同轴式驾驶室稳定杆直径的设计方法

摘要

本发明涉及同轴式驾驶室稳定杆直径的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据驾驶室对稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求，同轴式稳定杆系统的结构参数、扭管的内外径之比和材料特性参数，橡胶衬套的结构参数和材料特性参数，对同轴式驾驶室稳定杆直径进行解析设计。通过设计实例及仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的同轴式驾驶室稳定杆直径的设计值，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，不仅可提高同轴式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

同轴式驾驶室稳定杆直径的设计方法，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，及稳定杆系统侧倾角刚度的设计所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)驾驶室稳定杆橡胶衬套径向刚度K_x的解析计算：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\mathrm{\pi E}}_x{L}_x}(1n\frac{r_b}{r_a}-\frac{r_b^2-r_a^2}{r_a^2+r_b^2}),$$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_{2}K(0,{\mathrm{\alpha r}}_b)+a_3+\frac{1+{\mu }_x}{{5\mathrm{\pi E}}_x{L}_x}(1n{r}_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2}),$$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\mathrm{\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)},$$a_2=\frac{({\mu }_x+1)[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)r_a(r_a^2+{3r}_b^2)-I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)r_b({3r}_a^2+r_b^2)]}{{5\mathrm{\pi E}}_x{L}_x{\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_3=\frac{(1+{\mu }_x)(b_1-b_2+b_3)}{{5\mathrm{\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),$$b_3={\mathrm{\alpha r}}_a{r}_b[I(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)K(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)-K(1,{\mathrm{\alpha r}}_a)I(1,{\mathrm{\alpha r}}_b)][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)1n{r}_a],$$\alpha =2\sqrt{15}/L_x,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；(3)对同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管的内、外径d和D进行设计：根据摆臂长度l₁，扭管的一半长度l₂，内、外径之比k_d，材料的弹性模型E和泊松比μ，步骤(1)中计算所得到的K_ws，及步骤(2)中计算得到的K_x，对同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管的外径D进行设计，即$D=\sqrt[4]{\frac{K_{\mathrm{ws}}{K}_{x}64(1+\mu )l_1^2{l}_2}{\mathrm{\pi E}(1-k_d^4)(K_x-K_{\mathrm{ws}})}};$根据设计所得到的扭管的外径D，及内、外径之比k_d，对同轴式驾驶室稳定杆的扭管的内径d进行设计，即d＝k_dD；(4)同轴式驾驶室稳定杆系统刚度的验算及ANSYS仿真验证：①根据摆臂长度l₁，扭管的一半长度l₂，弹性模型E和泊松比μ，及步骤(3)中所得到的扭管的内径d和外径D，对稳定杆的线刚度进行计算，即$K_w=\frac{\mathrm{\pi E}(D^4-d^4)}{64(1+\mu )l_1^2{l}_2};$根据计算得到的K_w，稳定杆的悬置距离L_c，步骤(2)中计算得到的K_x，对该稳定杆系统的线刚度K_ws和侧倾角刚度分别进行验算，即$K_{\mathrm{ws}}=\frac{K_x{K}_w}{K_w+K_x};$②在摆臂悬置位置处施加载荷F，且在不考虑驾驶室悬置弹簧刚度的情况下，根据①步骤中计算所得到的线刚度K_ws，对摆臂在悬置位置处的变形位移f_wsC进行计算，即f_wsC＝F/K_ws；根据稳定杆的悬置距离L_c，摆臂长度l₁，及摆臂在悬置位置处到最外端处之间的距离Δl₁，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，计算得到：摆臂在最外端处的变形位移驾驶室的侧倾角度驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度③利用ANSYS有限元仿真软件，根据稳定杆系统的结构及材料特性参数，建立仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置位置处施加与②步骤相同的载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到摆臂在最外端处的最大变形f_wsA；根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端处的最大变形f_wsA，摆臂长度l₁，摆臂在悬置位置处到最外端处之间的距离Δl₁，及稳定杆的悬置距离L_c，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，计算得到：摆臂在悬置位置处的变形位移驾驶室的侧倾角度驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度④将②步骤中计算得到的f_wsC、f_wsA、和的值，与③步骤仿真计算所得到的f_wsC、f_wsA、和值进行比较，从而对本发明所提供的同轴式驾驶室稳定杆直径的设计方法的准确性及参数设计值的可靠性进行验证。