斜线型少片主簧在端部平直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，特别是斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙 的设计方法。
【背景技术】
[0002] 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，并 通过主、副簧间隙，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 在不同载荷情况下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，可采用斜线型的变截面钢板弹簧。对于少片斜线型变截面主、glj 簧，由于副簧的长度不同，副簧与主簧的接触位置也不相同，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。由于端部非等构的斜线型少片变截面钢板弹簧在任意位置 变形计算非常复杂，因此，至今一直未能给出简便、准确、可靠的斜线型少片主簧在端部平 直段与副簧间隙的设计方法。
[0004] 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，给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，也不能满足少片斜线型变截面主簧在端 部平直段与副簧接触点处的主、副簧间隙的设计。目前尽管有人曾对端部非等构的少片斜 线型变截面主簧在端部平直段的变形，采用ANSYS建模仿真法，但是该方法仅能对给出实际 设计结构的变截面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。
[0005] 因此，必须建立一种精确、可靠的斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧间 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；同时，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、 可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计方法，设计流程图，如图1所示。斜 线型少片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。 斜线型少片变截面主副簧的一半对称结构示意图，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，是由根部平直段、斜线段、端部平直段三段 所构成，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12 = L-13;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lu;各片斜线段的 厚度比^ = = …，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的摩擦噪声;副簧3的一半长度 为La，即副簧端点到主簧端点的水平距离1〇 = L-La;第N片主簧的端部平直段与副簧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，副簧与主簧端部平直 段内某点相接触。在斜线型变截面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，对斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间 隙进行设计。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所提供的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙 的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0008] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Dl计算：
[0009] 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1 2 = L-13,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，对各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-^进行计算，即
[0011] (2)第N片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数GX- CD计算：
[0012] 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，副簧触点与主簧端点的水平距离1〇,对第 Ν片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数GX-CD进行计算，即
[0014] (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：
[0015] 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 到的各片斜线型变截面主簧的端点变形系数G x-Dl，确定各片斜线型变截面主簧的一半刚度 KMi，即
[0017] II步骤:根据所要求的副簧起载荷的一半即单端点载荷P，及I步骤中所确定的各 片斜线型变截面主簧的一半刚度KMl，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
[0019] 式中，K_为第N片斜线型变截面主簧的一半刚度；
[0020] (4)斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙δ设计：
[0021] 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Ν片斜线 型变截面主簧的端部力Fn，及步骤(2)中计算得到的第N片主簧在端部平直段与副簧接触点 处的变形系数G X-CD，对少片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙 S进行设计，SP
[0023]本发明比现有技术具有的优点
[0024]由于端部非等构的斜线型少片变截面钢板弹簧在任意位置变形计算非常复杂，因 此，至今一直未能给出简便、准确、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计 方法。尽管目前有人曾对端部非等构的斜线型少片变截面主、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少片变截面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。本发明可根据斜线型少片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处的变形系数，及第N主簧在端部平直段与副簧接触点处的变 形系数;然后，通过各片主簧在端点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，根据第N片主簧的根部厚度，第N片主簧在端点所承受的载荷，及在端部平 直段与副簧接触点位置处的变形系数，对斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧接触 点位置处的主、副簧间隙进行设计。通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准 确、可靠的斜线型少片主簧在端部平直段与副簧间隙的设计值，为斜线型少片变截面钢板 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，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】
[0025]为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。
[0026] 图1是斜线型少片变截面主簧在端部平直段与副簧间隙的设计流程图；
[0027] 图2是斜线型少片变截面主副簧的一半对称结构示意图；
[0028] 图3是实施例一的少片斜线型变截面钢板弹簧主簧的变形仿真云图；
[0029]图4是实施例二的少片斜线型变截面钢板弹簧主簧的变形仿真云图。 具体实施方案
[0030]下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
[0031] 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 = 575mm，宽度b = 60mm，弹性模量E = 200GPa，根部平直段的厚度h2=llmm，安装间距的一半13 = 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^ = -/^ = 0.64,第2片主簧的端部平直段的厚 度hi2 = 6mm，即第2片主簧的斜线段的厚度比& = 1112/112 = 0.55;高[]簧的一半长度1^=465111111， 副簧触点与主簧端点的水平距离l〇 = L-LA=110mm，副簧触点与主簧端部平直段内某点相接 触。设计所要求的副簧起作用载荷的一半即单端点载荷P=1200N，对该少片斜线型变截面 主簧在端部平直段与副簧触点之间的主副簧间隙进行设计。
[0032] 本发明实例所提供的斜线型少片主簧在端部平直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：
[0033] (1)各片斜线型变截面主簧的端点变形系数Gx-Dl计算：
[0034]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
[0037] (2)第2片斜线型变截面主簧在端部平直段与副簧接触点处的变形系数GX-CD的计 算：
[0038]根据少片斜线型变截面主簧的一半长度L = 575mm，宽度b