卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法与流程

1.本发明涉及螺旋弹簧，特别是一种卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法。


背景技术：

2.为了提高应力强度和可靠性，有时会采用卵形截面丝径的螺旋弹簧，即卵形截面丝径螺旋弹簧。然而，由于卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度计算非常复杂，据所查资料可知，先前国内外一直未曾给出可靠的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法。为了满足卵形截面丝径螺旋弹簧及关键参数的正向开发设计的要求，必须建立一种准确、可靠的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，从而为卵形截面丝径螺旋弹簧及关键参数设计奠定可靠的技术基础，提高产品的设计水平和性能；同时，降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，其计算流程图，如图1所示。卵形截面丝径螺旋弹簧的结构及参数符号的示意图，如图2所示，以螺旋弹簧首端中径的圆心为原点o，以首端横向载荷fx的方向为x轴，以首端原点o到末端中径圆心为z轴，建立螺旋弹簧的坐标系,螺旋弹簧的中径d，有效高度h0，升角为α，mw为在单位横向载荷下的螺旋弹簧端部的稳态弯矩。螺旋弹簧的丝径截面可看作是由半圆和半椭圆构成的卵形截面，丝径的卵形截面的示意图，如图3所示，卵形截面的长半轴为b，短半轴为a，卵形截面的质心偏移量为x0，在考虑截面质心偏移量下的螺旋弹簧的有效中径dx,即dx＝d-2x0。螺旋弹簧的弹性模量e，泊松比μ，剪切模量g。根据卵形截面丝径螺旋弹簧的结构参数，弹性模量，泊松比，剪切模量，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度进行计算，确保卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度满足的设计要求。
4.本发明所述的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，采用以下计算步骤：
5.(1)卵形截面丝径螺旋弹簧的升角α和卵形截面质心偏移量x0的计算：
6.根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d，有效圈数n，有效高度h0，丝径卵形截面的长半轴b和短半轴a，对卵形截面丝径螺旋弹簧的升角α和卵形截面质心偏移量x0进行计算，即
[0007][0008]
式中，lc为n圈丝径在水平投影平面内的总圆弧长度，lc＝πnd；
[0009]
(2)卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算：
[0010]
i步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
的计算
[0011]
根据丝径卵形截面的长半轴b和短半轴a，泊松比μ，及步骤(1)中计算得到的x0，对
卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
进行计算，即
[0012][0013]
ii步骤：单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算
[0014]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n，有效高度h0，及i步骤中计算得到的k
mw
，对卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw进行计算，即
[0015][0016]
(3)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
的计算：
[0017]
a步骤：基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
的计算
[0018]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d，步骤(1)中计算得到的卵形截面质心偏移量x0，对基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
进行计算，即
[0019]dx
＝d-2x0；
[0020]
b步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
的计算
[0021]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n，有效高度h0，节距p＝h0/n，丝径卵形截面的长半轴b和短半轴a，剪切模量g，泊松比μ，步骤(1)中计算得到的升角α和x0，步骤(2)中计算得到的mw，及a步骤中计算得到的d
x
，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
进行计算，即
[0022][0023]
(4)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度k
xw
的计算：
[0024]
根据步骤(3)中计算得到的r
dxw
，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度k
xw
进行计算，即
[0025][0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027]
本发明可根据卵形截面丝径螺旋弹簧的结构参数和材料特性参数，即根据螺旋弹簧的中径，有效圈数，有效高度，丝径的卵形截面的长半轴和短半轴，及螺旋弹簧材料的弹性模量，泊松比和剪切模量，在单位横向载荷下的稳态弯矩计算的基础上，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度进行计算。通过样机的ansys仿真和试验验证可知，利用方法可得到准确、可靠的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算值，确保卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度满足设计要求，可提高产品设计水平和性能；同时，还可降低设计及试验
费用，加快产品开发速度。
附图说明
[0028]
图1是卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算流程图，
[0029]
图2是是卵形截面丝径螺旋弹簧的结构及参数符合的示意图，
[0030]
图3是螺旋弹簧丝径的卵形截面的示意图。
具体实施方式
[0031]
实施例1
[0032]
如图1～图3所示，某卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d＝130mm，丝径卵形截面的长半轴b＝7.5mm，短半轴a＝5.5mm，有效圈数n＝4.125，有效高度h0＝330mm，弹性模量e＝206gpa，泊松比μ＝0.3，剪切模量根据卵形截面丝径螺旋弹簧的结构参数，弹性模量，泊松比，剪切模量，对该卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度进行计算。
[0033]
本发明实例所提供的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，其计算的流程如图1所示，具体计算的步骤如下：
[0034]
(1)卵形截面丝径螺旋弹簧的升角α和卵形截面质心偏移量x0的计算：
[0035]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d＝130mm，有效圈数n＝4.125，有效高度h0＝330mm，丝径卵形截面的长半轴b＝7.5mm和短半轴a＝5.5mm，对卵形截面丝径螺旋弹簧的升角α和卵形截面质心偏移量x0进行计算，即
[0036][0037]
式中，lc为n圈丝径在水平投影平面内的总圆弧长度，lc＝πnd＝1684.7mm。
[0038]
(2)卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算：
[0039]
i步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
的计算
[0040]
根据丝径卵形截面的长半轴b＝7.5mm和短半轴a＝5.5mm，泊松比μ＝0.3，及步骤(1)中计算得到的x0＝0.85mm，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
进行计算，即
[0041][0042]
ii步骤：单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算
[0043]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n＝4.125，有效高度h0＝330mm，及i步骤中计算得到的k
mw
＝1.3428，对卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw进行计算，即
[0044][0045]
(3)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
的计算：
[0046]
a步骤：基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
的计算
[0047]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d＝130mm，步骤(1)中计算得到的卵形截面质心偏移量x0＝0.85mm，对基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
进行计算，即
[0048]dx
＝d-2x0＝128.3mm。
[0049]
b步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
的计算
[0050]
根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n＝4.125，有效高度h0＝330mm，及节距p＝h0/n＝80mm，丝径卵形截面的长半轴b＝7.5mm和短半轴a＝5.5mm，剪切模量g＝79.231gpa，泊松比μ＝0.3，步骤(1)中计算得到的升角α＝12.1493
°
和x0＝0.85mm，步骤(2)中计算得到的mw＝165.4mm.n，及a步骤中计算得到的d
x
＝128.3mm，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
进行计算，即
[0051][0052]
(4)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度k
xw
的计算：
[0053]
根据步骤(3)中计算得到的r
dxw
＝8.1362
×
10-2
mm/n，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度k
xw
进行计算，即
[0054][0055]
通过样机的ansys仿真和试验测试可知，本发明所提供的卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度的计算方法是正确的，可得到准确可靠的稳态横向刚度的计算值，为车辆悬架卵形截面丝径螺旋弹簧及其关键参数的设计，奠定了可靠的技术基础。利用该方法可提高产品的设计水平和性能；同时，还可降低产品的设计及试验费用，加快产品开发速度。

技术特征：
1.一种卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，其特征在于：丝径截面可看作是由半圆和半椭圆构成的卵形截面，即卵形截面丝径螺旋弹簧；根据卵形截面丝径螺旋弹簧的结构参数和材料特性参数，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度进行计算，计算步骤如下：(1)卵形截面丝径螺旋弹簧的升角和卵形截面质心偏移量x0的计算；(2)卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算；(3)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度rdxw的计算；(4)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度kxw的校核计算。2.根据权利要求1所述的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，其特征在于：所述的步骤(2)卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩mw的计算，i步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
的计算根据丝径卵形截面的长半轴b和短半轴a，泊松比μ，及权利要求1步骤(1)中计算得到的x0，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态弯矩系数k
mw
进行计算，即ii步骤：单位横向载荷下的稳态弯矩m
w
的计算根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n，有效高度h0，及i步骤中计算得到的k
mw
，对卵形截面丝径螺旋弹簧在单位横向载荷下的稳态弯矩m
w
进行计算，即3.根据权利要求1所述的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，其特征在于：所述的步骤(3)卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度rdxw的计算，a步骤：基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
的计算根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径d，权利要求1步骤(1)中计算得到的卵形截面质心偏移量x0，对基于卵形截面质心偏移量的螺旋弹簧有效中径d
x
进行计算，即d
x
＝d-2x0；b步骤：卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
的计算根据卵形截面丝径螺旋弹簧的有效圈数n，有效高度h0，节距p＝h0/n，丝径卵形截面的长半轴b和短半轴a，剪切模量g，泊松比μ，权利要求1步骤(1)中计算得到的升角α和x0，权利要求2中计算得到的m
w
，及a步骤中计算得到的d
x
，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向柔度r
dxw
进行计算，即

技术总结
本发明涉及一种卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算方法，属于螺旋弹簧技术领域。本发明可根据卵形截面丝径螺旋弹簧的结构参数和材料特性参数，即根据卵形截面丝径螺旋弹簧的中径，有效圈数，有效高度，丝径卵形截面的长半轴和短半轴，及弹性模量，泊松比和剪切模量，在对单位横向载荷下的稳态弯矩计算的基础上，对卵形截面丝径螺旋弹簧的稳态横向刚度进行计算。通过样机的ANSYS仿真和试验验证可知，利用方法可得到准确、可靠的卵形截面丝径螺旋弹簧稳态横向刚度的计算值，为卵形截面丝径螺旋弹簧及关键参数设计奠定了可靠的技术基础，从而提高产品设计水平和性能及可靠性；同时，还降低设计及试验费用，加快产品开发速度。度。度。


技术研发人员：周超 阚世超 刘富强 周长城 耿向明 王靖业
受保护的技术使用者：淄博市规划设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/12