高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法与流程

本发明涉及车辆悬架板簧，特别是高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法。

背景技术：

随着高强度钢板材料的出现，可采用高强度三级渐变板簧，从而满足在不同载荷下的悬架渐变刚度及悬架偏频保持不变的设计要求，进一步提高车辆行驶平顺性，其中，依据最大许用应力及最大许用载荷所对应的主簧最大挠度作为最大限位挠度，并依据最大限位挠度设置一限位保护装置，防止因受冲击板簧断裂，提高板簧的可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性。然后，由于主簧挠度不仅与主簧及各级副簧的结构和载荷有关，而且还与接触载荷大小有关，因此，高强度三级渐变板簧的主簧挠度计算非常复杂，据所查资料可知，目前国内外尚未给出可靠的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对车辆悬架系统设计提出了更高要求，因此，必须建立一种精确、可靠的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法，以满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性不断提高及对高强度三级渐变板簧的设计要求，确保限位装置真正在冲击载荷情况下对板簧起保护作用，防止因受冲击而断裂，提高产品的设计水平、性能和可靠性及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。

技术实现要素：

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、可靠的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法，其设计流程如图1所示。高强度三级渐变刚度板簧的一半对称结构如图2所示，是由主簧1、第一级副簧2和第二级副簧3和第三级副簧4所组成的，高强度三级渐变刚度板簧的一半总跨度为首片主簧的一半作用长度L_1T，骑马螺栓夹紧距的一半为L₀，钢板弹簧的宽度为b，弹性模量为E。主簧1的片数为n，其中，主簧各片的厚度为h_i，一半作用长度L_iT，一半夹紧长度L_i＝L_iT-L₀/2，i＝1,2,…,n。第一级副簧2的片数为n₁，第一级副簧各片的厚度为h_A1j,一半作用长度L_A1jT，一半夹紧长度L_A1j＝L_A1jT-L₀/2，j＝1,2,…,n₁。第二级副簧3的片数为n₂，第二级副簧各片的厚度为h_A2k,一半作用长度L_A2kT，一半夹紧长度L_A2k＝L_A2kT-L₀/2，k＝1,2,…,n₂。第三级副簧4的片数为n₃，第三级副簧各片的厚度为h_A3l,一半作用长度L_A3lT，一半夹紧长度L_A3l＝L_A3lT-L₀/2，l＝1,2,…,n₃。高强度三级渐变刚度板簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃，主簧及各级副簧之间设有三级渐变间隙δ_MA1、δ_A12和δ_A23，即末片主簧下表面与第一级副簧首片上表面之间设有一级渐变间隙δ_MA1；第一级副簧末片下表面与第二级副簧首片上表面之间设有二级渐变间隙δ_A12；第二级副簧末片下表面与第三级副簧首片上表面之间设有三级渐变间隙δ_A23。依据最大许用应力及最大许用载荷所对应的主簧最大挠度作为最大限位挠度，并依据最大限位挠度设置一限位保护装置，防止因受冲击板簧断裂，提高板簧的可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，最大许用应力及各次接触载荷，对高强度三级渐变刚度板簧的最大挠度进行设计。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法，其特征在于采用以下计算步骤：

(1)高强度三级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max的确定：

I步骤：各不同片数重叠段的等效厚度h_me的计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的总片数N，其中，主簧的片数n,主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁，第一级副簧各片的厚度h_A1j，j＝1,2,…,n₁；第二级副簧的片数n₂,第二级副簧各片的厚度h_A2k，k＝1,2,…,n₂；第三级副簧的片数n₃，第三级副簧各片的厚度h_A3l，l＝1,2,…,n₃；对三级渐变刚度钢板弹簧的各不同片数m重叠段的等效厚度h_me进行计算，m＝1,2,…,N，即：

其中，主簧根部重叠部分等效厚度h_Me，主簧与第一级、第二级和第三级副簧的根部等效厚度h_MA1e、h_MA2e和h_MA3e分别为

II步骤：主簧最大厚度板簧厚度h_max的确定

根据主簧的片数n,主簧各片的厚度h_i，i＝1,2,…n，确定主簧最大厚度板簧的厚度h_max，即

h_max＝max(h_i)，i＝1,2,…n；

III步骤：最大许用载荷P_max的确定

根据高强度三级渐变刚度板簧的宽度b，首片主簧的一半夹紧长度L₁，最大许用应力[σ]；第1次开始接触载荷P_k1，第2次开始接触载荷P_k2，第3次开始接触载荷P_k3；I步骤中计算得到的h_Me、h_MA1e、h_MA2e和h_MA3e，II步骤中所确定的h_max，对二级高强度渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max进行计算，即

(2)高强度三级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝i＝1,2,…,n，对主簧的夹紧刚度K_M进行仿真计算，即

(3)高强度三级渐变刚度板簧的主簧与各级副簧的复合夹紧刚度的计算

i步骤：主簧与第一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1的计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁,第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；主簧和第一级副簧的片数之和N₁＝n+n₁，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N₁，对主簧与第一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1进行计算，即

ii步骤：主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2的计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁,第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；第二级副簧的片数n₂，第二级副簧各片的一半夹紧长度L_A2k＝L_N1+k，k＝1,2,…,n₂；主簧与第一级和第二级副簧的片数之和N₂＝n+n₁+n₂，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N₂，对主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2进行仿真计算，即

iii步骤：主副簧的总复合夹紧刚度K_MA3的仿真计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b，弹性模量E；主簧的片数n,主簧各片的一半夹紧长度L_i，i＝1,2,…,n；第一级副簧的片数n₁,第一级副簧各片的一半夹紧长度L_A1j＝L_n+j,j＝1,2,…,n₁；第二级副簧的片数n₂，第二级副簧各片的一半夹紧长度L_A2k＝L_N1+k，k＝1,2,…,n₂；第三级副簧的片数n₃，第三级副簧各片的一半夹紧长度L_A3l＝L_N2+l，l＝1,2,…,n₃；主副簧的总片数N＝n+n₁+n₂+n₃，其中，及步骤(1)中计算得到的h_me，m＝1,2,…,N，对主副簧的总夹紧复合刚度K_MA3进行仿真计算，即，即

(4)高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax的设计：

根据第1次开始接触载荷P_k1，第2第开始接触载荷P_k2，第3第开始接触载荷P_k3和第3次完全接触载荷P_w3，步骤(1)中计算得到的P_max，步骤(2)计算得到的K_M，步骤(3)计算得到的K_MA1、K_MA2和K_MA3，对高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax进行设计，即

本发明比现有技术具有的优点

由于高强度三级渐变板簧的主簧挠度不仅与主簧和各级副簧的结构参数和载荷大小有关，而且还与各次接触载荷有关，因此，高强度三级渐变板簧的主簧挠度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未给出高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法。本发明可根据高强度三级渐变刚度板簧的主簧各片和副簧的结构参数，弹性模量，最大许用应力，及各次接触载荷，对高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度进行设计。过样机试验测试可知，最大挠度设计值与样机试验测试值相吻合，表明所提供的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度设计方法是正确的，为高强度三级渐变刚度板簧设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得可靠的最大限位挠度设计值，通过最大限位装置，真正对板簧起保护作用，防止因受冲击而断裂，从而提高板簧的可靠性和使用寿命及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计和试验费用，加快产品开发速度。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。

图1是高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计流程图；

图2是高强度三级渐变板簧的一半对称结构示意图；

图3是实施例的高强度三级渐变刚度板簧的主簧挠度随载荷的变化曲线及在最大许用载荷下所对应的最大限位挠度。

具体实施方案

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：某高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，骑马螺栓夹紧距的一半L₀＝50mm，弹性模量E＝200GPa，最大许用应力[σ]＝1200MPa。主簧及各级副簧的总片数N＝5，其中，主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm；主簧各片的一半作用长度为L_1T＝525mm，L_2T＝450mm；一半夹紧长度为L₁＝L_1T-L₀/2＝500mm；L₂＝L_2T-L₀/2＝425mm。第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm，一半作用长度为L_A11T＝350mm，一半夹紧长度为L_A11＝L₃＝L_A11T-L₀/2＝325mm。第二级副簧的片数n₂＝1,厚度h_A21＝13mm，一半作用长度为L_A21T＝250mm，一半夹紧长度为L_A21＝L₄＝L_A21T-L₀/2＝225mm。第三级副簧的片数n₃＝1，厚度h_A31＝13mm，一半作用长度为L_A31T＝150mm，一半夹紧长度为L_A31＝L₅＝L_A31T-L₀/2＝125mm。该高强度三级渐变刚度板簧的第1次开始接触载荷P_k1＝1966N，第2第开始接触载荷P_k2＝2882N，第3第开始接触载荷P_k3＝5522N，第3次完全接触载荷P_w3＝6609N。根据各片板簧的结构参数，弹性模量，最大许用应力及各次接触载荷，对高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度进行设计。

本发明实例所提供的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法，其设计流程如图1所示，具体设计步骤如下：

(1)高强度三级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max的确定：

I步骤：各不同片数重叠段的等效厚度h_me的计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的总片数N＝5，其中，主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm；第一级副簧的片数n₁＝1，厚度h_A11＝8mm；第二级副簧的片数n₂＝1,厚度h_A21＝13mm；第三级副簧的片数n₃＝1，厚度h_A31＝13mm；对高强度三级渐变刚度钢板弹簧各不同片数m重叠段的等效厚度h_me进行计算，m＝1,2,…,N，即：

h_1e＝h₁＝8.0mm；

其中，主簧根部重叠部分的等效厚度h_Me，主簧与各级副簧的根部重叠部分的等效厚度h_MA1e、h_MA2e、h_MA3e分别为

II步骤：主簧最大厚度板簧厚度h_max的确定

根据主簧的片数n＝2,主簧各片的厚度h₁＝h₂＝8mm，确定主簧最大厚度板簧的厚度h_max，即

h_max＝max(h₁，h₂)＝8mm；

III步骤：最大许用载荷P_max的确定

根据高强度三级渐变刚度板簧的宽度b＝63mm，最大许用应力[σ]＝1200MPa；首片主簧的一半夹紧长度L₁＝500mm，第1次开始接触载荷P_k1＝1966N，第2次开始接触载荷P_k2＝2882N，第3次开始接触载荷P_k3＝5522N；I步骤中计算得到的h_Me＝10.1mm、h_MA1e＝11.5mm、h_MA2e＝15.5mm和h_MA3e＝18.1mm，II步骤中所确定的h_max＝8mm，对该高强度三级渐变刚度板簧的最大许用载荷P_max进行计算，即

(2)高强度三级渐变刚度板簧的主簧夹紧刚度夹紧刚度的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，m＝i＝1,2,...,n；对主簧的夹紧刚度K_M进行仿真计算，即

(3)高强度三级渐变刚度板簧的主簧与各级副簧的复合夹紧刚度的计算

i步骤：主簧与一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1的计算

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧的片数m₁＝1,一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm；主簧和第一级副簧的片数之和N₁＝n+n₁＝3，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，m＝1,2,...,N₁，对主簧与一级副簧的夹紧复合刚度K_MA1进行计算，即

ii步骤：主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2的计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n＝2,主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧的片数n₁＝1,一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm；第二级副簧的片数n₂＝1，一半夹紧长度L_A21＝L₄＝225mm，主簧与第一级副簧和第二级副簧的片数之和N₂＝n+n₁+n₂＝4，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，m＝1,2,...,N₂，对主簧与第一级和第二级副簧的夹紧复合刚度K_MA2进行仿真计算，即

iii步骤：主副簧的总复合夹紧刚度K_MA3的仿真计算：

根据高强度三级渐变刚度钢板弹簧的宽度b＝63mm，弹性模量E＝200GPa；主簧的片数n₁＝2，主簧各片的一半夹紧长度L₁＝500mm，L₂＝425mm；第一级副簧的片数n₁＝1，一半夹紧长度L_A11＝L₃＝325mm；第二级副簧的片数n₂＝1，一半夹紧长度分别为L_A21＝L₄＝225mm；第三级副簧的片数n₃＝1，一半夹紧长度L_A31＝L₅＝125mm；主副簧的总片数N＝5，及步骤(1)中计算得到的h_1e＝8.0mm，h_2e＝10.1mm，h_3e＝11.5mm，h_4e＝15.5mm，h_5e＝18.1mm，m＝1,2,...,N，对主副簧的总夹紧复合刚度K_MA3进行仿真计算，即，即

(4)高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax的设计：

根据第1次开始接触载荷P_k1＝1966N，第2第开始接触载荷P_k2＝2882N，第3第开始接触载荷P_k3＝5522N、第3次完全接触载荷P_w3＝6609N，步骤(1)中计算得到的P_max＝23764N；步骤(2)计算得到的K_M＝51.44N/mm，步骤(3)计算得到的K_MA1＝75.41N/mm、K_MA2＝144.46N/mm和K_MA3＝172.9N/mm，对该高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度f_Mmax进行设计，即

利用Matlab计算程序，计算得到的该高强度三级渐变刚度板簧的主簧挠度随载荷的变化曲线及在最大许用载荷下所对应的最大限位挠度，如图3所示，其中，在最大许用载荷P_max＝23764N下的主簧最大限位挠度f_Mmax＝183.8mm。

通过样机试验测试可知，在最大许用载荷下的最大限位挠度的设计值，与样机的试验测试值相吻合，表明所提供的高强度三级渐变刚度板簧的最大限位挠度的设计方法是正确的，为高强度三级渐变刚度板簧的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可得到准确可靠的最大限位挠度的设计值，提高产品设计水平、质量和可靠性和使用寿命及车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，加速产品开发速度。