外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径的设计方法

摘要

本发明涉及外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据驾驶室侧倾角刚度的设计要求值，稳定杆系统的结构参数和材料特性参数，通过橡胶衬套的径向刚度、等效组合线刚度及扭转橡胶衬套的载荷系数，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径进行解析设计。通过设计实例及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径设计值，为稳定杆系统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，可提高驾驶室悬置及稳定杆系统的设计水平、质量和性能，提高车辆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

外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径的设计方法，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的设计要求值的计算：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)外偏置非同轴式驾驶室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，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F进行计算，即${\eta }_F=\frac{24(1+\mu )l_{1}T}{L_W^2};$(3)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度K_x的计算：①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}),$$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,\alpha r_b)+a_{2}K(0,r_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{5\pi E_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{{r_b}^2}{{r_a}^2+{r_b}^2}),$$a_1=\frac{(1+{\mu }_x)[K(1,\alpha r_a)r_a({r_a}^2+3{r_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)},$$a_2=\frac{({\mu }_x+1)[I(1,\alpha r_a)r_a({r_a}^2+3{r_b}^2)-I(1,\alpha r_b)r_b({{3r}_a}^2+{r_b}^2)]}{5\pi E_x{L}_x\alpha r_a{r}_b[I(1,\alpha r_a)K(1,\alpha r_b)-K(1,\alpha r_a)I(1,\alpha r_b)]({r_a}^2+{r_b}^2)},$$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)};$$b_1=[I(1,\alpha r_a)K(0,\alpha r_a)+K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(0,\alpha r_a)]r_a({r_a}^2+3{r_b}^2),$$b_2=[I(1,\alpha r_b)K(0,\alpha r_a)+K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)I(0,\alpha r_a)]r_b({r_b}^2+3{r_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,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；②外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度K_x的计算根据①步骤中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度k_x，及步骤(2)中计算得到的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F，对稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度K_x进行计算，即$K_X=\frac{k_x}{1+{\eta }_F};$(4)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管内径d的设计：根据扭管长度L_w，外径D，弹性模型E和泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，步骤(1)中计算所得到的驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度的设计要求值K_ws，步骤(2)中计算得到的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F，及步骤(3)中计算得到的稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度K_x，建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管内径d的设计数学模型，并对其进行设计，即$d=\sqrt[4]{\frac{[K_X-K_{\mathrm{ws}}(1+{\eta }_F)]\pi {\mathrm{ED}}^4+K_{\mathrm{ws}}{K}_{X}32(1+\mu ){(l_1+T)}^2{L}_W}{\mathrm{\pi E}[K_X-K_{\mathrm{ws}}(1+{\eta }_F)]}};$同时，可得扭管壁厚h的设计值，即h＝(D‑d)/2；(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证：利用ANSYS有限元仿真软件，根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管内径d的设计值及其他结构参数和材料特性参数，建立相应的ANSYS仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置安装位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量f_A；根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端的变形位移量f_A，摆臂长度l₁，摆臂悬置安装位置到最外端的距离Δl₁，稳定杆的悬置距离L_c，在摆臂的悬置安装位置处所施加的载荷F，及步骤(3)中的①步骤计算得到的橡胶衬套径向刚度k_x，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度的ANSYS仿真验算值，进行计算，即$f_C=\frac{l_1{f}_A}{l_1+\Delta l_1};$f_ws＝f_C+F/k_x；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外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管内径的设计方法及参数设计值进行验证。