少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间隙的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间 隙的设计方法。
【背景技术】
[0002] 少片变截面钢板弹簧与多片叠加钢板弹簧相比，具有受力合理，应力载荷趋于均 衡，并且节省材料，实现车辆轻量化，降低车轮动载，提高车辆行驶安全性，同时还节省燃 油，提高车辆运输效率，具有良好的经济效益和社会效益，并且已在国外得到广泛推广和应 用。对于少片变截面钢板弹簧，为了满足变刚度的要求，通常将其设计为主、副簧，其中，主 簧在与副簧相接触点位置处与副簧之间设计有一定的间隙，确保在大于一定载荷之后，主、 副簧接触而一起共同工作，满足车辆悬架对钢板弹簧刚度的设计要求。
[0003] 由于少片变截面主簧的第1片其受力复杂，不仅承受垂向载荷，同时还承受扭转载 荷和纵向载荷，因此，实际所设计的第1片钢板弹簧的端部厚度，通常比其他各片的要偏厚 一些，即在实际设计和生产中，大都采用端部非等构的少片变截面钢板弹簧。目前少片变截 面钢板弹簧主要有两种类型，一种是抛物线型，另外一种是斜线型，其中，抛物线型的应力 为等应力，其应力载荷比斜线型的更加合理。然而由于抛物线型变截面的加工工艺复杂，需 要复杂、昂贵的加工设备，而斜线型变截面的加工工艺简单，只需要简单的设备便可加工， 因此，在满足应力强度条件下，通长可用斜线型的变截面钢板弹簧，代替抛物线型的变截面 钢板弹簧。对于少片斜线型变截面主、副簧，也因副簧与主簧的接触位置不同，可分为在端 部平直段接触和在斜线段接触的主、副钢板弹簧。尽管先前曾有人给出了少片斜线型变截 面钢板弹簧的设计方法，例如，彭莫，高军曾在《汽车工程》，1992年(第14卷)第3期，提出了 变断面钢板弹簧的设计计算方法，该方法主要是针对端部等构的少片斜线型变截面钢板弹 簧进行设计，其不足之处是不能满足端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧的设计要 求，更不能少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计。对于端 部非等构的少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点处的间隙设计，由于受端部非等 构少片斜线型变截面主簧在斜线段的变形计算理论的制约，至今尚未给出一直简便、准确、 可靠的设计方法。随着计算机及有限元仿真软件的发展，目前尽管有人曾对端部非等构的 少片斜线型变截面主簧在斜线段处位置的变形，采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对 给出实际设计结构的钢板弹簧的变形或刚度进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式， 更不能满足车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。
[0004] 因此，必须建立一种精确、可靠的端部非等构的少片斜线型变截面主簧在斜线段 与副簧接触点处的主副簧间隙的设计方法，满足车辆行业快速发展及对悬架钢板弹簧精确 设计的要求，提高变截面钢板弹簧的设计水平、产品质量和性能，提高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。
【发明内容】
[0005] 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、 可靠的少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间隙的设计方法，设计流程图，如图1所示。 少片斜线型变截面主副簧为对称结构，弹簧的一半对称结构可看作悬臂梁，即对称中心线 看作一半弹簧的根部固定端，主簧端部受力点及副簧触点分别看作为主簧端点和副簧端 点。少片斜线型变截面主副簧的一半结构示意图，如图2所示，其中，包括:主簧1，根部垫片 2,副簧3;端部垫片4;主簧1各片的一半长度为L，由根部平直段、斜线段、端部平直段三段构 成，每片根部平直段的厚度为h 2,安装间距的一半为13,斜线段的根部到主簧端点的距离I2 = L-I3;主簧1各片的端部平直段非等构，即第1片主簧的端部平直段的厚度和长度，大于其 他各片的厚度和长度，各片的端部平直段的厚度和长度分别为hu和In;各片斜线段的厚度 = = …，N，N为主簧的片数，N为2~4的整数;主簧1的各片根部平直段及与 副簧3的根部平直段之间设有根部垫片2,主簧1的各片端部平直段之间设有端部垫片4,端 部垫片的材料为碳纤维复合材料，用以降低弹簧工作时所产生的摩擦噪声；副簧3的一半长 度为La，即副簧触点到主簧端点的水平距离Io = L-La;第N片主簧的斜线段与副簧3的端部触 点之间设有一定的主、副簧间隙k当载荷大于副簧起作用载荷时，副簧与主簧斜线段内某 点相接触。在主簧的各片结构参数、材料特性参数、副簧长度、副簧起作用载荷给定情况下， 对少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间 隙的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0007] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-D1计算：
[0008] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，安装间距的一半13， 斜线段的根部到主簧端点的距离I 2 = L-I3,第i片主簧的斜线段的厚度比队，其中，i = l， 2,…，N，N为主簧片数，对各片主簧的端点变形系数Gx-^进行计算，即
[0010] (2)第N片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点处的变形系数Gx-BC计算：
[0011] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L，宽度b，弹性模量E，斜线段的根部到主 簧端点的距离12,第N片主簧的斜线段的厚度比β Ν，副簧触点于主簧端点的水平距离1〇,对第 N片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点处的变形系数Gx-Bdi行计算，即
[0012]
[0013] (3)副簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力Fn计算：
[0014] I步骤:根据少片斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2,及步骤（1)中计算得 到的各片主簧的端点变形系数Gx-D1，确定各片斜线型变截面主簧的一半刚度Km1，即
[0016] II步骤:根据副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P，及I步骤中所确定的KMi，对副 簧起作用载荷下的第N片斜线型变截面主簧的端点力Fn进行计算，即
[0018] 式中，Kmn为第N片斜线型变截面主簧的一半刚度；
[0019] (4)少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：
[0020] 根据斜线型变截面主簧的根部平直段的厚度h2, II步骤中计算得到的第N片主簧 的端点力Fn，及步骤(2)中计算得到的Gxi，对少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧触点 之间的主副簧间隙S进行设计，即
[0022]本发明比现有技术具有的优点
[0023] 由于端部非等构的少片斜线型变截面钢板弹簧在任意位置的计算非常复杂，因 此，国内、外一直未能给出可靠的少片斜线型变截面钢板弹簧在斜线段与副簧接触点处的 主副簧间隙的解析设计方法。随着计算机及有限元仿真软件的发展，目前尽管有人曾对端 部非等构的少片斜线型变截面主、副簧间隙采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出 实际设计结构的钢板弹簧的变形进行仿真验证，不能提供精确的解析设计式，更不能满足 车辆快速发展及对悬架钢板弹簧现代化CAD设计软件开发的要求。
[0024] 本发明可根据各片端部非等构的斜线型变截面主簧的结构尺寸、弹性模量，首先 确定出各片斜线型变截面主簧在端点位置处的变形系数，及第N主簧在斜线段与副簧接触 点位置处的变形系数;然后，通过各片端点位置处的变形系数及刚度计算，得到第N片主簧 在端点所承受的载荷;随后，根据所得到的第N片主簧在端点所承受的载荷，及第N主簧在斜 线段与副簧接触点位置处的变形系数，对少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点位 置处的主、副簧间隙进行设计。
[0025]通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确、可靠的端部非等构的少 片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧接触点位置处的主、副簧间隙设计值，为端部非等构 的少片斜线型变截面根部弹簧的主、副簧间隙提供了可靠的设计方法，并且为CAD软件开发 奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可提高车辆悬架变截面钢板弹簧的设计水平、产品质 量和性能，降低悬架弹簧质量和成本，提高车辆的运输效率和行驶安全性；同时，还降低设 计及试验费用，加快产品开发速度。
【附图说明】
[0026]为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。
[0027] 图1是少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间隙的设计流程图；
[0028] 图2是少片斜线型变截面主簧的一半对称结构示意图；
[0029]图3是实施例一的少片斜线型变截面主簧的变形仿真云图；
[0030]图4是实施例二的少片斜线型变截面主簧的变形仿真云图。 具体实施方案
[0031 ]下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032] 实施例一:某少片斜线型变截面主簧的片数N = 2,其中，各片主簧的一半长度L = 575_，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，根部厚度h2 = llmm，安装间距的一半I3 = 55mm，斜 线段的根部到主簧端点的距离l2 = L-l3 = 520mm;第1片主簧的端部平直段的厚度hn = 7mm， 即第1片主簧的斜线段的厚度比R = ImZh2 = O. 64;第2片主簧的端部平直段的厚度h12 = 6mm，即第2片主簧的斜线段的厚度比& = 1112/112 = 0.55;高橫的一半长度1^=355111111，高[]簧触 点到主簧端点的水平距离lo = L-LA=220mm，副簧触点与主簧斜线段内某点相接触。设计所 要求的副簧起作用载荷一半P=1200N，对该少片斜线型变截面钢板弹簧在斜线段与副簧触 点之间的主副簧间隙进行设计。
[0033] 本发明实例所提供的少片斜线型变截面主簧在斜线段与副簧间隙的设计方法，其 设计流程如图1所示，具体步骤如下：
[0034] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-D1计算：
[0035] 根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L = 575mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，安装间距的一半l3 = 55mm，斜线段的根部到主簧端点的距离l2 = 520mm，第1片主簧 的斜线段的厚度比fo = 〇.64,第2片主簧的斜线段的厚度比& = 0.55,对第1片、第2片主簧的 端点变形系数Gx-D1、GX- D2分别进行计算，即
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