基于车辆参数的少片变截面钢板弹簧的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及车辆悬架钢板弹黃，特别是基于车辆参数的少片变截面钢板弹黃的设 计方法。
【背景技术】
[0002] 车辆悬架少片变截面钢板弹黃与多片叠加钢板弹黃相比，由于其受力合理，应力 载荷趋于均衡，并且节省材料和成本，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，具有良好的经济效益和社会效益，国外已经在很 多车辆上得到了推广和应用。对于少片变截面钢板弹黃，通常在根部平直段与抛物线段之 间增设一斜线段，即采用根部加强型少片变截面钢板弹黃，运样不仅可降低弹黃的应力，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段的加工，改善其加 工工艺性。另外，由于受安装和夹紧状态的影响，少片变截面钢板弹黃在车辆实际使用过程 中的刚度，与自由状态下的刚度不相同。
[0003] 尽管先前曾有人给出了少片抛物线型变截面钢板弹黃的设计方法，例如，彭莫和 高军曾在《汽车工程》第14卷第3期，提出了少片变断面钢板弹黃的设计计算方法，该方法只 能对根部未加强，且端部等构的少片抛物线型变截面钢板弹黃进行设计，其不足之处是不 能满足根部加强型且端部非等构的少片变截面钢板弹黃的设计要求，更不能满足基于车辆 参数的少片变断面钢板弹黃的设计要求。
[0004] 对于基于车辆参数的根部加强型且端部非等构少片变断面钢板弹黃，由于受在安 装夹紧状态下的变形或刚度等计算理论，及少片变截面钢板弹黃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，目前大都是忽略根部加强斜线段 及端部非等构的影响，将斜线段直接近似看作抛物线段，并将各片端部结构都看作相同，按 照自由刚度设计要求值，对根部加强型且端部非等构的少片变截面钢板弹黃进行近似设 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 管有人曾对根部加强型且端部非等构的少片变截面钢板弹黃采用ANSYS建模仿真法，但是 该方法仅能对给定设计结构的少片变截面钢板弹黃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黃现代化CAD设计软件开发 的要求。
[000引因此，必须建立一种精确、可靠的基于车辆参数的少片变截面钢板弹黃的设计方 法，可根据车辆参数及悬架刚度要求值，对根部加强型且端部非等构的少片变截面钢板弹 黃的进行设计，满足车辆行业快速发展及对悬架钢板弹黃精确设计的要求，提高少片变截 面钢板弹黃的设计水平、质量和性能，提高车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性和操作安全性； 同时，降低弹黃质量及成本，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。
【发明内容】
[0006]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、 可靠的基于车辆参数的少片变截面钢板弹黃的设计方法，设计流程图如图1所示，包含:初 步设计和优化设计两个过程，其中，通过初步设计，得到少片抛物线型变截面钢板弹黃的根 部厚度和片数;然后，在此基础上，增加斜线加强段，通过进一步对斜线段的长度、端部平直 段的厚度和长度优化设计，得到满足夹紧刚度要求的根部加强式少片变截面钢板弹黃及结 构参数。少片抛物线型变截面钢板弹黃为对称结构，其一半对称结构可看作悬臂梁，即将对 称中屯、线为一半弹黃的根部固定端，将端部受力点看作为弹黃的端点。单片抛物线型变截 面钢板弹黃的一半对称结构示意图，如图2所示，由根部平直段、抛物线段、端部平直段Ξ段 构成;其中，L为变截面弹黃的一半长度，13为安装间距的一半，12为抛物线段的根部到弹黃 端点的距离，h2为根部平直段的厚度;hli和hi为第i片抛物线型变截面钢板弹黃的端部平直 段的厚度和长度，即各片抛物线段的厚度比ei = hli/h2。单片根部加强式抛物线型变截面钢 板弹黃的一半对称结构图，如图3所示，由根部平直段、斜线段、抛物线段和端部平直段4段 构成;端部平直段非等构，即第1片的端部平直段的厚度和长度，大于其他各片的厚度和长 度，W满足第1片变截面钢板弹黃端部受力复杂的要求;在根部平直段和抛物线段之间增加 一斜线段，不仅可对变截面钢板弹黃起加强作用，而且还可满足车辆对悬架系统固有频率 及对悬架弹黃加紧刚度的设计要求;其中，1劝斜线段的根部到弹黃端点的距离，12P为抛物 线段的根部到弹黃端点的距离，A 1为斜线段的长度，h2p为斜线段的小端厚度，即斜线段的 厚度比丫 =h2p/h2,各片抛物线段的厚度比i3i = hli/h2p。在车辆悬架参数、悬架系统的固有频 率、变截面弹黃的安装结构、应力强度要求给定情况下，对基于车辆参数的少片变截面钢板 弹黃进行设计。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所提供的基于车辆参数的少片变截面钢板弹黃的设 计方法，其特征在于采用W下设计步骤：
[0008] (1)车辆悬架少片抛物线型变截面钢板弹黃的夹紧刚度K设计：
[0009] 根据车辆单轮悬架的黃上质量m，及悬架系统的固有频率设计要求值fs，对车辆悬 架系统少片抛物线型变截面钢板弹黃的夹紧刚度K进行设计，即
[0010]
[0011] (2)少片抛物线型变截面钢板弹黃的等效单片根部厚度he计算：
[0012] a步骤:首先，选取等效单片变截面钢板弹黃的抛物线段的厚度比β，其中，β的选取 范围为0.5~0.6;然后，根据少片变截面钢板弹黃的一半长度L，宽度b，弹性模量Ε，安装间 距的一半13,对少片抛物线型变截面钢板弹黃在夹紧状态的变形系数Gx-D进行计算，即
[0013]
[0014] b步骤:根据a步骤中所得到的Gx-d，步骤（1)中设计得到的K，对满足夹紧刚度要求 的少片抛物线型变截面钢板弹黃的等效单片的根部厚度he进行计算，即
[0015]
[0016] (3)少片抛物线型变截面钢板弹黃的片数N及各片根部厚度h2设计：
[0017] A步骤:确定各片变截面弹黃的根部厚度最大许用厚度比2]:
[0018] 根据少片变截面钢板弹黃的一半长度L，宽度b，安装间距的一半13,车辆单轮悬架 的黃上质量m，许用应力[0]，及步骤(2)中计算所得到的he,确定各片抛物线型变截面弹黃 的根部厚度的最大许用厚度比2]，即
[0019]
[0020] 其中，g = 〇.98m/s2;
[0021] B步骤:变截面钢板弹黃片数N及各片根部厚度h2的设计：
[0022] 选取少片抛物线型变截面钢板弹黃的片数的初始值N=2,其中，N为2~5之间的整 数;根据A步骤中确定的比2]，及步骤(2)中计算所得到的he,对少片抛物线型变截面钢板弹 黃的各片根部厚度的理论设计值进行设计，即
[0023]
[0024] 将理论厚度设计值h2R向上圆整，得到h2R的圆整数值h2,即实际根部厚度h2设计值；
[0025] 若h2含比2]，贝化2即为少片抛物线型变截面钢板弹黃的各片根部厚度设计值，所对 应的片数N即为少片抛物线型变截面钢板弹黃的设计片数；
[0026] 若h2>比2]，则取钢板弹黃的片数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含比2]时，少片抛物线型变截面钢板弹黃的片数N及各片根 部厚度h2设计完毕；
[0027] (4)根部加强式少片抛物线型变截面钢板弹黃的斜线段长度Δ 1的优化设计：
[0028] I步骤:根据步骤(3)中设计得到的h2,确定少片抛物线型变截面钢板弹黃的根部 斜线段的厚度比T，即
[0029]
[0030] II步骤:根据步骤(3)中设计得到的h2,确定第1片变截面钢板弹黃的抛物线段的 厚度比01，即
[0031]
[0032] III步骤:根据步骤(2)中所确定的β和he, II步骤中确定的第1片变截面钢板弹黃 的抛物线段的厚度比&，及步骤(3)中设计所得到的变截面钢板弹黃的片数N和各片根部厚 度h2，确定第2片，第3片，…，第N片变截面钢板弹黃的抛物线段的厚度比，即
[0033]
[0034] IV步骤:根据少片变截面钢板弹黃的一半长度L，宽度b，弹性模量E，安装间距的一 半13,斜线段的根部到弹黃端点的距离l2 = kl3，I步骤中所确定的斜线段的厚度比γ，Π 步 骤中所确定的第1片变截面弹黃的抛物线段的厚度比01，III步骤中所确定的第2片，第3 片，…，第N片变截面弹黃的抛物线段的厚度比β2 = β3=…二邮，步骤（1)中设计所得到的K， 及步骤(3)中所设计得到的h2，W斜线段长度Δ 1为待设计参数变量，建立少片抛物线型变 截面钢板弹黃的斜线段长度Δ 1的优化设计数学模型，即
利用Matlab程序，求解上述关于Δ 1的方程，便可得到少片抛物线型变截面钢板弹黃的斜线 段长度A 1的优化设计值；
[0037] (5)根部加强式少片抛物线型变截面钢板弹黃的各片端部平直段的厚度和长度设 计：
[0038] i步骤:根据步骤(3)中设计所得到的h2,及I步骤中所确定的根部斜线段的厚度比 T，确定少片抛物线型变截面钢板弹黃的根部斜线段的小端厚度h2p，即
[0039] h化二丫 h2;
[0040] ii步骤:根据少片变截面钢板弹黃的一半长度L，安装间距的一半l3，i步骤中所确 定的h2p，及II步骤中所确定的扣和IV步骤中所确定的Δ1，确定第1片抛物线型变截面钢板 弹黃的端部平直段的厚度hii和长度hi,分别为
[0041] hii = 0ih2p，
[0042]
[0043] iii步骤:根据少片变截面钢板弹黃的一半长度L，安装间距的一半13, i步骤中所 确定的h2p，及III步骤中所确定的第2片，第3片，…，第N片变截面钢板弹黃的抛物线段的厚 度比
和IV步骤中所确定的根部斜线段的长度A 1，确定第2片， 第3片，…，第N片抛物线型变截面钢板弹黃的端部平直段的厚度和长度，分别为
[0046] (6)根部加强式少片抛物线型变截面