qiáng)度，同時(shí)，還可滿(mǎn)足剛度精確設(shè)計(jì)值，而且還可便于拋物線(xiàn)段的加工，改善其加 工工藝性。另外，由于受安裝和夾緊狀態(tài)的影響，少片變截面鋼板彈黃在車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程 中的剛度，與自由狀態(tài)下的剛度不相同。
[0003] 盡管先前曾有人給出了少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)方法，例如，彭莫和 高軍曾在《汽車(chē)工程》第14卷第3期，提出了少片變斷面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該方法只 能對(duì)根部未加強(qiáng)，且端部等構(gòu)的少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃進(jìn)行設(shè)計(jì)，其不足之處是不 能滿(mǎn)足根部加強(qiáng)型且端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)要求，更不能滿(mǎn)足基于車(chē)輛 參數(shù)的少片變斷面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)要求。
[0004] 對(duì)于基于車(chē)輛參數(shù)的根部加強(qiáng)型且端部非等構(gòu)少片變斷面鋼板彈黃，由于受在安 裝夾緊狀態(tài)下的變形或剛度等計(jì)算理論，及少片變截面鋼板彈黃等效厚度及拆分設(shè)計(jì)理論 的制約，至今尚未給出一直簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)方法，目前大都是忽略根部加強(qiáng)斜線(xiàn)段 及端部非等構(gòu)的影響，將斜線(xiàn)段直接近似看作拋物線(xiàn)段，并將各片端部結(jié)構(gòu)都看作相同，按 照自由剛度設(shè)計(jì)要求值，對(duì)根部加強(qiáng)型且端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈黃進(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仿真，目前盡 管有人曾對(duì)根部加強(qiáng)型且端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈黃采用ANSYS建模仿真法，但是 該方法僅能對(duì)給定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的少片變截面鋼板彈黃的變形或剛度進(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(mǎn)足車(chē)輛快速發(fā)展及對(duì)懸架鋼板彈黃現(xiàn)代化CAD設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā) 的要求。
[000引因此，必須建立一種精確、可靠的基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)方 法，可根據(jù)車(chē)輛參數(shù)及懸架剛度要求值，對(duì)根部加強(qiáng)型且端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈 黃的進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足車(chē)輛行業(yè)快速發(fā)展及對(duì)懸架鋼板彈黃精確設(shè)計(jì)的要求，提高少片變截 面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量和性能，提高車(chē)輛的乘坐舒適性、行駛平順性和操作安全性； 同時(shí)，降低彈黃質(zhì)量及成本，降低設(shè)計(jì)及試驗(yàn)費(fèi)用，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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、 可靠的基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，包含:初 步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)過(guò)程，其中，通過(guò)初步設(shè)計(jì)，得到少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的根 部厚度和片數(shù);然后，在此基礎(chǔ)上，增加斜線(xiàn)加強(qiáng)段，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)斜線(xiàn)段的長(zhǎng)度、端部平直 段的厚度和長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿(mǎn)足夾緊剛度要求的根部加強(qiáng)式少片變截面鋼板彈黃及結(jié) 構(gòu)參數(shù)。少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可看作懸臂梁，即將對(duì) 稱(chēng)中屯、線(xiàn)為一半彈黃的根部固定端，將端部受力點(diǎn)看作為彈黃的端點(diǎn)。單片拋物線(xiàn)型變截 面鋼板彈黃的一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，由根部平直段、拋物線(xiàn)段、端部平直段Ξ段 構(gòu)成;其中，L為變截面彈黃的一半長(zhǎng)度，13為安裝間距的一半，12為拋物線(xiàn)段的根部到彈黃 端點(diǎn)的距離，h2為根部平直段的厚度;hli和hi為第i片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的端部平直 段的厚度和長(zhǎng)度，即各片拋物線(xiàn)段的厚度比ei = hli/h2。單片根部加強(qiáng)式拋物線(xiàn)型變截面鋼 板彈黃的一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示，由根部平直段、斜線(xiàn)段、拋物線(xiàn)段和端部平直段4段 構(gòu)成;端部平直段非等構(gòu)，即第1片的端部平直段的厚度和長(zhǎng)度，大于其他各片的厚度和長(zhǎng) 度，W滿(mǎn)足第1片變截面鋼板彈黃端部受力復(fù)雜的要求;在根部平直段和拋物線(xiàn)段之間增加 一斜線(xiàn)段，不僅可對(duì)變截面鋼板彈黃起加強(qiáng)作用，而且還可滿(mǎn)足車(chē)輛對(duì)懸架系統(tǒng)固有頻率 及對(duì)懸架彈黃加緊剛度的設(shè)計(jì)要求;其中，1勸斜線(xiàn)段的根部到彈黃端點(diǎn)的距離，12P為拋物 線(xiàn)段的根部到彈黃端點(diǎn)的距離，A 1為斜線(xiàn)段的長(zhǎng)度，h2p為斜線(xiàn)段的小端厚度，即斜線(xiàn)段的 厚度比丫 =h2p/h2,各片拋物線(xiàn)段的厚度比i3i = hli/h2p。在車(chē)輛懸架參數(shù)、懸架系統(tǒng)的固有頻 率、變截面彈黃的安裝結(jié)構(gòu)、應(yīng)力強(qiáng)度要求給定情況下，對(duì)基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板 彈黃進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的基于車(chē)輛參數(shù)的少片變截面鋼板彈黃的設(shè) 計(jì)方法，其特征在于采用W下設(shè)計(jì)步驟：
[0008] (1)車(chē)輛懸架少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的夾緊剛度K設(shè)計(jì)：
[0009] 根據(jù)車(chē)輛單輪懸架的黃上質(zhì)量m，及懸架系統(tǒng)的固有頻率設(shè)計(jì)要求值fs，對(duì)車(chē)輛懸 架系統(tǒng)少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的夾緊剛度K進(jìn)行設(shè)計(jì)，即
[0010]
[0011] (2)少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的等效單片根部厚度he計(jì)算：
[0012] a步驟:首先，選取等效單片變截面鋼板彈黃的拋物線(xiàn)段的厚度比β，其中，β的選取 范圍為0.5~0.6;然后，根據(jù)少片變截面鋼板彈黃的一半長(zhǎng)度L，寬度b，彈性模量Ε，安裝間 距的一半13,對(duì)少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃在夾緊狀態(tài)的變形系數(shù)Gx-D進(jìn)行計(jì)算，即
[0013]
[0014] b步驟:根據(jù)a步驟中所得到的Gx-d，步驟（1)中設(shè)計(jì)得到的K，對(duì)滿(mǎn)足夾緊剛度要求 的少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的等效單片的根部厚度he進(jìn)行計(jì)算，即
[0015]
[0016] (3)少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的片數(shù)N及各片根部厚度h2設(shè)計(jì)：
[0017] A步驟:確定各片變截面彈黃的根部厚度最大許用厚度比2]:
[0018] 根據(jù)少片變截面鋼板彈黃的一半長(zhǎng)度L，寬度b，安裝間距的一半13,車(chē)輛單輪懸架 的黃上質(zhì)量m，許用應(yīng)力[0]，及步驟(2)中計(jì)算所得到的he,確定各片拋物線(xiàn)型變截面彈黃 的根部厚度的最大許用厚度比2]，即
[0019]
[0020] 其中，g = 〇.98m/s2;
[0021] B步驟:變截面鋼板彈黃片數(shù)N及各片根部厚度h2的設(shè)計(jì)：
[0022] 選取少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的片數(shù)的初始值N=2,其中，N為2~5之間的整 數(shù);根據(jù)A步驟中確定的比2]，及步驟(2)中計(jì)算所得到的he,對(duì)少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈 黃的各片根部厚度的理論設(shè)計(jì)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，即
[0023]
[0024] 將理論厚度設(shè)計(jì)值h2R向上圓整，得到h2R的圓整數(shù)值h2,即實(shí)際根部厚度h2設(shè)計(jì)值；
[0025] 若h2含比2]，貝化2即為少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的各片根部厚度設(shè)計(jì)值，所對(duì) 應(yīng)的片數(shù)N即為少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的設(shè)計(jì)片數(shù)；
[0026] 若h2>比2]，則取鋼板彈黃的片數(shù)N=N+1，返回繼續(xù)執(zhí)行B步驟，對(duì)增加1片情況下的 根部厚度h2進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到當(dāng)h2含比2]時(shí)，少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的片數(shù)N及各片根 部厚度h2設(shè)計(jì)完畢；
[0027] (4)根部加強(qiáng)式少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的斜線(xiàn)段長(zhǎng)度Δ 1的優(yōu)化設(shè)計(jì)：
[0028] I步驟:根據(jù)步驟(3)中設(shè)計(jì)得到的h2,確定少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的根部 斜線(xiàn)段的厚度比T，即
[0029]
[0030] II步驟:根據(jù)步驟(3)中設(shè)計(jì)得到的h2,確定第1片變截面鋼板彈黃的拋物線(xiàn)段的 厚度比01，即
[0031]
[0032] III步驟:根據(jù)步驟(2)中所確定的β和he, II步驟中確定的第1片變截面鋼板彈黃 的拋物線(xiàn)段的厚度比&，及步驟(3)中設(shè)計(jì)所得到的變截面鋼板彈黃的片數(shù)N和各片根部厚 度h2，確定第2片，第3片，…，第N片變截面鋼板彈黃的拋物線(xiàn)段的厚度比，即
[0033]
[0034] IV步驟:根據(jù)少片變截面鋼板彈黃的一半長(zhǎng)度L，寬度b，彈性模量E，安裝間距的一 半13,斜線(xiàn)段的根部到彈黃端點(diǎn)的距離l2 = kl3，I步驟中所確定的斜線(xiàn)段的厚度比γ，Π 步 驟中所確定的第1片變截面彈黃的拋物線(xiàn)段的厚度比01，III步驟中所確定的第2片，第3 片，…，第N片變截面彈黃的拋物線(xiàn)段的厚度比β2 = β3=…二郵，步驟（1)中設(shè)計(jì)所得到的K， 及步驟(3)中所設(shè)計(jì)得到的h2，W斜線(xiàn)段長(zhǎng)度Δ 1為待設(shè)計(jì)參數(shù)變量，建立少片拋物線(xiàn)型變 截面鋼板彈黃的斜線(xiàn)段長(zhǎng)度Δ 1的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，即
利用Matlab程序，求解上述關(guān)于Δ 1的方程，便可得到少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的斜線(xiàn) 段長(zhǎng)度A 1的優(yōu)化設(shè)計(jì)值；
[0037] (5)根部加強(qiáng)式少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的各片端部平直段的厚度和長(zhǎng)度設(shè) 計(jì)：
[0038] i步驟:根據(jù)步驟(3)中設(shè)計(jì)所得到的h2,及I步驟中所確定的根部斜線(xiàn)段的厚度比 T，確定少片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的根部斜線(xiàn)段的小端厚度h2p，即
[0039] h化二丫 h2;
[0040] ii步驟:根據(jù)少片變截面鋼板彈黃的一半長(zhǎng)度L，安裝間距的一半l3，i步驟中所確 定的h2p，及II步驟中所確定的扣和IV步驟中所確定的Δ1，確定第1片拋物線(xiàn)型變截面鋼板 彈黃的端部平直段的厚度hii和長(zhǎng)度hi,分別為
[0041] hii = 0ih2p，
[0042]
[0043] iii步驟:根據(jù)少片變截面鋼板彈黃的一半長(zhǎng)度L，安裝間距的一半13, i步驟中所 確定的h2p，及III步驟中所確定的第2片，第3片，…，第N片變截面鋼板彈黃的拋物線(xiàn)段的厚 度比
和IV步驟中所確定的根部斜線(xiàn)段的長(zhǎng)度A 1，確定第2片， 第3片，…，第N片拋物線(xiàn)型變截面鋼板彈黃的端部平直段的厚度和長(zhǎng)度，分別為
[0046] (6)根部加強(qiáng)式少片拋物線(xiàn)型變截面