本發(fā)明涉及車輛懸架鋼板彈簧，特別是端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車節(jié)能化、舒適化、輕量化、安全化的快速發(fā)展，少片變截面鋼板彈簧因具有重量輕，材料利用率高，片間無摩擦或摩擦小，振動噪聲低，使用壽命長等優(yōu)點，日益受到車輛懸架專家、生產(chǎn)企業(yè)及車輛制造企業(yè)的高度關(guān)注，并且在車輛懸架系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。通常為了滿足加工工藝、應(yīng)力強度、剛度及吊耳厚度的設(shè)計要求，會將少片變截面鋼板彈簧加工為拋物線型、斜線型、根部加強型、端部加強型、兩端加強型等不同結(jié)構(gòu)形式，且由于少片變截面鋼板彈簧第1片彈簧的受力較為復(fù)雜，不僅承受垂向載荷，同時還承受扭轉(zhuǎn)載荷和縱向載荷，因此，實際所設(shè)計的第1片彈簧的端部平直段的厚度和長度，大于其他各片彈簧端部平直段的厚度和長度，即大都采用端部非等構(gòu)的少片變截面鋼板彈簧，以滿足第1片彈簧受力復(fù)雜的要求，此外，為了滿足不同載荷下的剛度設(shè)計要求，通常將少片變截面鋼板彈簧設(shè)計為端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧形式。然而，由于端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的結(jié)構(gòu)及接觸類型復(fù)雜，對其進行分析計算非常困難，據(jù)所查資料可知，目前國內(nèi)外一直未曾給出可靠的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法。隨著車輛行駛速度及其對平順性要求的不斷提高，對端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧提出了更高的要求，因此，必須建立一種準(zhǔn)確、可靠的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法，為端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的弧高設(shè)計奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，滿足車輛行業(yè)快速發(fā)展、車輛行駛平順性及端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的設(shè)計要求，提高產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量和性能，滿足車輛行駛平順性的設(shè)計要求；同時，降低設(shè)計及試驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡便、可靠的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法，其設(shè)計流程圖，如圖1所示。端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧為對稱結(jié)構(gòu)，主副簧的一半對稱結(jié)構(gòu)可看作為懸臂梁，即對稱中心線為根部固定端，主簧的端部受力點和副簧的觸點分別作為主簧端點和副簧端點，一半對稱結(jié)構(gòu)的主副簧的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，其中包括，主簧1，根部墊片2，副簧3，端部墊片4。主簧1每片的一半長度為L_M，是由根部平直段、拋物線段和端部平直段三段所構(gòu)成，每片主簧的根部平直段的厚度為h_2M，每片主簧安裝間距的一半為l₃，每片主簧的寬度為b；主簧1各片的端部平直段非等構(gòu)，即第1片主簧的端部平直段的厚度和長度，大于其他各片的厚度和長度，各片主簧的端部平直段的厚度和長度分別為h_1Mi和l_1Mi，i＝1,2,…,m，m為主簧片數(shù)；每片主簧的中間變截面為拋物線段，各片主簧的拋物線段的厚度比為β_i＝h_1Mi/h_2M，每片主簧的拋物線段的根部到主簧端點的距離為l_2M＝L_M-l₃，各片主簧的拋物線段的端部到主簧端點的距離l_1Mi＝l_2Mβ_i²，各片主簧的初始切線弧高為H_Mci；主簧1的各片根部平直段及與副簧3的根部平直段之間設(shè)有根部墊片2，主簧1各片的端部平直段設(shè)有端部墊片4，端部墊片4的材料為碳纖維復(fù)合材料，用來降低彈簧工作時所產(chǎn)的摩擦噪聲；副簧3每片的一半長度為L_A，是由根部平直段、拋物線段和端部平直段三段所構(gòu)成，每片副簧的根部平直段的厚度為h_2A，每片副簧安裝間距的一半為l₃，每片副簧的寬度為b；各片副簧的端部平直段的厚度和長度分別為h_1Aj和l_1Aj，j＝1,2,…,n，n為副簧片數(shù)；每片副簧的中間變截面為拋物線段，各片副簧的拋物線段的厚度比為β_Aj＝h_1Aj/h_2A，每片副簧的拋物線段的根部到副簧端點的距離為l_2A＝L_A-l₃，各片副簧的拋物線段的端部到副簧端點的距離l_1Aj＝l_2Aβ_Aj²，各片副簧的初始切線弧高為H_Acj；主簧1的第m片端部平直段與副簧3的端部觸點之間設(shè)有主、副簧間隙δ；當(dāng)載荷大于副簧起作用載荷時，副簧與主簧端部平直段內(nèi)某點相接觸，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離為l₀；當(dāng)主副簧端部接觸之后，主副簧各片端部受力不相同，且與副簧相接觸的主簧除了受端點力之外，還在接觸點處承受副簧的支撐力。在主副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量、額定載荷及在額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值給定情況下，對端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的初始切線弧高進行設(shè)計。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法，其特征在于采用以下設(shè)計步驟：

(1)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧端點變形系數(shù)的計算：

I步驟：端點受力情況下的各片主簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M，寬度b，安裝間距的一半l₃，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M，彈性模量E，第i片主簧的拋物線段的厚度比β_i，其中，i＝1,2,…,m，m為主簧片數(shù)，對端點受力情況下的各片主簧在端點處的變形系數(shù)G_x-Di進行計算，即

II步驟：端點受力情況下的第m片主簧在副簧接觸點處變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M，寬度b，安裝間距的一半l₃，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比β_m，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀，對端點受力情況下的第m片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形系數(shù)G_x-CD進行計算，即

III步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M，寬度b，安裝間距的一半l₃，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比β_m，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀，對主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在端點位置處的變形系數(shù)G_x-Dzm進行計算，即

IV步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在副簧接觸點處變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M，寬度b，安裝間距的一半l₃，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M，彈性模量E，第m片主簧的拋物線段的厚度比β_m，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀，對主副簧接觸點處受力情況下的第m片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形系數(shù)G_x-CDz進行計算，即

V步驟：端點受力情況下的各片副簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度L_A，寬度b，安裝間距的一半l₃，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2A，彈性模量E，第j片副簧的拋物線段的厚度比β_Aj，其中，j＝1,2,…,n，n為副簧片數(shù)，對端點受力情況下的各片副簧在端點位置處的變形系數(shù)G_x-DAj進行計算，即

其中，n片副簧疊加后的變形系數(shù)G_x-DAT為

(2)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧各片夾緊剛度的計算：

A步驟：副簧接觸之前的各片主簧夾緊剛度K_Mi的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M，及步驟(1)的I步驟中計算得到的G_x-Di，確定副簧接觸之前的各片主簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_Mi，即

其中，m為主簧片數(shù)；

B步驟：副簧接觸之后的各片主簧夾緊剛度K_MAi的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M，副簧根部厚度h_2A，步驟(1)的I步驟中計算得到的G_x-Di、II步驟中計算得到的G_x-CD、III步驟中計算得到的G_x-Dzm、IV步驟中計算得到的G_x-CDz、及V步驟中計算得到的G_x-DAT，確定主副簧接觸之后的各片主簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_MAi，即

其中，m為主簧片數(shù)；

C步驟：各片副簧夾緊剛度K_Aj的計算：

根據(jù)副簧根部厚度h_2A，及步驟(1)的V步驟中計算得到的G_x-DAj，確定各片副簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_Aj，即

其中，n為副簧片數(shù)；

(3)額定載荷下的拋物線型鋼板彈簧主、副簧端部變形的計算：

i步驟：副簧起作用時的一半載荷P_K的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M，接觸點處的主副簧間隙δ，主簧片數(shù)m，步驟(1)的II步驟中計算得到的G_x-CD，及步驟(2)的A步驟中確定的K_Mi，確定副簧起作用時的一半載荷P_K，即

ii步驟：主簧端部變形的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧所受的一半額定載荷P，主簧片數(shù)m，i步驟中計算得到的P_K，及步驟(2)的A步驟中確定的K_Mi、B步驟中確定的K_MAi，對額定載荷下的主簧的端部變形f_MD進行計算，即

iii步驟：副簧端部變形的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧所受的一半額定載荷P，主簧根部厚度h_2M，副簧根部厚度h_2A，主簧片數(shù)m，副簧片數(shù)n，i步驟中確定的P_K，步驟(1)的II步驟中計算得到的G_x-CD、IV步驟中計算得到的G_x-CDz、V步驟中計算得到的G_x-DAT，及步驟(2)的B步驟中確定的K_MAi、C步驟中確定的K_Aj，對額定載荷下的副簧的端部變形f_AD進行計算，即

(4)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧初始切線弧高的設(shè)計：

a步驟：主簧初始切線弧高的設(shè)計：

根據(jù)額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值H_m，及步驟(3)的ii步驟中計算得到的f_MD，確定各片主簧的初始切線弧高，即

H_Mci＝H_m+f_MD,i＝1,2,…，m；

其中，m為主簧片數(shù)；

b步驟：副簧初始切線弧高的設(shè)計：

根據(jù)額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值H_m，及步驟(3)的iii步驟中計算得到的f_AD，確定各片副簧的初始切線弧高，即

H_Acj＝H_m+f_AD,j＝1,2,…，n；

其中，n為副簧片數(shù)。

本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點

由于端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的結(jié)構(gòu)及接觸類型復(fù)雜，對其進行分析計算非常困難，據(jù)所查資料可知，目前國內(nèi)外一直未曾給出可靠的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法。本發(fā)明可根據(jù)主副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量、額定載荷及在額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值，對端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的初始切線弧高進行設(shè)計。通過樣機加載變形試驗測試可知，本發(fā)明所提供的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法是正確的，可得到準(zhǔn)確可靠的初始切線弧高設(shè)計值，為端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的設(shè)計及CAD軟件開發(fā)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)；同時，利用該方法，可提高產(chǎn)品設(shè)計水平、產(chǎn)品質(zhì)量和車輛行駛平順性；同時，還可降低設(shè)計和試驗測試費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖做進一步的說明。

圖1是端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計流程圖；

圖2是端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的一半的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方案

下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

實施例：某端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧由2片主簧和1片副簧組成，即主簧片數(shù)m＝2，副簧片數(shù)n＝1，其中，各片主簧參數(shù)為：一半長度L_M＝575mm，寬度b＝60mm，根部平直段的厚度h_2M＝11mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線段的根部到主簧端點的距離l_2M＝L_M-l₃＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第1片主簧的端部平直段的厚度h_1M1＝7mm，拋物線段的厚度比β₁＝h_1M1/h_2M＝0.64，第2片主簧的端部平直段的厚度h_1M2＝6mm，拋物線段的厚度比β₂＝h_1M2/h_2M＝0.55；副簧參數(shù)為：一半長度L_A＝525mm，寬度b＝60mm，根部平直段的厚度h_2A＝14mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線段的根部到副簧端點的距離l_2A＝L_A-l₃＝470mm，第1片副簧的端部平直段的厚度h_1A1＝8mm，拋物線段的厚度比β_A1＝h_1A1/h_2A＝0.57；副簧與主簧的接觸點位于主簧端部平直段內(nèi)，且接觸點到主簧端點的距離l₀＝50mm，主、副簧之間的間隙δ＝34.04mm。該彈簧額定載荷的一半P＝2800N，鋼板彈簧在額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值H_m＝26mm，對該端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧的弧高進行設(shè)計。

本發(fā)明實例所提供的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法，其設(shè)計流程如圖1所示，具體步驟如下：

(1)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧端點變形系數(shù)的計算：

I步驟：端點受力情況下的各片主簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第1片主簧的拋物線段的厚度比β₁＝0.64，第2片主簧的拋物線段的厚度比β₂＝0.55，對端點受力情況下的第1片、第2片主簧在端點處的變形系數(shù)G_x-D1、G_x-D2進行計算，即

II步驟：端點受力情況下的第2片主簧在副簧接觸點處變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β₂＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀＝50mm，對端點受力情況下的第2片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形系數(shù)G_x-CD進行計算，即

III步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β₂＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀＝50mm，對主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在端點位置處的變形系數(shù)G_x-Dz2進行計算，即

IV步驟：主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在副簧接觸點處變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧的一半長度L_M＝575mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2M＝520mm，彈性模量E＝200GPa，第2片主簧的拋物線段的厚度比β₂＝0.55，副簧與主簧接觸點到主簧端點的距離l₀＝50mm，對主副簧接觸點處受力情況下的第2片主簧在端部平直段與副簧接觸點處的變形系數(shù)G_x-CDz進行計算，即

V步驟：端點受力情況下的各片副簧端點變形系數(shù)的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧副簧的一半長度L_A＝525mm，寬度b＝60mm，安裝間距的一半l₃＝55mm，拋物線根部到彈簧端點的距離l_2A＝470mm，彈性模量E＝200GPa，第1片副簧的拋物線段的厚度比β_A1＝0.57，對端點受力情況下的第1片副簧在端點位置處的變形系數(shù)G_x-DA1進行計算，即

其中，1片副簧疊加后的變形系數(shù)G_x-DAT為

(2)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧各片夾緊剛度的計算：

A步驟：副簧接觸之前的各片主簧夾緊剛度K_Mi的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M＝11mm，及步驟(1)的I步驟中計算得到的G_x-D1＝89.29mm⁴/N、G_x-D2＝93.78mm⁴/N，確定副簧接觸之前的第1片、第2片主簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_M1、K_M2，即

B步驟：副簧接觸之后的各片主簧夾緊剛度K_MAi的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M＝11mm，副簧根部厚度h_2A＝14mm，步驟(1)的I步驟中計算得到的G_x-D1＝89.29mm⁴/N、G_x-D2＝93.78mm⁴/N、II步驟中計算得到的G_x-CD＝77.28mm⁴/N、III步驟中計算得到的G_x-Dz2＝77.28mm⁴/N、IV步驟中計算得到的G_x-CDz＝64.85mm⁴/N、及V步驟中計算得到的G_x-DAT＝69.24mm⁴/N，確定主副簧接觸之后的第1片、第2片主簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_MA1、K_MA2，即

C步驟：各片副簧夾緊剛度K_Aj的計算：

根據(jù)副簧根部厚度h_2A＝14mm，及步驟(1)的V步驟中計算得到的G_x-DA1＝69.24mm⁴/N，確定第1片副簧在夾緊狀態(tài)下的一半剛度K_A1，即

(3)額定載荷下的拋物線型鋼板彈簧主、副簧端部變形的計算：

i步驟：副簧起作用時的一半載荷P_K的計算：

根據(jù)主簧根部厚度h_2M＝11mm，接觸點處的主副簧間隙δ＝34.04mm，主簧片數(shù)m＝2，步驟(1)的II步驟中計算得到的G_x-CD＝77.28mm⁴/N，及步驟(2)的A步驟中確定的K_M1＝14.91N/mm、K_M2＝14.19N/mm，確定副簧起作用時的一半載荷P_K，即

ii步驟：主簧端部變形的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧所受的一半額定載荷P＝2800N，主簧片數(shù)m＝2，i步驟中計算得到的P_K＝1202.30N，及步驟(2)的A步驟中確定的K_M1＝14.91N/mm、K_M2＝14.19N/mm、B步驟中確定的K_MA1＝14.91N/mm、K_MA2＝40.20N/mm，對額定載荷下的主簧的端部變形f_MD進行計算，即

iii步驟：副簧端部變形的計算：

根據(jù)少片拋物線型變截面鋼板彈簧主簧所受的一半額定載荷P＝2800N，主簧根部厚度h_2M＝11mm，副簧根部厚度h_2A＝14mm，主簧片數(shù)m＝2，副簧片數(shù)n＝1，i步驟中確定的P_K＝1202.30N，步驟(1)的II步驟中計算得到的G_x-CD＝77.28mm⁴/N、IV步驟中計算得到的G_x-CDz＝64.85mm⁴/N、V步驟中計算得到的G_x-DAT＝69.24mm⁴/N，及步驟(2)的B步驟中確定的K_MA1＝14.91N/mm、K_MA2＝40.20N/mm、C步驟中確定的K_A1＝39.63N/mm，對額定載荷下的副簧的端部變形f_AD進行計算，即

(4)端部接觸式少片拋物線型鋼板彈簧主、副簧初始切線弧高的設(shè)計：

a步驟：主簧初始切線弧高的設(shè)計：

根據(jù)額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值H_m＝26mm，及步驟(3)的ii步驟中計算得到的f_MD＝70.31mm，確定各片主簧的初始切線弧高，即

H_Mc1＝H_m+f_MD＝96.31mm；

H_Mc2＝H_m+f_MD＝96.31mm；

b步驟：副簧初始切線弧高的設(shè)計：

根據(jù)額定載荷下的剩余切線弧高設(shè)計要求值H_m＝26mm，及步驟(3)的iii步驟中計算得到的f_AD＝23.09mm，確定各片副簧的初始切線弧高，即

H_Ac1＝H_m+f_AD＝49.09mm；

H_Ac2＝H_m+f_AD＝49.09mm。

通過樣機試驗測試可知，彈簧的切線弧高設(shè)計值是可靠的，可滿足端部接觸式少片拋物線型變截面主副簧在額定載荷下的剩余切線弧高的設(shè)計要求，結(jié)果表明該發(fā)明所提供的端部接觸式少片拋物線型主副簧弧高的設(shè)計方法是正確的，參數(shù)設(shè)計值是準(zhǔn)確可靠的。