[发明专利]外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计方法

摘要

本发明涉及外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆及橡胶衬套的结构和材料特性参数，以扭管外偏置为参变量，通过稳定杆系统侧倾线刚度，与橡胶衬套的等效组合线刚度及扭管的等效线刚度之间的关系，建立了扭管外偏置量的设计数学模型，并利用Matlab程序对其进行求解设计。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扭管外偏置量设计值。利用该方法，可在不增加产品成本的前提下，仅通过扭管外偏置量的设计，提高稳定杆系统的设计水平，满足稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求，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。

主权项

外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计方法，其具体设计步骤如下：(1)驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度K_ws设计要求值的计算：根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)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K_x(T)：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+{\mathrm{\μ}}_x}{2\mathrm{\π}{E}_x{L}_x}(\ln \frac{r_b}{r_a}-\frac{r_b^2-r_a^2}{r_a^r+r_b^2}),$$y\left(r_b\right)=a_{1}I(0,\mathrm{\α}{r}_b)+a_{2}K(0,\mathrm{\α}{r}_b)+a_3+\frac{1+{\mathrm{\μ}}_x}{5\mathrm{\π}{E}_x{L}_x}(\ln r_b+\frac{r_b^2}{r_a^2+r_b^2}),$$a_1=\frac{(1+{\mathrm{\μ}}_x)[K(1,\mathrm{\α}{r}_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-K(1,\mathrm{\α}{r}_b)r_b(3r_a^2+r_b^2)]}{5\mathrm{\π}{E}_x{L}_x\mathrm{\α}{r}_a{r}_b[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)K(1,\mathrm{\α}{r}_b)-K(1,\mathrm{\α}{r}_a)I(1,\mathrm{\α}{r}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_2=\frac{({\mathrm{\μ}}_x+1)[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)r_a(r_a^2+3r_b^2)-I(1,\mathrm{\α}{r}_b)r_b(3r_a^2+r_b^2)]}{5\mathrm{\π}{E}_x{L}_x\mathrm{\α}{r}_a{r}_b[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)K(1,\mathrm{\α}{r}_b)-K(1,\mathrm{\α}{r}_a)I(1,\mathrm{\α}{r}_b)](r_a^2+r_b^2)},$$a_3=-\frac{(1+{\mathrm{\μ}}_x)(b_1-b_2+b_3)}{5E_x{L}_x\mathrm{\α}{r}_a{r}_b[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)K(1,\mathrm{\α}{r}_b)-K(1,\mathrm{\α}{r}_a)I(1,\mathrm{\α}{r}_b)](r_a^2+r_b^2)};$$b_1=[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)K(0,\mathrm{\α}{r}_a)+K(1,\mathrm{\α}{r}_a)I(0,\mathrm{\α}{r}_a)]r_a(r_a^2+3r_b^2),$$b_2=[I(1,\mathrm{\α}{r}_b)K(0,\mathrm{\α}{r}_a)+K(1,\mathrm{\α}{r}_b)I(0,\mathrm{\α}{r}_a)]r_b(r_b^2+3r_b^2),$$b_3=\mathrm{\α}{r}_a{r}_b[I(1,\mathrm{\α}{r}_a)K(1,\mathrm{\α}{r}_b)-K(1,\mathrm{\α}{r}_a)I(1,\mathrm{\α}{r}_b)][r_a^2+(r_a^2+r_b^2)\ln r_a],$$\mathrm{\α}=2\sqrt{15}/L_x,$Bessel修正函数I(0,αr_b)，K(0,αr_b)，I(1,αr_b)，K(1,αr_b)，I(1,αr_a)，K(1,αr_a)，I(0,αr_a)，K(0,αr_a)；②外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套的载荷系数表达式η_F(T)的确定根据扭管长度L_W，泊松比μ，及摆臂长度l₁，以扭管的外偏置量T为待设计参变量，确定扭转橡胶衬套的载荷系数表达式η_F(T)，即${\mathrm{\η}}_F\left(T\right)=\frac{24(1+\mathrm{\μ})l_{1}T}{L_w^2};$③建立外偏置非同轴式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(T)根据①步骤中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度k_x，及②步骤中所建立的扭转橡胶衬套的载荷系数η_F(T)表达式，以扭管的外偏置量T为待设计参变量，确定外偏置非同轴式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式K_x(T)，即$K_x\left(T\right)=\frac{k_x}{1+{\mathrm{\η}}_F\left(T\right)};$(3)建立外偏置非同轴式驾驶室扭管的等效线刚度表达式K_T(T)：根据扭管长度L_w，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，以扭管的外偏置量T为待设计参变量，建立外偏置非同轴式稳定杆的扭管在驾驶室悬置安装位置处的等效线刚度表达式K_T(T)，即$K_T\left(T\right)=\frac{\mathrm{\πE}(D^4-d^4)}{32(1+\mathrm{\μ}){(l_1+T)}^2{L}_W};$(4)建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆扭管外偏置量T的设计数学模型并对其进行设计：根据步骤(1)中计算得到的稳定杆系统侧倾线刚度设计要求值K_ws，步骤(2)中所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式K_x(T)，及步骤(3)中所确定的扭管的等效线刚度的表达式K_T(T)，建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆扭管外偏置量T的设计数学模型，即K_ws[K_T(T)+K_X(T)]‑K_T(T)K_X(T)＝0；利用Matlab程序，求解上述关于T的方程，便可得到扭管外偏置量T的设计值；(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证：利用ANSYS有限元仿真软件，根据设计得到的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的外偏置量T及其他结构参数和材料特性参数，建立相应的ANSYS仿真模型，划分网格，并在摆臂的悬置安装位置处施加载荷F，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，得到稳定杆系统在摆臂最外端处的变形位移量f_A；根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端的变形位移量f_A，摆臂长度l₁，摆臂的悬置安装位置到最外端的距离Δl₁，稳定杆的悬置距离L_c，在摆臂的悬置安装位置处施加的载荷F，及步骤(2)中的①步骤中计算得到的橡胶衬套径向刚度k_x，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值，进行计算，即$f_C=\frac{l_1{f}_A}{l_1+\mathrm{\Δ}{l}_1};$$f_{\mathrm{ws}}=f_C+\frac{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外偏置量的设计方法及参数设计值进行验证。