外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法技术

本发明专利技术涉及外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，属于驾驶室悬置技术领域。本发明专利技术可根据稳定杆系统的结构和参数，利用侧倾角刚度设计要求值与稳定杆的摆臂长度，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，建立摆臂长度的设计数学模型，并利用Matlab程序对其进行求解设计。通过设计实例及仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的摆臂长度设计值，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。

【技术实现步骤摘要】
外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法
本专利技术涉及车辆驾驶室悬置，特别是外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法。
技术介绍
驾驶室稳定杆系统的摆臂长度，不仅影响扭管的弯曲变形、扭转橡胶衬套的载荷及变形，而且对稳定杆系统的侧倾刚度具有重要影响。对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统，尽管只由摆臂、扭管和橡胶衬套所组成，但却是一个由刚体、弹性体及柔性体三者组成的耦合体，而且因扭管外偏置还存在扭转和弯曲的耦合，同时，由于橡胶衬套的刚度计算非常复杂，因此，对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计，一直未能给出可靠的解析设计方法。目前，国内外对于驾驶室稳定杆系统的设计，大都是利用ANSYS仿真软件，通过实体建模对给定结构的驾驶室稳定杆系统的特性进行仿真验证，尽管该方法可得到比较可靠的仿真数值，然而，由于ANSYS仿真分析只能对给定参数的稳定杆进行验证，无法提供精确的解析设计式，不能实现解析设计，更不能满足驾驶室稳定杆系统CAD软件开发的要求。随着车辆行业的快速发展及车辆行驶速度的不断提高，对驾驶室悬置及稳定杆系统设计提出了更高的要求，车辆制造厂家迫切需要驾驶室稳定杆系统CAD软件。因此，必须建立一种精确、可靠的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，满足驾驶室悬置及稳定杆系统设计的要求，提高产品设计水平和质量，提高车辆行驶平顺性和安全性；同时，降低设计及试验费用，加快产品开发速度。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种简便、可靠的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，其设计流程图如图1所示；外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的结构示意图如图2所示；稳定杆橡胶衬套的结构示意图如图3所示；稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系图如图4所示。为解决上述技术问题，本专利技术所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：(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)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(l1)：①橡胶衬套径向刚度kx的计算根据橡胶套的内圆半径ra，外圆半径rb，长度Lx，弹性模量Ex和泊松比μx，对驾驶室稳定杆橡胶衬套的径向刚度kx进行计算，即其中，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确定外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)根据扭管长度LW，泊松比μ，外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，确定扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)，即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的表达式Kx(l1)根据①步骤中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度kx，及②步骤中所建立的扭转橡胶衬套的载荷系数表达式ηF(l1)，以稳定杆摆臂长度l1为待设计参变量，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Kx(l1)的表达式，即(3)建立外偏置非同轴式驾驶室扭管的等效线刚度表达式KT(l1)：根据扭管长度Lw，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，及外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，建立外偏置非同轴式稳定杆的扭管在悬置安装位置处的等效线刚度KT(l1)表达式，即(4)建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度l1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Kws，步骤(2)中的③步骤所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式Kx(l1)，及步骤(3)中所确定的扭管的等效线刚度的表达式KT(l1)，建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的摆臂长度l1设计数学模型，即Kws[KT(l1)+KX(l1)]-KT(l1)KX(l1)＝0；利用Matlab程序，求解上述关于l1的方程，便可得到摆臂长度l1的设计量；(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，根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的摆臂长度设计值l1及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，仿真得到稳定杆系统在摆臂最外端A处的变形位移量fA；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，及步骤(2)中的①步骤中计算得到的橡胶衬套径向刚度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的侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值进行计算，即将该非同轴式驾驶室稳定杆系统的侧倾刚度设计要求值与ANSYS的仿真验证值进行比较，从而对所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法及参数设计值进行验证。本专利技术比现有技术具有的优点由于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统，是一个由刚体、弹性体及柔性体三者组成的耦合体，而且因扭管外偏置还存在扭转和弯曲的耦合，同时，由于橡胶衬套的刚度计算非常复杂，因此，对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计，一直未能给出可靠的解析设计方法。目前，国内外对于驾驶室稳定杆系统的设计，大都是利用ANSYS仿真软件，通过实体建模对给定结构的驾驶室稳定杆系统的特性进行仿真验证，尽管该方法可得到比较可靠的仿真数值，然而，由于ANSYS仿真分析只能对给定参数的稳定杆进行验证，无法提供精确的解析设计式，不能实现解析设计，更不能满足驾驶室稳定杆系统CAD软件开发的要求。随着车辆行业的快速发展及车辆行驶速度的不断提高，对驾驶室悬置及稳定杆系统设计提出了更高的要求，车辆制造厂家迫切需要驾驶室稳定杆系统CAD软件。本专利技术根据驾驶室稳定杆系统的结构及材料特性参数，利用侧倾角刚度设计要求值与稳定杆的摆臂长度，及与橡胶衬套的径向刚度kx，等效组合线刚度，扭转橡胶衬套的载荷系数及扭管的等效线刚度之间的关系，建立了外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计数学模型，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外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计值，为驾驶室悬置及稳定杆系统设计提供了可靠的设计方法，并且为驾驶室稳定杆系统CAD软件开发奠定了可靠的技术基础。利用该方法，可提高驾驶室悬置及稳定杆系统的设计水平、质量和性能，满足稳定杆侧倾角刚度的设计要求，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。为了更好地理解本专利技术，下面结合附图做进一步的说明。图1是外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计流程图；图2是外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的结构示意图；图3是橡胶衬套的结构示意图；图4是外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系图；图5是实施例一的扭管的等效线刚度KT随摆臂长度l1的变化曲线；图6是实施例一的稳定杆系统侧倾角本文档来自技高网...

【技术保护点】
外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，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)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(l1)：①橡胶衬套径向刚度kx的计算根据橡胶套的内圆半径ra，外圆半径rb，长度Lx，弹性模量Ex和泊松比μx，对驾驶室稳定杆橡胶衬套的径向刚度kx进行计算，即kx=1u(rb)+y(rb);]]>其中，u(rb)=1+μx2πExLx(lnrbra-rb2-ra2ra2+rb2),]]>y(rb)=a1I(0,αrb)+a2K(0,αrb)+a3+1+μx5πExLx(lnrb+rb2ra2+rb2),]]>a1=(1+μx)[K(1,αra)ra(ra2+3rb2)-K(1,αrb)rb(3ra2+rb2)]5πExLxαrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)](ra2+rb2),]]>a2=(μx+1)[I(1,αra)ra(ra2+3rb2)-I(1,αrb)rb(3ra2+rb2)]5πExLxαrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)](ra2+rb2),]]>a3=-(1+μx)(b1-b2+b3)5πExLxαrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)](ra2+rb2);]]>b1=[I(1,αra)K(0,αra)+K(1,αra)I(0,αra)]ra(ra2+3rb2),]]>b2=[I(1,αrb)K(0,αra)+K(1,αrb)I(0,αra)]rb(rb2+3ra2),]]>b3=αrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)][ra2+(ra2+rb2)lnra],]]>α=215/Lx,]]>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确定外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)根据扭管长度LW，泊松比μ，外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，确定扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)，即ηF(l1)=24(1+μ)Tl1LW2;]]>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的表达式Kx(l1)根据①步骤中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度kx，及②步骤中所建立的扭转橡胶衬套的载荷系数表达式ηF(l1)，以稳定杆摆臂长度l1为待设计参变量，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Kx(l1)的表达式，即Kx(l1)=kx1+ηF(l1);]]>(3)建立外偏置非同轴式驾驶室扭管的等效线刚度表达式KT(l1)：根据扭管长度Lw，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，及外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，建立外偏置非同轴式稳定杆的扭管在悬置安装位置处的等效线刚度KT(l1)表达式，即KT(l1)=πE(D4-d4)32LW(1+μ)(l1+T)2;]]>(4)建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度l1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Kws，步骤(2)中的③步骤所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式Kx(l1)，及步骤(3)中所确定的扭管的等效线刚度的表达式KT(l1)，建立外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的摆臂长度l1设计数学模型，即Kws[KT(l1)+KX(l1)]‑KT(l1)KX(l1)＝0；利用Matlab程序，求解上述关于l1的方程，便可得到摆臂长度l1的设计量；(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，根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的摆臂长度设计值l1及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...

【技术特征摘要】
1.外偏置非同轴式驾驶室稳定杆摆臂长度的设计方法，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)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(l1)：①橡胶衬套径向刚度kx的计算根据橡胶套的内圆半径ra，外圆半径rb，长度Lx，弹性模量Ex和泊松比μx，对驾驶室稳定杆橡胶衬套的径向刚度kx进行计算，即其中，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确定外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)根据扭管长度LW，泊松比μ，外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，确定扭转橡胶衬套载荷系数的表达式ηF(l1)，即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的表达式Kx(l1)根据①步骤中计算所得到的橡胶衬套的径向刚度kx，及②步骤中所建立的扭转橡胶衬套的载荷系数表达式ηF(l1)，以稳定杆摆臂长度l1为待设计参变量，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Kx(l1)的表达式，即(3)建立外偏置非同轴式驾驶室扭管的等效线刚度表达式KT(l1)：根据扭管长度Lw，内径d，外径D，弹性模量E和泊松比μ，及外偏置量T，以摆臂长度l1为待设计参变量，建立外偏置非同轴式稳定杆的扭管在悬置安装位置处的等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长城，于曰伟，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37