外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形的计算方法

摘要

本发明外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形的计算方法，属于车辆驾驶室悬置技术领域。本发明可根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆及橡胶衬套的结构参数和材料特性参数与所承受载荷，通过扭管的等效线刚度，扭转橡胶衬套的载荷系数，橡胶衬套的径向刚度和组合等效线刚度，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的变形进行解析计算。通过实例计算及ANSYS仿真验证可知，利用方法可得到准确可靠的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形的计算值，为外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的解析设计及CAD设计软件的开发奠定了可靠的技术基础，从而提高稳定杆设计水平和产品性能及车辆行驶平顺性，降低设计及试验测试费用，加快产品开发速度。

主权项

外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形的计算方法，其中，外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统左右对称，稳定杆为筒式结构，内径d，外径D，长度为L_w，外偏置量为T，弹性模量E和泊松比μ；左右两摆臂看作为刚体，摆臂长度为l₁；橡胶套的内圆半径r_a，外圆半径r_b，长度L_x，弹性模量E_x和泊松比μ_x；悬架安装位置左右两橡胶衬套的间距为L_c；在外偏置非同轴式驾驶室稳定杆及橡胶衬套的结构参数、材料特性参数及所受载荷给定情况下，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形进行计算，具体计算步骤如下：(1)外偏置非同轴式稳定杆的扭管在悬置安装位置处的等效线性刚度K_T的计算：根据扭管长度L_w，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，对稳定杆的扭管在悬置安装位置处的等效线刚度K_T进行计算，即$K_T=\frac{\pi E(D^4-d^4)}{32(1+\mu ){(l_1+T)}^2{L}_W};$(2)橡胶衬套径向刚度K_x的计算：根据橡胶套的内圆半径r_a，外圆半径r_b，长度L_x，弹性模量E_x和泊松比μ_x，对驾驶室稳定杆系统的橡胶衬套径向刚度K_x进行计算，即$K_x=\frac{1}{u\left(r_b\right)+y\left(r_b\right)};$其中，$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_{2}K(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{5{\mathrm{\pi E}}_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2}),$$a_1=\frac{(1+{\mu }_x)\left[K\right(1,{\mathrm{\alpha r}}_a\left)r_a\right(r_a^2+3r_b^2)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b\left)r_b\right(3r_a^2+r_b^2\left)\right]}{5{\mathrm{\pi E}}_x{L}_x{\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_2=\frac{({\mu }_x+1)\left[I\right(1,{\mathrm{\alpha r}}_a\left)r_a\right(r_a^2+3r_b^2)-I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b\left)r_b\right(3r_a^2+r_b^2\left)\right]}{5{\mathrm{\pi E}}_x{L}_x{\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_3=-\frac{(1+{\mu }_x)(b_1-b_2+b_3)}{5{\mathrm{\pi E}}_x{L}_x{\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)](r_a^2+r_b^2)};$$b_1=[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(0,{\mathrm{\alpha r}}_a)+K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(0,{\mathrm{\alpha r}}_a)]r_a(r_a^2+3r_b^2),$$b_2=[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)K(0,{\mathrm{\alpha r}}_a)+K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)I(0,{\mathrm{\alpha r}}_a)]r_b(r_b^2+3r_a^2),$$b_3={\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)\ln r_a],$$\alpha =2\sqrt{15}/L_x,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；(3)外偏置非同轴式稳定杆的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F的计算：根据扭管长度L_W，泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，对外偏置非同轴式稳定杆的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F进行计算，即${\eta }_F=\frac{24(1+\mu )l_{1}T}{L_W^2};$(4)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统及摆臂变形位移量的计算：I外偏置非同轴式驾驶室稳定杆在摆臂悬置安装位置处的变形位移量f_C的计算：根据在摆臂的悬置安装位置处所施加载荷的F，步骤(1)中计算得到的扭管在悬置安装位置处的等效线刚度K_T，步骤(2)中计算得到的橡胶衬套的径向刚度K_x，及步骤(3)中计算得到的扭转橡胶衬套载荷系数η_F，对摆臂在悬置安装位置处的变形位移量f_C进行计算，即$f_C=\frac{F}{K_T}+{\eta }_F\frac{F}{K_X};$II外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的变形位移量f_ws的计算：根据在摆臂的悬置安装位置处所施加的载荷F，步骤(2)中计算得到的橡胶衬套的径向刚度K_x，及I步骤中计算得到的摆臂在悬置安装位置处的变形位移量f_C，利用位移叠加原理，对驾驶室稳定杆系统的变形位移量f_ws进行计算，即$f_{ws}=f_C+\frac{F}{K_X}$III外偏置非同轴式驾驶室稳定杆在摆臂最外端处的变形位移量f_A的计算：根据摆臂长度l₁，摆臂的悬置安装位置到最外端的距离Δl₁，及I步骤中计算得到的摆臂悬置安装位置处的变形位移量f_C，利用稳定杆系统及摆臂变形位移量的几何关系，对外偏置非同轴式稳定杆在摆臂最外端处的变形位移量f_A进行计算，即：$f_A=f_C\frac{(l_1+{\mathrm{\Delta l}}_1)}{l_1};$(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形计算的ANSYS仿真验证：根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的结构和材料特性参数，利用ANSYS有限元仿真软件，建立仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置安装位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量f_A；将仿真所得到的摆臂最外端的变形位移量的ANSYS仿真验证值f_A，与步骤(4)中的III步骤中计算所得到的计算值f_A进行比较，从而对本发明所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形的计算方法的正确性及计算结果的准确性进行验证。