端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法技术

本发明专利技术涉及端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法，属于悬架钢板弹簧技术领域。本发明专利技术可根据钢板弹簧的结构参数、材料特性参数及刚度设计要求值，首先确定出等效单片的根部厚度he，并根据许用应力，确定出少片变截面钢板弹簧的根部最大许用厚度[h2]；然后，根据he和[h2]及斜线段的厚度比，对端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N、根部厚度h2及各片端部的结构参数进行设计。通过ANSYS仿真验证可知，利用该方法可得到准确、可靠的端部加强型少片变截面钢板弹簧的参数设计值，可提高产品设计水平和性能，降低弹簧重量和成本，提高车辆行驶平顺性；同时，还降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及车辆悬架钢板弹簧，特别是端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法。
技术介绍
变截面钢板弹簧与多片叠加钢板弹簧相比，由于其应力载荷趋于均衡，且节省材料和成本，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，因此具有良好的经济效益和社会效益，已引起了车辆专家的高度关注。对于少片变截面钢板弹簧，通常在端部平直段与抛物线段之间增设一斜线段，即采用端部加强型少片变截面钢板弹簧，这样不仅可降低弹簧的应力，提高其应力强度，同时，还可满足刚度精确设计值，而且还可便于抛物线变截面段的加工，改善加工工艺性。尽管先前曾有人给出了少片抛物线型变截面钢板弹簧的设计方法，例如，彭莫和高军曾在《汽车工程》第14卷第3期，提出了变断面钢板弹簧的设计计算方法，该方法只能对端部等构，且为增加斜线加强段的少片抛物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且带有斜线加强段的少片变截面钢板弹簧的设计要求。对于端部加强型少片变截面钢板弹簧，由于受变形、刚度等计算理论与等效厚度及拆分设计理论的制约，至今尚未给出一直简便、准确、可靠的设计方法，目前大都是忽略端部加强斜线段的影响，将斜线段近似看作为端部平直段的延伸，并且认为各片的端部是等构的，对端部加强型少片变截面钢板弹簧进行近似设计，因此，很难得到准确可靠的参数设计值。随着计算机及有限元仿真软件的仿真，目前尽管有人曾对端部加强型的少片变截>面钢板弹簧采用ANSYS建模仿真法，但是该方法只能对给定设计结构的加强型少片变截面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。因此，必须建立一种精确、可靠的端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法，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，提高少片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，降低弹簧质量和成本，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种简便、可靠的端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法。所述变截面钢板弹簧包括至少两片钢板弹簧，每片钢板弹簧为以中心栓穿装孔为轴心的对称结构，少片变截面钢板弹簧的一半对称结构可看作悬臂梁，即以中心栓穿装孔中心线作为钢板弹簧的根部固定端，钢板弹簧的端部受力点作为端点，其中，第i片的一半对称结构示意图，各片钢板弹簧的一半对称结构由根部平直段、抛物线段、斜线段和端部平直段4段构成；端部平直段和抛物线段之间设有一斜线段，对钢板弹簧的端部起加强作用；各片端部平直段非等构，即第1片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度大于其他各片钢板弹簧的厚度和长度，以满足第1片钢板弹簧端部受力复杂的要求；其中，L为弹簧长度的一半，l3为安装间距的一半，h2为各片弹簧的根部平直段厚度，l2为抛物线段的根部到弹簧端点的距离；h1ip为第i片弹簧抛物线段的端部厚度，即第i片弹簧抛物线段的厚度比βi＝h1ip/h2；l1ip为第i片弹簧抛物线段的端部到弹簧端点的距离；h1i、l1i分别为第i片弹簧的端部平直段的厚度和长度；预设的斜线段的长度Δl、斜线段的厚度比γ，γ＝h1i/h1ip。在所述变截面钢板弹簧的长度、宽度、安装间距、刚度设计要求值、最大载荷及许用应力给定情况下，对根部加强型少片变截面钢板弹簧进行设计。为解决上述技术问题，本专利技术所提供的端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：(1)少片变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度he的计算：首先，选取少片变截面钢板弹簧的等效单片抛物线段的厚度比β，其中，β的取值范围为0.5～0.55；然后，根据端部加强型少片变截面钢板弹簧的一半长度L，一半刚度设计要求值KM，宽度b，弹性模量E，预设的斜线段的长度Δl、斜线段的厚度比γ，安装间距的一半l3，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2＝L-l3，抛物线段的端部到弹簧端点的距离l1p＝β2l2，端部平直段的长度l1＝l1p-Δl，对少片变截面弹簧的等效单片根部厚度he进行计算，即 h e = K M G x - E 3 ; ]]>其中，(2)端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：A步骤：确定各片钢板弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]：根据端部加强型少片变截面弹簧的一半长度L，宽度b，所受最大载荷的一半即单端点载荷P，许用应力[σ]，及步骤(1)中计算得到的he，确定各片钢板弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]，即 [ h 2 ] = bh e 3 [ σ ] 6 P L ; ]]>B步骤：变截面弹簧片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：选取端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数初始值N，其中，N为2～5之间的整数；所要设计的少片变截面钢板弹簧的根部厚度相等，即都等于h2；根据A步骤中确定的[h2]，及步骤(1)中计算得到的he，对端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧根部厚度h2进行设计，即 h 2 = 1 N 3 h e ; ]]>若h2≤[h2]，则h2即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片根部厚度设计值，所对应的钢板弹簧片数N即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计片数；若h2＞[h2]，则取钢板弹簧的片数N＝N+1，返回继续执行B步骤，对增加1片情况下的根部厚度h2进行设计，直到当h2≤[h2]时，端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数及各片根部厚度设计完毕；(3)端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧本文档来自技高网...

【技术保护点】
端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法，所述变截面钢板弹簧包括至少两片钢板弹簧，每片钢板弹簧为以中心栓穿装孔为轴心的对称结构，钢板弹簧的中心孔一侧的一半对称结构由根部平直段、抛物线段、斜线段和端部平直段4段构成；端部平直段和抛物线段之间设有斜线段，对钢板弹簧的端部起加强作用；各片钢板弹簧端部平直段非等构，即第1片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度大于其他各片钢板弹簧的厚度和长度，以满足第1片钢板弹簧端部受力复杂的要求；在所述变截面钢板弹簧的长度、宽度、安装间距、刚度设计要求值、最大载荷及许用应力给定情况下，对根部加强型少片变截面钢板弹簧进行设计，具体设计步骤如下：(1)少片变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度he的计算：首先，选取少片变截面钢板弹簧的等效单片抛物线段的厚度比β，其中，β的取值范围为0.5～0.55；然后，根据少片变截面钢板弹簧的一半长度L，安装间距的一半l3，一半刚度设计要求值KM，宽度b，弹性模量E；预设的斜线段的长度Δl、斜线段的厚度比γ；抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2＝L‑l3，抛物线段的端部到弹簧端点的距离l1p＝β2l2，端部平直段的长度l1＝l1p‑Δl，对少片变截面弹簧的等效单片根部厚度he进行计算，即he=KMGx-E3;]]>其中，(2)端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：A步骤：确定各片变截面弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]：根据端部加强型少片变截面弹簧的一半长度L，宽度b，所受最大载荷的一半即单端点载荷P，许用应力[σ]，及步骤(1)中计算得到的he，确定各片钢板弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]，即[h2]=bhe3[σ]6PL;]]>B步骤：变截面弹簧片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：选取端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数初始值N，其中，N为2～5之间的整数；所要设计的少片变截面钢板弹簧的根部厚度相等，即都等于h2；根据A步骤中确定的[h2]，及步骤(1)中计算得到的he，对端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧根部厚度h2进行设计，即h2=1N3he;]]>若h2≤[h2]，则h2即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片根部厚度设计值，所对应的片数N即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计片数；若h2＞[h2]，则取钢板弹簧的片数N＝N+1，返回继续执行B步骤，对增加1片情况下的根部厚度h2进行设计，直到当h2≤[h2]时，端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片根部厚度h2设计完毕；(3)端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧端部平直段的厚度和长度的设计：I步骤：根据步骤(2)中设计得到的h2，确定第1片钢板弹簧的抛物线段的厚度比β1，即β1=0.60,h2∈[5,10]mm0.55,h2∈(10,15]mm0.50,h2∈(15,20]mm0.45,h2∈(20,25]mm0.40,h2∈(25,30]mm0.35,h2∈(30,35]mm;]]>根据抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2，斜线段的长度Δl，斜线段的厚度比γ，所确定的β1，及步骤(2)中设计得到的h2，确定第1片钢板弹簧的端部平直段的厚度h11和长度l11，分别为h11＝β1γh2，l11=β12l2-Δl;]]>II步骤：根据步骤(1)中确定的β和he，I步骤中确定的β1，及步骤(2)中设计得到的N和h2，确定第2片,…,第N片钢板弹簧的抛物线段的厚度比，即β2=β3=...=βN=β3he3-β13h23h23(N-1)3;]]>根据所确定的第2片,…,第N片钢板弹簧的抛物线段的厚度比β2＝β3＝…＝βN，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2，斜线段的长度Δl，斜线段的厚度比γ，及步骤(2)中设计得到的h2，确定第2片,…,第N片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度，分别为h12=h13=...=h1N=β3he3-β13h23h23(N-1)3γh2,]]>l12=l13=...=l1N=(β3he3-β13h23h23(N-1))23l2-Δl;]]>(4)端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧不同位置厚度hi(x)的设计：根据端部加强型少片变截面钢板弹簧的一半长度L，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2，步骤(3)中所确定的h1i和l1i，及步骤(2)中设计所得到的h2，以弹簧端点为坐标原点，对端部加强型少片...

【技术特征摘要】
1.端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法，所述变截面钢板弹簧包括至少两片钢
板弹簧，每片钢板弹簧为以中心栓穿装孔为轴心的对称结构，钢板弹簧的中心孔一侧的一
半对称结构由根部平直段、抛物线段、斜线段和端部平直段4段构成；端部平直段和抛物线
段之间设有斜线段，对钢板弹簧的端部起加强作用；各片钢板弹簧端部平直段非等构，即第
1片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度大于其他各片钢板弹簧的厚度和长度，以满足第1
片钢板弹簧端部受力复杂的要求；在所述变截面钢板弹簧的长度、宽度、安装间距、刚度设
计要求值、最大载荷及许用应力给定情况下，对根部加强型少片变截面钢板弹簧进行设计，
具体设计步骤如下：
(1)少片变截面钢板弹簧的等效单片根部厚度he的计算：
首先，选取少片变截面钢板弹簧的等效单片抛物线段的厚度比β，其中，β的取值范围为
0.5～0.55；然后，根据少片变截面钢板弹簧的一半长度L，安装间距的一半l3，一半刚度设
计要求值KM，宽度b，弹性模量E；预设的斜线段的长度Δl、斜线段的厚度比γ；抛物线段的
根部到弹簧端点的距离l2＝L-l3，抛物线段的端部到弹簧端点的距离l1p＝β2l2，端部平直段
的长度l1＝l1p-Δl，对少片变截面弹簧的等效单片根部厚度he进行计算，即
h e = K M G x - E 3 ; ]]>其中，(2)端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：
A步骤：确定各片变截面弹簧根部厚度的最大许用厚度[h2]：
根据端部加强型少片变截面弹簧的一半长度L，宽度b，所受最大载荷的一半即单端点
载荷P，许用应力[σ]，及步骤(1)中计算得到的he，确定各片钢板弹簧根部厚度的最大许用
厚度[h2]，即
[ h 2 ] = bh e 3 [ σ ] 6 P L ; ]]>B步骤：变截面弹簧片数N及各片钢板弹簧根部厚度h2的设计：
选取端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数初始值N，其中，N为2～5之间的整数；所要
设计的少片变截面钢板弹簧的根部厚度相等，即都等于h2；根据A步骤中确定的[h2]，及步骤
(1)中计算得到的he，对端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧根部厚度h2进行设
计，即
h 2 = 1 N 3 h e ; ]]>若h2≤[h2]，则h2即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片根部厚度设计值，所对应
的片数N即为端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计片数；
若h2＞[h2]，则取钢板弹簧的片数N＝N+1，返回继续执行B步骤，对增加1片情况下的根
部厚度h2进行设计，直到当h2≤[h2]时，端部加强型少片变截面钢板弹簧的片数N及各片根
部厚度h2设计完毕；
(3)端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧端部平直段的厚度和长度的设
计：
I步骤：根据步骤(2)中设计得到的h2，确定第1片钢板弹簧的抛物线段的厚度比β1，即
β 1 = 0.60 , h 2 ∈ [ 5 , 10 ] m m 0.55 , h 2 ∈ ( 10 , 15 ] m m 0.50 , h 2 ∈ ( 15 , 20 ] m m 0.45 , h 2 ∈ ( 20 , 25 ] m m 0.40 , h 2 ∈ ( 25 , 30 ] m m 0.35 , h 2 ∈ ( 30 , 35 ] m m ; ]]>根据抛物线段的根部到弹簧端点的距离l2，斜线段的长度Δl，斜线段的厚度比γ，所确
定的β1，及步骤(2)中设计得到的h2，确定第1片钢板弹簧的端部平直段的厚度h11和长度l11，
分别为
h11＝β1γh2，
l 11 = β 1 2 l 2 - Δ l ; ]]>II步骤：根据步骤(1)中确定的β和he，I步骤中确定的β1，及步骤(2)中设计得到的N和
h2，确定第2片,…,第N片钢板弹簧的抛物线段的厚度比，即
β 2 = β 3 = ... = β N = β 3 h e 3 - β 1 3 h 2 3 h 2 3 ( N - 1 ) 3 ; ]]>根据所确定的第2片,…,第N片钢板弹簧的抛物线段的厚度比β2＝β3＝…＝βN，抛物线
段的根部到弹簧端点的距离l2，斜线段的长度Δl，斜线段的厚度比γ，及步骤(2)中设计得
到的h2，确定第2片,…,第N片钢板弹簧的端部平直段的厚度和长度，分别为
h 12 = h 13 = ... = h 1 N = β 3 h e 3 - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳超，周长城，
申请(专利权)人：山东恒日悬架弹簧有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37