[发明专利]外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径的设计方法

摘要

本发明涉及外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明可根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的结构和材料特性参数，利用稳定杆系统的侧倾角刚度与扭管的等效线刚度及橡胶衬套的等效组合线刚度之间的关系，建立橡胶套外圆半径的设计数学模型，并利用Matlab对其进行求解设计。通过设计实例及仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的橡胶套外圆半径的设计值。利用该方法，可在不增加产品成本的前提下，仅通过橡胶衬套外圆半径的调整设计，提高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

1.外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径的设计方法，其具体设计步骤如下：(1)驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度Kws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Lc，对该驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度Kws的设计要求值进行计算，即(2)外偏置非同轴式驾驶室扭管的等效线刚度KT的计算：根据扭管长度Lw，内径d，外径D，外偏置量T，弹性模量E和泊松比μ，及摆臂长度l1，对稳定杆的扭管在驾驶室悬置安装位置处的等效线刚度KT进行计算，即 K T = π E ( D 4 - d 4 ) 32 ( 1 + μ ) ( l 1 + T ) 2 L W ; ]]>(3)外偏置非同轴式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式Kx(rb)的建立：①建立橡胶衬套径向刚度表达式kx(rb)根据橡胶套的内圆半径ra，长度Lx，弹性模量Ex和泊松比μx，以橡胶套外圆半径rb为待设计参变量，建立稳定杆橡胶衬套的径向刚度表达式kx(rb)，即 k x ( r b ) = 1 u ( r b ) + y ( r b ) ; ]]>其中， y ( r b ) = a 1 I ( 0 , αr b ) + a 2 K ( 0 , αr b ) + a 3 + 1 + μ x 5 πE x L x ( ln r b + r b 2 r a 2 + r b 2 ) , ]]> a 1 = ( 1 + μ x ) [ K ( 1 , αr a ) r a ( r a 2 + 3 r b 2 ) - K ( 1 , αr b ) r b ( 3 r a 2 + r b 2 ) ] 5 πE x L x αr a r b [ I ( 1 , αr a ) K ( 1 , αr b ) - K ( 1 , αr a ) I ( 1 , αr b ) ] ( r a 2 + r b 2 ) , ]]> a 2 = ( μ x + 1 ) [ I ( 1 , αr a ) r a ( r a 2 + 3 r b 2 ) - I ( 1 , αr b ) r b ( 3 r a 2 + r b 2 ) ] 5 πE x L x αr a r b [ I ( 1 , αr a ) K ( 1 , αr b ) - K ( 1 , αr a ) I ( 1 , αr b ) ] ( r a 2 + r b 2 ) , ]]> a 3 = - ( 1 + μ x ) ( b 1 - b 2 + b 3 ) 5 πE x L x αr a r b [ I ( 1 , αr a ) K ( 1 , αr b ) - K ( 1 , αr a ) I ( 1 , αr b ) ] ( r a 2 + r b 2 ) ; ]]> b 1 = [ I ( 1 , αr a ) K ( 0 , αr a ) + K ( 1 , αr a ) I ( 0 , αr a ) ] r a ( r a 2 + 3 r b 2 ) , ]]> b 2 = [ I ( 1 , αr b ) K ( 0 , αr a ) + K ( 1 , αr b ) I ( 0 , αr a ) ] r b ( r b 2 + 3 r a 2 ) , ]]> b 3 = αr a r b [ I ( 1 , αr a ) K ( 1 , αr b ) - K ( 1 , αr a ) I ( 1 , αr b ) ] [ r a 2 + ( r a 2 + r b 2 ) ln r a ] , ]]> α = 2 15 / L x , ]]>Bessel修正函数I(0,αrb)，K(0,αrb)，I(1,αrb)，K(1,αrb)，I(1,αra)，K(1,αra)，I(0,αra)，K(0,αra)；②外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭转橡胶衬套的载荷系数ηF的计算根据扭管长度LW，泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l1，对扭转橡胶衬套的载荷系数ηF进行计算，即 η F = 24 ( 1 + μ ) l 1 T L W 2 ; ]]>③建立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表达式Kx(rb)根据①步骤中所建立的橡胶衬套的径向刚度表达式kx(rb)，及②步骤中计算得到的扭转橡胶衬套的载荷系数ηF，建立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表达式Kx(rb)，即 K X ( r b ) = k x ( r b ) 1 + η F ; ]]>(4)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径rb设计数学模型的建立及其设计：根据步骤(1)中计算得到的驾驶室稳定杆系统侧倾线刚度的设计要求值Kws，步骤(2)中计算得到的扭管的等效线刚度KT，及步骤(3)中的③步骤所建立的稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式Kx(rb)，建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径rb的设计数学模型，即KTKX(rb)-KwsKX(rb)-KwsKT＝0；利用Matlab程序，求解该步骤(4)中关于rb的方程，便可得到外偏置非同轴式驾驶室稳定杆橡胶套外圆半径rb的设计值；(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：I利用ANSYS有限元仿真软件，根据橡胶套外圆半径rb的设计值及该外偏置非同轴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fA；II根据所设计的橡胶套的外圆半径rb，橡胶衬套的其他结构及材料特性参数，利用步骤(3)中的①步骤所建立的橡胶衬套的径向刚度计算式kx(rb)，求得所设计橡胶衬套的径向刚度kx；III根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端的变形位移量fA，摆臂长度l1，摆臂的悬置安装位置到最外端的距离Δl1，稳定杆的悬置距离Lc，在摆臂的悬置安装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kx，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对所设计的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值进行计算，即 f C = l 1 f A l 1 + Δl 1 ; ]]> f w s = 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橡胶套外圆半径的设计方法的正确性及参数设计值的可靠性进行验证。