技术领域
[0001] 本
发明涉及车辆悬架少片变截面板簧，特别是端部非等构少片变截面板簧预夹紧
应力的匹配设计法。
背景技术
[0002] 随着
汽车节能和轻量化政策的实施，少片变截面板簧因具有重量轻，材料利用率高，片间无摩擦或摩擦小，振动噪声低，使用寿命长等优点，日益受到车辆悬架专家、生产企业及车辆制造企业的高度关注，并且在车辆
悬架系统中得到了广泛应用。为了满足首片板簧端部受力复杂的要求，通常首片板簧的端部平直段的厚度和长度大于其他各片的端部平直段的厚度和长度，即端部非等构少片抛物线型变截面板簧。为了满足板簧夹紧
刚度特性、提高板簧可靠性和使用寿命的设计要求，通过各片板簧不同自由切线弧高，在装配夹紧之后满足首片板簧初始切线弧高设计要求；同时，使首片板簧或前几片板簧产生一定的预夹紧压应力，从而提高板簧可靠性和使用寿命，其中，各片板簧预夹紧应力的匹配设计是各片板簧自由切线弧高设计的前提。然而，据所查资料可知，由于受各片板簧之间预夹紧应力差计算的制约，先前一直未曾给出准确可靠的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，不能满足车辆快速发展及对悬架少片变截面板簧现代化CAD设计的要求。随着车辆行驶速度及其对平顺性要求的不断提高，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧设计提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，为各片板簧自由切线弧高的设计奠定可靠的技术
基础，满足车辆行业快速发展、车辆行驶平顺性和安全性及对少片变截面板簧的设计要求，提高产品的设计
水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验
费用，加快产品开发速度。
发明内容
[0003] 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、可靠的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其匹配设计
流程图，如图1所示。等构式少片抛物线型变截面板簧为以中心穿装孔对称的结构，将对称中心线看作为一半板簧的根部固定端，将端部受力点看作为板簧端点，其一半对称夹紧结构示意图如图2所示，其中包括，板簧1，根部
垫片2，端部垫片3。板簧1的一半跨度为LT，是由根部平直段、抛物线段和端部平直段三段所构成，根部平直段用于骑
马螺栓装配夹紧，首片板簧的端部平直段的厚度和长度大于其他各片的端部平直段的厚度和长度，即端部非等构少片抛物线型变截面板簧；板
簧片数为n，其中，2≤n≤5，根部平直段的一半长度L0，板簧的宽度为b，
弹性模量为E；各片板簧的各片板簧根部平直段的厚度h2，，端部平直段的厚度hi，抛物线段的厚度比为βi＝h1i/h2，端部平直段的长度为l1i＝(LT-L0)βi2。各片板簧的根部之间设有根部垫片2，根部垫片厚度为δc。各片板簧的端部之间设有端部垫片3，端部垫片的厚度为δe，端部垫片的材料为
碳纤维复合材料，以降低板簧工作所产生的摩擦噪声。通过各片板簧的自由切线弧高，确保装配预夹紧后的板簧初始切线弧高满足设计要求；同时，使首片或前几片板簧受预夹紧压应力，而末片或后几片板簧受预夹紧拉应力，提高板簧可靠性和使用寿命。各片板簧的自由切线弧高为Hgi0，装配夹紧之后的首片板簧的初始切线弧高为HgC1，各片板簧的预夹紧应力为σi，i＝1,2,…,n。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定
载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对等构式少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力进行匹配设计，为各片板簧自由切线弧高设计奠定可靠的技术基础。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其特征在于采用以下匹配设计步骤：
[0005] (1)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度Ki的计算
[0006] A步骤：各片板簧的夹紧端点
变形系数Gx-Di的计算
[0007] 根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度LT，根部平直段的一半长度L0，弹性模量E；各片板簧的根部平直段的厚度h2，各片板簧的端部平直段的厚度h1i，各片板簧的抛物线段的厚度比βi＝h1i/h2，i＝1,2,…,n，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数Gx-Di进行计算，即
[0008]
[0009] B步骤：各片板簧的夹紧刚度Ki的计算
[0010] 根据板簧片数n，各片板簧的根部平直段的厚度h2，A步骤中计算得到的Gx-Di，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度Ki进行计算，i＝1,2,…,n，即[0011]
[0012] (2)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的首片板簧根部最大应力σmax1的计算：
[0013] 根据板簧片数n，板簧的宽度b，一半跨度LT，根部平直段的一半长度L0，各片板簧的根部平直段的厚度h2，额度载荷PN，步骤(1)中计算得到的Ki，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧在额定载荷下的首片板簧的根部最大应力σmax1进行计算，即
[0014]
[0015] (3)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力差Δσ的确定:
[0016] 根据板簧片数n，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]，步骤(2)中计算得到的σmax1，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间的预夹紧应力差Δσ进行确定，即
[0017]
[0018] (4)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σi的匹配设计:
[0019] 根据板簧片数n，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]，步骤(2)中计算得到的σmax1，步骤(3)中所确定的Δσ，对端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力σi进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即
[0020] σi＝([σ1]-σmax1)+(i-1)Δσ，i＝1,2,…,n。
[0021] 本发明比现有技术具有的优点
[0022] 先前对于等构式少片抛物线型变截面板簧，一直未曾给出准确可靠的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，不能满足车辆快速发展及对悬架少片变截面板簧现代化CAD设计的要求。本发明可根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额定载荷下的许用应力，对等构式少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计。通过样机应力试验测试可知，本发明所提供的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力的匹配设计值，为各片板簧自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。
附图说明
[0023] 为了更好地理解本发明，下面结合附图做进一步的说明。
[0024] 图1是端部非等构少片抛物线型变截面板簧预夹紧应力的匹配设计流程图；
[0025] 图2是端部非等构少片抛物线型变截面板簧的一半对称夹紧结构示意图。具体实施方案
[0026] 下面通过
实施例对本发明作进一步详细说明。
[0027] 实施例一：某端部非等构少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，骑马螺栓夹紧的根部平直段的一半长度L0＝50mm，弹性模量E＝200GPa。板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段厚度h2＝18mm，各片板簧的端部平直段的厚度h11＝9mm，h12＝h13＝8mm，抛物线段的厚度比β1＝h11/h2＝0.5，β2＝β3＝h12/h2＝h13/h2＝0.444。额度载荷PN＝16000N，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝400MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力进行匹配设计。
[0028] 本发明实例所提供的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法，其匹配设计流程如图1所示，具体匹配设计步骤如下：
[0029] (1)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度Ki的计算
[0030] A步骤：各片板簧的夹紧端点变形系数Gx-Di的计算
[0031] 根据板簧片数n＝3，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，根部平直段的一半长度L0＝50mm，弹性模量E＝200GPa；各片抛物线段的厚度比抛物线段的厚度比β1＝0.5，β2＝0.444，β3＝0.444；对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数Gx-Di进行计算，i＝1,2,3，即
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] B步骤：各片板簧的夹紧刚度Ki的计算
[0036] 根据板簧片数n＝3，各片板簧的根部平直段厚度h2＝18mm，A步骤中计算得到的Gx-D1＝87.88mm4/N，Gx-D2＝89.62mm4/N，Gx-D3＝89.62mm4/N，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度Ki进行计算，i＝1,2,3，即
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] (2)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的首片板簧根部最大应力σmax1的计算:
[0041] 根据板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，根部平直段的一半长度L0＝50mm，首片板簧的根部平直段厚度h2＝18mm，额度载荷PN＝16000N，步骤(1)中计算得到的K1＝132.73N/mm，K2＝130.14N/mm，K3＝130.14N/mm，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧在额定载荷下的首片板簧根部最大应力σmax1进行计算，即
[0042]
[0043] (3)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间预夹紧应力差Δσ的确定:
[0044] 根据板簧片数n＝3，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝400MPa，步骤(2)中计算得到的σmax1＝433.61MPa，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间的预夹紧应力差Δσ进行确定，即
[0045]
[0046] (4)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σi的匹配设计:
[0047] 根据板簧片数n＝3，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝400MPa，步骤(3)中所确定的Δσ＝33.61MPa，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力σi进行匹配设计，i＝1,2,3，即
[0048] σ1＝([σ1]-σmax1)+(1-1)Δσ＝-33.61MPa，
[0049] σ2＝([σ1]-σmax1)+(2-1)Δσ＝0MPa,
[0050] σ3＝([σ1]-σmax1)+(3-1)Δσ＝33.61MPa。
[0051] 通过样机应力试验测试可知，本发明所提供的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力的匹配设计值。
[0052] 实施例二：某端部非等构少片抛物线型变截面板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，骑马螺栓夹紧距的根部平直段的一半长度L0＝50mm，弹性模量E＝200GPa。板簧片数n＝4，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm；各片板簧的端部平直段的厚度h11＝8mm，h12＝h13＝h14＝7mm，抛物线段的厚度比β1＝h11/h2＝0.5，β2＝β3＝β4＝h12/h2＝0.4375。额度载荷PN＝16800N，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝400MPa。根据板簧片数，各片板簧的结构参数，弹性模量，额定载荷及首片板簧在额度载荷下的许用应力，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力进行匹配设计。
[0053] 采用与实施例一相同的匹配设计方法和步骤，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力进行匹配设计，具体匹配设计步骤如下：
[0054] (1)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧夹紧刚度Ki的计算
[0055] A步骤：各片板簧的夹紧端点变形系数Gx-Di的计算
[0056] 根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，根部平直段的一半长度L0＝50mm，弹性模量E＝200GPa；各片板簧的抛物线段的厚度比β1＝0.5，β2＝β3＝β4＝0.4375；对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧端点变形系数Gx-Di进行计算，i＝1,2,…,n，即
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] B步骤：各片板簧的夹紧刚度Ki的计算
[0062] 根据各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm，板簧片数n＝4，A步骤中计算得到的Gx-D1＝87.88mm4/N，Gx-D2＝Gx-D3＝Gx-D4＝89.81mm4/N，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的夹紧刚度Ki进行计算，i＝1,2,…,n，即
[0063]
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] (2)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的首片板簧根部最大应力σmax1的计算：
[0068] 根据板簧片数n＝4，板簧的宽度b＝60mm，一半跨度LT＝570mm，根部平直段的一半长度L0＝50mm，各片板簧的根部平直段的厚度h2＝16mm，额度载荷PN＝16800N，步骤(1)中计算得到的K1＝93.22N/mm，K2＝91.21N/mm，K2＝91.21N/mm，K2＝91.21N/mm，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧在额定载荷下的首片板簧根部最大应力σmax1进行计算，即[0069]
[0070] (3)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力差Δσ的确定:
[0071] 根据板簧片数n＝4，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝400MPa，步骤(2)中计算得到的σmax1＝433.56MPa，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧之间的预夹紧应力差Δσ进行确定，即
[0072]
[0073] (4)端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧预夹紧应力σi的匹配设计:
[0074] 根据板簧片数n＝4，首片板簧在额度载荷下的许用应力[σ1]＝450MPa，步骤(2)中计算得到的σmax1＝433.56MPa，步骤(3)中所确定的Δσ＝22.376MPa，对该端部非等构少片抛物线型变截面板簧的各片板簧的预夹紧应力σi进行匹配设计，i＝1,2,…,n，即[0075] σ1＝([σ1]-σmax1)+(1-1)Δσ＝-33.564MPa
[0076] σ2＝([σ1]-σmax1)+(2-1)Δσ＝-11.188MPa,
[0077] σ3＝([σ1]-σmax1)+(3-1)Δσ＝11.188MPa；
[0078] σ4＝([σ1]-σmax1)+(4-1)Δσ＝33.564MPa。
[0079] 通过样机应力试验测试可知，本发明所提供的端部非等构少片变截面板簧预夹紧应力的匹配设计法是正确的，可得到准确可靠的各片板簧预夹紧应力的匹配设计值，为各片板簧自由切线弧高的设计奠定了可靠的技术基础。利用该方法可确保各片板簧的预夹紧应力满足设计要求，提高产品的设计水平、可靠性和使用寿命及车辆行驶安全性；同时，降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。
