[发明专利]一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，包括以下步骤：估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值；将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型；在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置；优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数；对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，并确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值。设计的螺旋弹簧具有变刚度、载荷大、行程大、免维护、可靠性高的优点，在保证承载能力的基础上增大了压缩伸张行程。

技术领域

本发明涉及一种螺旋弹簧，具体涉及一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法。

背景技术

螺旋弹簧作为车辆悬架系统的弹性元件，安装在车架和车轮之间，起着缓冲减振的重要作用。螺旋弹簧具有能量密度高、成本低、免维护、可靠性高的优点，主要应用在乘用车上，但很少应用在商用车上，尤其是超重型车辆。超重型车辆通常采用双横臂式独立悬架系统，双横臂式独立悬架系统具有载荷大、行程大的优点，但其可靠性相对较低，且维护较为麻烦。若超重型车辆采用螺旋弹簧式悬架系统，要保证螺旋弹簧的承载能力，就需要把弹簧丝直径(丝径)做得足够大，增大弹簧丝直径，不但需要更大的垂向长度来保证压缩伸张行程，还需要更大的径向空间来满足安装需求，这些都与有限的布置空间存在矛盾。如，单个车桥载荷为13t的超重型车辆，螺旋弹簧承受的载荷应不小于10t，若车轮跳动量为-150～150mm，螺旋弹簧的压缩伸张行程应不小于-85～85mm；而根据超重型车辆可提供的垂向和横向布置空间，螺旋弹簧的垂向长度应不大于700mm，螺旋弹簧的外径应不大于210mm，在这些条件的约束下，现有的螺旋弹簧无法同时满足承载能力、压缩伸张行程和布置空间的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，设计的螺旋弹簧具有载荷大、行程大、免维护、可靠性高的优点，在保证承载能力的基础上增大了压缩伸张行程，可满足超重型车辆悬架对大载荷、大行程和小布置空间的使用要求。

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，包括以下步骤：

一、根据螺旋弹簧所需的承受载荷和压缩伸张行程，估算螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值；

二、将螺旋弹簧的丝径初始值、节距初始值、内径初始值和长度初始值输入仿真平台，并建立螺旋弹簧的有限元模型；

三、在仿真平台中利用有限元分析方法，对螺旋弹簧有限元模型进行结构应力分析以确定其应力水平及危险点位置；

四、根据螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点位置，优化螺旋弹簧有限元模型的丝径参数、节距参数、内径参数和长度参数，直至螺旋弹簧有限元模型的应力水平及危险点强满足设计要求；

五、在仿真平台中对螺旋弹簧有限元模型进行施力模拟试验，当螺旋弹簧有限元模型的承受载荷和压缩伸张行程满足设计要求时，确定螺旋弹簧有限元模型的丝径优化值、节距优化值、内径优化值和长度优化值，否则返回步骤四；

所述螺旋弹簧包括等丝径主段和变丝径副段，等丝径主段处于变丝径副段的上侧，变丝径副段的丝径由下至上逐渐增大至等于等丝径主段的丝径；所述丝径初始值包括等丝径主段的丝径初始值和变丝径副段的小端丝径初始值，所述节距初始值包括等丝径主段的节距初始值和变丝径副段的节距初始值，所述内径初始值是指等丝径主段和变丝径副段的内径初始值且两者相同，所述长度初始值包括等丝径主段的长度初始值和变丝径副段的长度初始值；所述丝径优化值包括等丝径主段的丝径优化值和变丝径副段的小端丝径优化值，所述节距优化值包括等丝径主段的节距优化值和变丝径副段的节距优化值，所述内径优化值是指等丝径主段和变丝径副段的内径优化值且两者相同，所述长度优化值包括等丝径主段的长度优化值和变丝径副段的长度优化值。

进一步的，本发明一种变刚度螺旋弹簧的优化设计方法，还包括以下步骤：