本發(fā)明涉及車輛懸架鋼板彈簧，特別是一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

為了滿足在不同載荷下車輛行駛平順性的要求，通常車輛懸架采用一級漸變剛度板簧，其中，主簧首片和其他各片主簧的下料長度是由夾緊段長度、曲面段長度和首片吊耳圓周長度所決定的，影響加工工藝、生產(chǎn)效率和材料節(jié)省率。然而，由于受漸變過程主簧撓度和主簧初始曲面形狀計算的制約，先前一直未能給出一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法，不能滿足車輛行業(yè)快速發(fā)展及現(xiàn)代化CAD軟件開發(fā)的要求。

隨著車輛行駛速度及其對平順性要求的不斷提高，對非等偏頻一級漸變剛度板簧懸架提出了更高要求，因此，必須建立一種精確、可靠的一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法，一級漸變剛度板簧主簧的設(shè)計、下料、加工及現(xiàn)代化CAD軟件開發(fā)，奠定了可靠的技術(shù)，滿足車輛行業(yè)快速發(fā)展、車輛行駛平順性及非等偏頻一級漸變剛度板簧現(xiàn)代化CAD設(shè)計要求，提高非等偏頻一級漸變剛度板簧的設(shè)計水平、產(chǎn)品質(zhì)量和性能及車輛行駛平順性；同時，提高材料節(jié)省率和生產(chǎn)加工效率，降低設(shè)計和試驗測試費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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、可靠的基于剛度的一級漸變剛度板簧的末片主簧調(diào)整設(shè)計的方法，設(shè)計流程如圖1所示。一級漸變剛度板簧的一半對稱結(jié)構(gòu)如圖2所示，是由主簧1和副簧2所組成的，一級漸變剛度板簧的一半跨度，即為首片主簧的一半作用長度為L_1t，騎馬螺栓夾緊距的一半為L₀，鋼板彈簧的寬度為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，主簧的一半作用長度為L_it，一半夾緊長度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，各片副簧的一半作用長度為L_Ajt，一半夾緊長度L_Aj＝L_Ajt-L₀/2，j＝1,2,…m。通過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簧開始接觸載荷和完全接觸載荷、主簧應(yīng)力強度和懸架漸變剛度的設(shè)計要求。主簧首片和其他各片主簧的下料長度是由夾緊段長度、曲面段長度和首片吊耳圓周長度所決定的，影響加工工藝、生產(chǎn)效率和材料節(jié)省率；根據(jù)一級漸變剛度板簧的安裝夾緊距、首片主簧的厚度和作用長度、彈性模量、主簧夾緊剛度、主副簧夾緊復(fù)合剛度、開始接觸載荷、完全接觸載荷、額定載荷及在額定載荷下漸變剛度鋼板彈簧剩余弧高的設(shè)計要求值，對該一級漸變剛度鋼板彈簧各片主簧下料長度進行設(shè)計。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法，其特征在于采用以下設(shè)計步驟：

(1)一級漸變剛度板簧的漸變夾緊剛度K_kwp的計算：

根據(jù)開始接觸載荷P_k，完全接觸載荷P_w，主簧夾緊剛度K_M，主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA，對一級漸變剛度板簧在載荷P∈[P_k,P_w]范圍內(nèi)的漸變夾緊剛度K_kwP進行計算，即

(2)一級漸變剛度板簧的主簧初始切線弧高H_gM0的確定：

根據(jù)開始接觸載荷P_k，完全接觸載荷P_w，額定載荷P_N，在額定載荷下的剩余切線弧高H_gMsy，主簧夾緊剛度K_M；主副簧復(fù)合夾緊剛度K_MA，及步驟(1)中計算得到的K_kwP，對一級漸變剛度板簧的主簧初始切線弧高H_gM0進行確定，即

(3)一級漸變剛度板簧的首片主簧初始狀態(tài)曲面形狀f_x的計算：

I步驟：基于初始切線弧高的首片主簧的等效端點力F_1e的計算

根據(jù)一級漸變剛度板簧的寬度b，彈性模量E；首片主簧的厚度h₁，一半夾緊長度L₁，步驟(2)中所確定的H_gM0，對基于初始切線弧高的首片主簧的等效端點力F_1e進行計算，即

II步驟：首片主簧在任意位置處的變形系數(shù)G_Mx的計算

根據(jù)一級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度L₁，以距離對稱中心L₀/2位置為坐標原點，對首片主簧在任意位置x處的變形系數(shù)G_Mx進行計算，即

III步驟：首片主簧初始曲面形狀f_x的計算，

根據(jù)首片主簧的厚度h₁，首片主簧的一半夾緊長度L₁，I步驟中計算得到的F_1e，II步驟中計算得到的G_Mx，對一級漸變剛度板簧首片主簧初始曲面形狀f_x進行計算，即

(4)一級漸變剛度板簧的首片主簧下料長度L_1C的設(shè)計:

A步驟：首片主簧在一半夾緊長度范圍內(nèi)的曲面段長度L_1c1的計算

根據(jù)首片主簧的一半夾緊長度L₁，以ΔL為曲面微元長度，在0～L₁范圍內(nèi)劃分為N_c＝L₁/ΔL個曲面微元，根據(jù)II步驟計算得到的首片主簧初始曲面形狀f_x及在任意位置x_j處的曲面弧高0≤x_j≤L₁，j＝1,2,…,N_c+1，利用疊加原理對首片主簧在一半夾緊長度內(nèi)的曲面段長度L_1c1進行計算，即

B步驟：首片主簧單個吊耳的圓周長度L_1c2計算

根據(jù)主簧兩端吊耳的中徑d_e，對單個吊耳的圓周長度L_1c2進行計算，即

L_1c2＝πd_e；

C步驟：首片主簧下料長度L_1c的設(shè)計

根據(jù)騎馬螺栓夾緊距的一半L₀，A步驟中計算得到的L_1c1，B步驟中計算得到的L_1c2，對一級漸變剛度板簧的首片主簧下料長度L_1C進行設(shè)計，即

L_1C＝2(L_1c1+L_1c2+L₀/2)；

(5)一級漸變剛度板簧其他各片主簧下料長度的設(shè)計

a步驟：首片主簧與其他各片主簧的一半作用長度之差的計算

根據(jù)主簧片數(shù)n，各片主簧的一半作用長度L_it，i＝1,2,…,n；分別計算首片主簧與其他各片主簧的一半作用長度之差，即

ΔL_i1＝L_1t-L_it，i＝2,…,n；

b步驟：其他各片主簧下料長度的設(shè)計

根據(jù)騎馬螺栓夾緊距的一半L₀，主簧片數(shù)n，步驟(4)的A步驟中計算得到的L_1c1，a步驟中計算得到的ΔL_i1，i＝2,…,n；分別對他各片主簧的下料長度進行設(shè)計，即

L_iC＝2(L_1c1+L₀/2-ΔL_i1),i＝2,…,n。

本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點

由于受漸變過程主簧撓度和主簧初始曲面形狀計算的制約，先前一直未能給出一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法，不能滿足車輛行業(yè)快速發(fā)展及現(xiàn)代化CAD軟件開發(fā)的要求。本發(fā)明可根據(jù)一級漸變剛度板簧的安裝夾緊距、首片主簧的厚度和作用長度、彈性模量、主簧夾緊剛度、主副簧夾緊復(fù)合剛度、開始接觸載荷、完全接觸載荷、額定載荷及在額定載荷下漸變剛度鋼板彈簧剩余弧高的設(shè)計要求值，在主簧初始切線弧高和首片主簧初始曲面形狀計算的基礎(chǔ)上，通過微元曲面及疊加計算，對一級漸變剛度鋼板彈簧各片主簧下料長度進行設(shè)計。通過實際下料和樣機加工驗證可知，利用該方法可得到準確可靠的各片主簧的下料長度，為漸變剛度板簧主簧的設(shè)計、下料、加工及現(xiàn)代化CAD軟件開發(fā)，奠定了可靠的技術(shù)。同時，利用該方法還可以節(jié)省材料、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率、降低設(shè)計和試驗測試費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖做進一步的說明。

圖1是一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計流程圖；

圖2是一級漸變剛度板簧的一半對稱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實施例的一級漸變剛度板簧的漸變夾緊剛度K_kwP隨載荷P的變化曲線；

圖4是實施例的一級漸變剛度板簧的首片主簧在任意位置處的變形系數(shù)G_Mx曲線；

圖5是實施例的一級漸變剛度板簧的首片主簧初始狀態(tài)曲面形狀曲線f_x。

具體實施方案

下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例：某一級漸變剛度鋼板彈簧的寬度b＝63mm，騎馬螺栓夾緊距的一半L₀＝50mm，彈性模量E＝200GPa；主簧片數(shù)n＝3片，各片主簧的厚度h₁＝h₂＝h₃＝8mm，各片主簧的一半作用長度分別為L_1t＝525mm，L_2t＝445mm，L_3t＝360mm；一半夾緊長度分別為L₁＝L_1t-L₀/2＝500mm，L₂＝L_2t-L₀/2＝425mm，L₃＝L_2t-L₀/2＝435mm；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。開始接觸載荷P_k＝1900N，完全接觸載荷P_w＝3800N，額定載荷P_N＝7227N，在額定載荷P_N下的剩余切線弧高H_gMN＝26.1mm。根據(jù)一級漸變剛度板簧的安裝夾緊距、首片主簧的厚度和作用長度、彈性模量、主簧夾緊剛度、主副簧夾緊復(fù)合剛度、開始接觸載荷、完全接觸載荷、額定載荷及在額定載荷下漸變剛度鋼板彈簧剩余弧高的設(shè)計要求值，對該一級漸變剛度鋼板彈簧各片主簧下料長度進行設(shè)計設(shè)計。

本發(fā)明實例所提供的一級漸變剛度板簧的各片主簧下料長度的設(shè)計方法，其設(shè)計流程如圖1所示，具體設(shè)計步驟如下：

(1)一級漸變剛度板簧的漸變夾緊剛度K_kwp的計算：

根據(jù)開始接觸載荷P_k＝1900N，完全接觸載荷P_w＝3800N，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，對一級漸變剛度板簧在載荷P∈[P_k,P_w]范圍內(nèi)的漸變夾緊剛度K_kwP進行計算，即

利用Matlab計算程序，計算所得到的在載荷P∈[P_k,P_w]范圍內(nèi)的漸變夾緊剛度K_kwP隨載荷P的變化曲線，如圖3所示；其中，當P＝P_k＝1900N時，K_kwP＝K_M＝75.4N/mm；當P＝P_w＝3800N時，K_kwP＝K_MA＝172.9N/mm。

(2)一級漸變剛度板簧的主簧初始切線弧高H_gM0的確定：

根據(jù)開始接觸載荷P_k＝1900N，完全接觸載荷P_w＝3800N，額定載荷P_N＝7227N，在額定載荷P_N下的剩余切線弧高H_gMsy＝26.1mm，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，及步驟(1)中計算得到的K_kwP，對該一級漸變剛度板簧的主簧初始切線弧高H_gM0進行確定，即

(3)一級漸變剛度板簧的首片主簧初始狀態(tài)曲面形狀f_x的計算：

I步驟：基于初始切線弧高的首片主簧的等效端點力F_1e的計算

根據(jù)一級漸變剛度板簧的寬度b＝63mm，彈性模量E＝200GPa；首片主簧的厚度h₁＝8mm，一半夾緊長度L₁＝500mm，步驟(2)中所確定的H_gM0＝87.3mm，對基于初始切線弧高的首片主簧的等效端點力F_1e進行計算，即

II步驟：首片主簧在任意位置處的變形系數(shù)G_Mx的計算

根據(jù)一級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度L₁＝500mm，以距離對稱中心L₀/2的位置為坐標原點，對首片主簧在任意位置x處的變形系數(shù)G_Mx進行計算，即

當x在0～L₁范圍內(nèi)變化時，計算所得到的首片主簧在任意位置處的變形系數(shù)G_Mx曲線，如圖4所示；其中，在x＝0位置處的變形系數(shù)G_Mx＝0，在x＝L₁＝500mm處的變形系數(shù)G_Mx＝G_Mmax＝3.9683×10^-11m⁴/N；

III步驟：首片主簧初始曲面形狀f_x的計算，

根據(jù)首片主簧的厚度h₁＝8mm，首片主簧的一半夾緊長度L₁＝500mm，I步驟中計算得到的F_1e＝1126N，II步驟中計算得到的G_Mx，對一級漸變剛度板簧首片主簧初始曲面形狀f_x進行計算，即

當x在0～L₁范圍內(nèi)變化時，利用Matlab計算程序，計算所得到的首片主簧的初始狀態(tài)曲面形狀曲線f_x，如圖5所示。

(4)一級漸變剛度板簧的首片主簧下料長度L_1C的設(shè)計:

A步驟：首片主簧在一半夾緊長度范圍內(nèi)的曲線段長度L_1c1的計算

根據(jù)首片主簧的一半夾緊長度＝500mm，以ΔL＝5mm為曲面微元長度，在0～L₁范圍內(nèi)劃分為N_c＝L₁/ΔL＝100個曲面微元，根據(jù)II步驟計算得到的首片主簧初始曲面形狀曲線f_x及在任意位置x_j處的曲面弧高0≤x_j≤L₁，j＝1,2,…,N_c+1，利用疊加原理對首片主簧在一半夾緊長度內(nèi)的曲線段長度L_1c1進行計算，即

B步驟：首片主簧單個吊耳的圓周長度L_1c2計算

根據(jù)主簧兩端吊耳的中徑d_e＝60mm，對該一級漸變剛度板簧單個吊耳的圓周長度L_1c2進行計算，即

L_1c2＝πd_e＝188.5mm；

C步驟：首片主簧下料長度L_1c的設(shè)計

根據(jù)騎馬螺栓夾緊距的一半L₀＝50mm，A步驟中計算得到的L_1c1＝626.8mm，B步驟中計算得到的L_1c2＝188.5mm，對該一級漸變剛度板簧的首片主簧下料長度L_1C進行設(shè)計，即

L_1C＝2(L_1c1+L_1c2+L₀/2)＝1445mm。

(5)一級漸變剛度板簧其他各片主簧下料長度的設(shè)計

a步驟：首片主簧與其他各片主簧的一半作用長度之差的計算

根據(jù)主簧片數(shù)n＝3，各片主簧的一半作用長度L_1t＝525mm，L_2t＝445mm，L_3t＝360mm；分別計算首片主簧與其他各片主簧的一半作用長度之差，即

ΔL₂₁＝L_1t-L_2t＝80mm，

ΔL₃₁＝L_1t-L_3t＝165mm；

b步驟：其他各片主簧下料長度的設(shè)計

根據(jù)騎馬螺栓夾緊距的一半L₀＝50mm，主簧片數(shù)n＝3，步驟(4)的A步驟中計算得到的

L_1c1＝509mm，a步驟中計算得到的ΔL₂₁＝80mm，ΔL₃₁＝165mm；對該一級漸變剛度板簧的他各片主簧的下料長度分別進行設(shè)計，即

L_2C＝2(L_1c1+L₀/2-ΔL₂₁)＝908mm，

L_3C＝2(L_1c1+L₀/2-ΔL₃₁)＝738mm。

通過樣機下料加工試驗可知，利用該方法可得到準確可靠的各片主簧下料長度的設(shè)計值，為漸變剛度板簧設(shè)計、下料、加工及現(xiàn)代化CAD軟件開發(fā)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。利用該方法可節(jié)省材料、完善加工工藝、提高生產(chǎn)效率；同時，降低設(shè)計及試驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。