端部加强型少片变截面钢板弹簧的设计方法

摘要

本发明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h_e，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h_e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。

主权项

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h_e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K_M，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l_1p＝β²l₂，端部平直段的长度l₁＝l_1p‑Δl，对少片变截面弹簧的等效单片根部厚度h_e进行计算，即$h_e=\sqrt[3]{K_M{G}_{x-E}};$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h_e，确定各片钢板弹簧根部厚度的最大许用厚度[h₂]，即$\left[h_2\right]=\frac{{\mathrm{bh}}_e^3\left[\sigma \right]}{6PL};$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h_e，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$h_2=\frac{1}{\sqrt[3]{N}}{h}_e;$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${\beta }_1=\left\{\begin{array}{cc}0.60,& h_2\in [5,10]mm\\ 0.55,& h_2\in (10,15]mm\\ 0.50,& h_2\in (15,20]mm\\ 0.45,& h_2\in (20,25]mm\\ 0.40,& h_2\in (25,30]mm\\ 0.35,& h_2\in (30,35]mm\end{array}\right.;$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，$l_{11}={\beta }_1^2{l}_2-\Delta l;$II步骤：根据步骤(1)中确定的β和h_e，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${\beta }_2={\beta }_3=...={\beta }_N=\sqrt[3]{\frac{{\beta }^3{h}_e^3-{\beta }_1^3{h}_2^3}{h_2^3(N-1)}};$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＝…＝β_N，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_{1N}=\sqrt[3]{\frac{{\beta }^3{h}_e^3-{\beta }_1^3{h}_2^3}{h_2^3(N-1)}}{\mathrm{\gamma h}}_2,$$l_{12}=l_{13}=...=l_{1N}={\left(\frac{{\beta }^3{h}_e^3-{\beta }_1^3{h}_2^3}{h_2^3(N-1)}\right)}^{\frac{2}{3}}{l}_2-\Delta l;$(4)端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧不同位置厚度h_i(x)的设计：根据端部加强型少片变截面钢板弹簧的一半长度L，抛物线段的根部到弹簧端点的距离l₂，步骤(3)中所确定的h_1i和l_1i，及步骤(2)中设计所得到的h₂，以弹簧端点为坐标原点，对端部加强型少片变截面钢板弹簧的各片钢板弹簧不同位置x处的厚度h_i(x)进行设计，即$h_i\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{1i},& x\in [0,l_{1i}]\\ \frac{{\beta }_i{h}_2-h_{1i}}{l_{1ip}-l_{1i}}x+\frac{h_{1i}{l}_{1ip}-{\beta }_i{h}_2{l}_{1i}}{l_{1ip}-l_{1i}},& x\in (l_{1i},l_{1ip}]\\ h_2\sqrt{\frac{x}{l_2}},& x\in (l_{1ip},l_2]\\ h_2,& x\in (l_2,L]\end{array}\right.;$其中，l_1ip＝β_i²l₂，i＝1,2,…,N。