同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径的设计方法

摘要

本发明涉及同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据侧倾角刚度的设计要求值，稳定杆的结构、橡胶套的长度L_x及材料特性参数，对同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径d_x进行解析设计。通过实例计算及仿真验证可知，利用该方法可得到准确可靠的同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径d_x设计值，为驾驶室稳定杆系统设计及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同轴式驾驶室稳定杆系统的设计水平，而且可在不增加成本的情况下，仅通过橡胶衬套销轴直径d_x的调整设计，达到稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求，提高车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性；同时，还可降低设计及试验费用。

主权项

同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径的设计方法，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:根据稳定杆的悬置距离L_c，及驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值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)计算同轴式稳定杆在悬置位置处的线刚度K_w:根据扭管的长度L_w，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，及摆臂长度l₁，对同轴式驾驶室稳定杆系统在驾驶室悬置安装位置处的线刚度K_w进行计算，即$K_w=\frac{\mathrm{\pi E}(D^4-d^4)}{32(1+\mu )l_1^2{L}_w};$(3)确定以销轴直径d_x为参变量的橡胶衬套径向刚度表达式K_x(d_x)：根据橡胶套的厚度h_x，长度L_x，弹性模量E_x和泊松比μ_x，以销轴直径d_x为待设计参变量，则橡胶套的内圆半径r_a可表示为r_a＝d_x/2+δ，外圆半径r_b可表示为r_b＝d_x/2+δ+h_x，因此，以销轴直径d_x为参变量的橡胶衬套径向刚度表达式K_x(d_x)，可表示为：$K_x\left(d_x\right)=\frac{1}{u\left(d_x\right)+y\left(d_x\right)};$其中，$u\left(d_x\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}),$$y\left(d_x\right)=a_{1}I(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_{2}K(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{5\pi E_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2});$$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{(1+{\mu }_x)(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),$$b_3{=\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b\left[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)--K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)\right][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)\ln r_a],$$\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)；(4)橡胶衬套销轴直径d_x设计数学模型的建立及其设计:根据步骤(1)中所确定的K_ws，步骤(2)中计算得到的K_w，及步骤(3)中所确定的以销轴直径d_x为参变量的橡胶衬套径向刚度表达式K_x(d_x)，利用稳定杆系统刚度K_ws与稳定杆线刚度K_w及橡胶衬套径向刚度K_x(d_x)之间关系，建立同轴式驾驶室稳定杆系统的橡胶衬套销轴直径d_x设计数学模型，即(K_ws‑K_w)K_x(d_x)+K_wsK_w＝0；利用Matlab计算程序，求解上述关于d_x的方程，便可得到同轴式驾驶室稳定杆系统的橡胶衬套销轴直径d_x的设计值；(5)同轴式驾驶室稳定杆系统刚度的验算及ANSYS仿真验证：根据同轴式稳定杆的结构参数及所设计得到的驾驶室稳定杆系统的橡胶衬套销轴直径d_x，材料特性参数，橡胶衬套的结构参数和材料特性参数，通过施加一定载荷F及变形计算，对稳定杆系统的侧倾角刚度进行验算；同时，利用ANSYS仿真软件，建立与实施例相同参数的仿真模型，施加与计算验算中相同的载荷F，对所设计驾驶室稳定杆系统的变形、侧倾角和侧倾角刚度进行仿真验证，从而对本发明所提供的同轴式驾驶室稳定杆橡胶衬套销轴直径的设计方法进行验证。