内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径的设计方法

摘要

本发明涉及内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明通过橡胶衬套的径向刚度、扭转橡胶衬套的载荷系数，利用稳定杆系统侧倾角刚度及线性刚度，与稳定杆结构和橡胶衬套径向刚度之间的关系，建立了扭管外径设计数学模型及解析设计方法。通过设计实例及仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的扭管外径设计值，为驾驶室悬置及内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的设计提供了可靠的设计方法，并且为CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，不仅可提高驾驶室悬置及稳定杆系统的设计水平，降低驾驶室侧倾和浮仰运动，提高车辆的行驶平顺性和安全性，还可降低设计及试验费用，加快产品开发速度。

主权项

内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径的设计方法，其具体设计步骤如下：(1)驾驶室稳定杆系统侧倾线刚度K_ws设计要求值的计算：根据驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度设计要求值稳定杆的悬置距离L_c，对驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度K_ws的设计要求值进行计算，即(2)橡胶衬套的径向刚度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，对稳定杆橡胶衬套的径向刚度k_x进行计算，即$k_x=\frac{1}{u\left(r_b\right)+y\left(r_b\right)};$其中，$u\left(r_b\right)=\frac{1+{\mu }_x}{2\pi E_x{L}_x}(\ln \frac{r_b}{r_a}-\frac{r_b^2-r_a^2}{r_a^2+r_b^2}),$$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_{2}K(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{5\pi E_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2}),$$a_1=\frac{(1+{\mu }_x)[K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)r_b({3r}_a^2+r_b^2)]}{5\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)},$$a_2=\frac{({\mu }_x+1)[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)r_b({3r}_a^2+r_b^2)]}{5\pi E_x{L}_x{\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_3=-\frac{\left({1+\mu }_x\right)(b_1-b_2+b_3)}{5\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),$$b_3={\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)\ln r_a],$$\alpha =2\sqrt{15}/L_x,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；(3)内偏置非同轴式驾驶室扭转橡胶衬套的载荷系数β_F的计算：根据扭管的长度L_W，材料泊松比μ，内偏置量T，及摆臂长度l₁，对扭转橡胶衬套的载荷系数β_F进行计算，即${\beta }_F=\frac{24(1+\mu )(l_1-T)T}{L_W^2};$(4)内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统橡胶衬套的等效组合线刚度K_x的解析计算：根据摆臂长度l₁，扭管的内偏置量T，步骤(2)中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度k_x，及步骤(3)中计算得到的扭转橡胶衬套的载荷系数β_F，对驾驶室稳定杆系统橡胶衬套的等效组合线刚度K_x进行计算，即$K_X=\frac{k_{X}T}{{\beta }_F{l}_1+(1+{\beta }_F)T};$(5)内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径D的设计：根据扭管的长度L_w，内径d，内偏置量T，弹性模型E和泊松比μ，摆臂长度l₁，步骤(1)中计算所得到的驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度的设计要求值K_ws，及步骤(4)中计算得到的驾驶室稳定杆系统橡胶衬套的等效组合线刚度K_x，建立扭管外径D设计数学模型，并对其进行设计，即$D=\sqrt[4]{\frac{(K_{\mathrm{ws}}-K_X){\mathrm{\pi Ed}}^4-K_{\mathrm{ws}}{K}_{X}32(1+\mu ){(l_1-T)}^2{L}_W}{(K_{\mathrm{ws}}-K_X)\mathrm{\pi E}}};$(6)内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统刚度的ANSYS仿真验证：利用ANSYS有限元仿真软件，根据内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径D的设计值及其他结构参数和材料特性参数，建立ANSYS仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量f_A；根据ANSYS仿真所得到的稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量f_A，摆臂长度l₁，摆臂的悬置位置到最外端的距离Δl₁，稳定杆的悬置距离L_c，在摆臂的悬置位置处施加的载荷F，及步骤(2)中计算得到的橡胶衬套径向刚度k_x，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值，进行计算，即$f_C=\frac{l_1{f}_A}{l_1+\Delta l_1};$f_ws＝f_C+F/k_x；$K_{\mathrm{ws}}=\frac{F}{f_{\mathrm{ws}}};$将仿真所得到的内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值与设计要求值进行比较，从而对本发明所提供的内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外径的设计方法及参数设计值进行验证。