内偏置式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚的设计方法

摘要

本发明涉及内偏置式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据内偏置式驾驶室稳定杆系统的结构参数和材料特性参数，利用侧倾角刚度与稳定杆的等效线刚度、橡胶衬套的径向刚度和等效组合线刚度及内圆套筒壁厚之间的关系，建立内圆套筒壁厚的设计数学模型，并利用Matlab对其求解设计。通过实例设计及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的内偏置式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚的设计值，为稳定杆系统提供了可靠的设计方法。利用该方法可在不增加成本前提下，提高稳定杆系统的设计水平和性能，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

内偏置式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚的设计方法，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：根据稳定杆的侧倾角刚度设计要求值悬置距离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)内偏置式稳定杆的等效线刚度K_T的计算：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，及摆臂长度l₁，对内偏置式稳定杆在驾驶室悬置安装位置处的等效线刚度K_T进行计算，即$K_T=\frac{\mathrm{\pi E}(D^4-d^4)}{32(1+\mu ){(l_1-T)}^2{L}_W};$(3)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)内偏置式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(δ)建立：①建立橡胶衬套的径向刚度表达式k_x(δ)：根据橡胶套的长度L_x，外圆半径r_b，弹性模量E_x和泊松比μ_x，内圆套筒的内圆直径d_x，以内圆套筒壁厚δ为参变量，则橡胶套的内圆半径r_a可表示为橡胶衬套的径向刚度可表达为k_x(δ)，即$k_x\left(\delta \right)=\frac{1}{u\left(\delta \right)+y\left(\delta \right)};$其中，$u\left(\delta \right)=[1n\frac{r_b}{(\frac{d_x}{0}+\delta )}-\frac{r_b^2-{(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2}{(\frac{d_x}{2}+\delta )+r_b^2}]\frac{1+{\mu }_x}{2\pi E_x}{L}_x,$$y\left(\delta \right)=a_1\left(\delta \right)I(0,{\alpha }_b)+a_2\left(\delta \right)K(0,{\alpha }_b)+a_3\left(\delta \right)+\frac{1+{\mu }_x}{5\pi E_x{L}_x}[1n{r}_b+\frac{r_b^2}{{(d_x/2+\delta )}^2+r_b^2}],$$a_1\left(\delta \right)=\frac{(1-{\mu }_x)[K(1,\alpha (\frac{d_x}{2}+\delta ))(\frac{d_x}{2}+\delta )({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+{3r}_b^2)-K(1,{\alpha }_b)r_b(3{(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+r_b^2)]}{5\pi E_x{L}_x{\alpha }_{\mathrm{ab}}[I(1,{\alpha }_a)K(1,{\mathrm{ar}}_b)-K(1,{\alpha }_a)I(1,{\alpha }_b)]({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+r_b^2)},$$a_2\left(\delta \right)=\frac{({\mu }_x+1)[I(1,{\alpha }_a)(\frac{d_x}{2}+\delta )({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+{3r}_b^2)-I(1,{\alpha }_b)r_b(3{(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+r_b^2)]}{5\pi E_x{L}_x{\alpha }_{\mathrm{ab}}[I(1,{\alpha }_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\alpha }_a)I(1,{\alpha }_b)]({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+r_b^2)},$$a_3\left(\delta \right)=-\frac{(1+{\mu }_x)(b_1\left(\delta \right)-b_2\left(\delta \right)+b_3\left(\delta \right))}{5\pi E_x{L}_x{\alpha }_{\mathrm{ab}}[I(1,{\alpha }_a)K(1,{\alpha }_b)-K(1,{\alpha }_b)I(1,{\alpha }_b)]({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+r_b^2)};$$b_1\left(\delta \right)=[I(1,{\alpha }_a)K(0,{\alpha }_a)+K(1,{\alpha }_a)I(0,{\alpha }_a)](\frac{d_x}{2}+\delta )({(\frac{d_x}{2}+\delta )}^2+{3r}_b^2),$$b_2\left(\delta \right)=[I(1,{\alpha }_b)K(0,{\alpha }_a)+K(1,{\alpha }_b)I(0,{\alpha }_a)]r_b(r_b^2+3{(\frac{d}{2}+\delta )}^2),$$b_3\left(\delta \right)={\alpha }_{\mathrm{ab}}[I(1,{\alpha }_a)K(1,{\alpha }_b)-K(1,{\alpha }_a)I(1,{\alpha }_b)][{(\frac{d}{2}+\delta )}^2+({(\frac{d}{2}+\delta )}^2+r_b^2)\ln (\frac{d}{2}+\delta )],$Bessel修正函数I(0,α_b)，K(0,α_b)，I(1,α_b)，K(1,α_b)，I(1,α_a)，K(1,α_a)，I(0,α_a)，K(0,α_a)；$\alpha =2\sqrt{15}/L_x,{\alpha }_a=\alpha (\frac{d}{2}+\delta ),{\alpha }_b={\mathrm{\alpha r}}_b,{\alpha }_{\mathrm{ab}}=\alpha (\frac{d}{2}+\delta )r_b;$②建立内偏置式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式Kx(δ)：根据摆臂长度l₁，扭管的内偏置量T，①步骤中所建立的橡胶衬套径向刚度表达式k_x(δ)，及步骤(3)中计算得到的扭转橡胶衬套的载荷系数β_F，建立稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(δ)，即$K_X\left(\delta \right)=\frac{k_X\left(\delta \right)T}{{\beta }_F{l}_1+(1+{\beta }_F)T};$(5)稳定杆橡胶衬套的内圆套筒壁厚δ设计数学模型的建立及设计：根据步骤(1)中计算得到的驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度设计要求值K_ws，步骤(2)中计算得到的稳定杆的等效线刚度K_T，及步骤(4)中所建立的稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(δ)，建立稳定杆橡胶衬套的内圆套筒壁厚δ的设计数学模型，即K_TK_X(δ)‑K_wsK_X(δ)‑K_TK_ws＝0；利用Matlab程序，求解上述关于δ的方程，便可得到内偏置式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚δ的设计量，且橡胶套的内圆半径(6)内偏置式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证：I利用ANSYS有限元仿真软件，根据设计得到的橡胶衬套的内圆套筒壁厚δ和橡胶套的内圆半径r_a，及该内偏置式驾驶室稳定杆系统的其他结构参数和材料特性参数，建立相应的ANSYS仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量f_A；II根据步骤(5)中设计得到的内圆套筒壁厚δ和橡胶套的内圆半径r_a，及橡胶衬套的其他结构参数和材料特性参数，利用步骤(4)中的①步骤中的径向刚度计算式，计算得到所设计橡胶衬套的径向刚度k_x；III根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端的变形位移量f_A，摆臂长度l₁，摆臂的悬置位置到最外端的距离Δl₁，稳定杆的悬置距离L_c，在摆臂悬置位置处所施加的载荷F，及II步骤中计算得到的橡胶衬套的径向刚度k_x，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对内偏置式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值，进行计算，即$f_c=\frac{l_1{f}_A}{l_1+\Delta l_1};$$f_{\mathrm{ws}}=f_c+\frac{F}{k_x};$$K_{\mathrm{ws}}=\frac{F}{f_{\mathrm{ws}}};$将该内偏置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式驾驶室稳定杆橡胶衬套内圆套筒壁厚的设计方法及参数设计值进行验证。