内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂长度的设计方法

摘要

本发明涉及内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂长度的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据驾驶室对稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求，稳定杆系统的结构参数和材料特性参数，通过摆臂长度设计数学模型及Matlab程序，对内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂长度进行求解设计。通过设计实例及仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的稳定杆系统的摆臂长度设计值，为驾驶室悬置及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和质量，提高车辆的行驶平顺性和安全性；同时，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摆臂长度的设计方法，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：根据稳定杆系统的侧倾角刚度设计要求值悬置距离L_c，对该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)稳定杆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}),$$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,\alpha r_b)+a_{2}K(0,\alpha r_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{5\pi E_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2}),$$a_1=\frac{(1+{\mu }_x)[K(1,\alpha r_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-K(1,\alpha r_b)r_b(3r_a^2+r_b^2)]}{5\pi E_x{L}_x\alpha r_a{r}_b[I(1,\alpha r_a)K(1,\alpha r_b)-K(1,\alpha r_a)I(1,\alpha r_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_2=\frac{({\mu }_x+1)[I(1,\alpha r_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-I(1,\alpha r_b)r_b(3r_a^2+r_b^2)]}{5\pi E_x{L}_x\alpha r_a{r}_b[I(1,\alpha r_a)K(1,\alpha r_b)-K(1,\alpha r_a)I(1,\alpha r_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_3=-\frac{(1+{\mu }_x)(b_1-b_2+b_3)}{5\pi E_x{L}_x\alpha r_a{r}_b[I(1,\alpha r_a)K(1,\alpha r_b)-K(1,\alpha r_a)I(1,\alpha r_b)](r_a^2+r_b^2)};$$b_1=[I(1,\alpha r_a)K(0,\alpha r_a)+K(1,\alpha r_a)I(0,\alpha r_a)]r_a(r_a^2+3r_b^2),$$b_2=[I(1,\alpha r_b)K(0,\alpha r_a)+K(1,\alpha r_b)I(0,\alpha r_a)]r_b(r_b^2+3r_a^2),$$b_3=\alpha r_a{r}_b[I(1,\alpha r_a)K(1,\alpha r_b)-K(1,\alpha r_a)I(1,\alpha r_b)][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)\ln r_a],$$\alpha =2\sqrt{15}/L_x,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；(3)内偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度l₁设计数学模型的建立及求解设计：①确定扭转橡胶衬套的载荷系数的表达式β_F(l₁)根据扭管的长度L_W，内偏置量T，材料泊松比μ，以摆臂长度l₁为待设计参变量，确定扭转橡胶衬套的载荷系数表达式β_F(l₁)，即${\beta }_F\left(l_1\right)=\frac{24(1+\mu )(l_1-T)T}{L_W^2};$②确定内偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式K_x(l₁)根据扭管的内偏置量T，步骤(2)中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度k_x，及①步骤中所确定的扭转橡胶衬套的载荷系数β_F(l₁)表达式，以摆臂长度l₁为待设计参变量，确定内偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(l₁)，即$K_X\left(l_1\right)=\frac{k_{x}T}{l_1{\beta }_F\left(l_1\right)+T[1+{\beta }_F\left(l_1\right)]};$③确定内偏置非同轴式稳定杆的等效线刚度K_w(l₁)的表达式：根据扭管的长度L_w，内偏置量T，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，以摆臂长度l₁为待设计参变量，确定稳定杆在驾驶室悬置安装位置处的等效线刚度T_w(T)表达式，即$K_W\left(l_1\right)=\frac{\mathrm{\pi E}(D^4-d^4)}{32(1+\mu ){(l_1-T)}^2{L}_W};$④建立非同轴式驾驶室稳定杆的摆臂长度l₁设计数学模型并对其进行设计：根据步骤(1)中计算得到的稳定杆系统侧倾线刚度设计要求值K_ws，②步骤中所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式K_x(l₁)，③步骤中所确定的稳定杆的等效线刚度的表达式K_w(l₁)，建立非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度l₁设计数学模型，即K_wsK_w(l₁)+K_wsK_X(l₁)‑K_w(l₁)K_X(l₁)＝0；利用Matlab程序，求解上述关于l₁的方程，便可得到非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度l₁的设计值；(4)内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证：利用ANSYS有限元仿真软件，根据步骤(3)中设计所得到的摆臂长度l₁及稳定杆系统的其他结构参数和材料特性参数，建立ANSYS仿真模型，划分网格，并在摆臂悬置位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端处的变形位移量f_A；根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端处的变形位移量f_A，所设计的摆臂长度l₁，摆臂的悬置位置到最外端的距离Δl₁，稳定杆的悬置距离L_c，在摆臂悬置位置处所施加的载荷F，及步骤(2)中计算得到的橡胶衬套径向刚度k_x，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对内偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS验证值进行计算，即$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}}};$将该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摆臂长度的设计方法及参数设计值进行验证。