CN104239638B - 悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法 - Google Patents

悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，属于车辆悬架技术领域。先前国内、外对于橡胶衬套安装间距一直未能给出可靠的设计方法。本发明其特征在于：以橡胶衬套安装间距为待设计参变量，根据稳定杆系统的侧倾角刚度设计要求值，车辆的轮距，稳定杆和橡胶衬套的结构及材料特性参数，建立了橡胶衬套安装间距的优化设计数学模型，利用Matlab程序便可得到橡胶衬套安装间距的优化设计值。利用该方法可提高稳定杆的设计水平和性能，即仅通过对橡胶衬套安装位置的优化设计，便可使稳定杆系统达到侧倾角刚度的设计要求，提高车辆行驶平顺性和操纵安全性；同时，利用该方法可降低设计和试验费用及生产成本，提高企业的经济效益。

Description

悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法
技术领域
本发明涉及车辆悬架稳定杆，特别是悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法。
背景技术
悬架系统的侧倾角刚度不仅受稳定杆的结构、直径大小的影响，同时还受橡胶衬套的长度、内圆半径、外圆半径、材料特性及安装位移等因素的影响，在其他参数不变的前提下，两橡胶衬套的安装间距对稳定杆的侧倾角刚度具有重要的影响。然而，由于受橡胶衬套径向变形和稳定杆端部垂向位移变形解析计算理论及相互耦合影响等关键问题的制约，对于稳定杆直径及橡胶衬套安装距离的设计，目前国内、外一直未能给出可靠的解析设计方法。目前国内、外学者大都是利用仿真分析软件，对横向稳定杆系统变形及刚度进行数值仿真分析，但是，利用仿真分析软件，只能对给定结构和载荷情况下的稳定杆系统变形及刚度进行仿真验证，无解析计算式，不能满足稳定杆系统解析设计及现代化CAD设计的要求。
随着车辆行业的快速发展及行驶速度的提高，对悬架稳定杆系统的设计提出了更高的设计要求。如何在其它结构和参数保持不变的情况下，仅通过对橡胶衬套安装间距的优化设计，便可使稳定杆系统达到侧倾角刚度的设计要求，是目前企业迫切需要解决的技术问题。因此，必须建立一种精确、可靠的悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，提高车辆悬架设计的水平，增强企业的核心竞争实力，在不增加生产成本的前提下，通过橡胶衬套安装间距的优化设计，便可确保稳定杆系统的侧倾角刚度达到设计要求，提高车辆行驶平顺性和安全性，减少车辆侧翻事故；同时，降低设计和试验费用及生产成本，提高企业经济效益。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种简便、可靠的悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，其设计流程图如图1所示，稳定杆结构示意图如图2所示。
为解决上述技术问题，本发明所提供的悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，其特征在于采用以下步骤。
(1)橡胶衬套径向线刚度Kx的计算：
根据橡胶衬套的内圆半径ra，外圆半径rb，轴向长度L，弹性模量Ex，泊松比μx，对橡胶衬套的径向线刚度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)建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式：
以两橡胶衬套之间的安装距离l0作为待设计参量，根据横向稳定杆的总长度lc，臂长l1，过渡圆弧的圆心角θ，圆弧半径R，材料弹性模量E和泊松比μ，建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式，即：
其中，Gw(l0)是关于两橡胶衬套之间的安装距离l0的表达式；
G4＝-32(μ+1)[R(cosθ-1)-l1sinθ]2[2l1cosθ-lc+2Rsinθ]；
(3)橡胶衬套安装间距l0优化设计数学模型的建立及设计：
根据前桥或后桥的轮距B，稳定杆的直径d，总长度lc，稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值步骤(1)中计算所得到的橡胶衬套的径向线刚度Kx，步骤(2)中所建立的稳定杆端部变形系数Gw的表达式，以橡胶衬套安装间距l0作为待设计量，建立橡胶衬套安装间距l0的优化设计数学模型，即：
利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到满足稳定杆系统侧倾角刚度设计要求的橡胶衬套安装间距l0的优化设计值。
本发明比现有技术具有的优点：
由于受橡胶衬套径向变形和稳定杆端部垂向位移变形解析计算理论及相互耦合影响等关键问题的制约，目前国内、外对于稳定杆直径及橡胶衬套安装间距的设计，一直未能给出可靠的解析设计方法，大都是利用ANSYS仿真分析软件，对横向稳定杆系统变形及刚度进行数值仿真分析，但是，该方法只能对给定结构和载荷情况下的稳定杆系统变形及刚度进行仿真验证，无解析计算式，不能满足稳定杆系统解析设计及现代化CAD设计的要求。
本发明根据车辆前桥或后桥的轮距，稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值；橡胶衬套的结构参数、材料特性参数及径向线刚度系数Kx；稳定杆结构参数、材料特性参数及其端部的垂向位移变形系数的表达式Gw(l0)，以橡胶衬套安装间距l0作为待设计的参变量，建立了悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的优化设计数学模型，利用Matlab程序便可得到橡胶衬套安装间距的优化设计值。该方法在其它参数不变的情况下，即在不增加设计及生产成本的前提下，仅通过对橡胶衬套安装间距l0的优化设计，便可使稳定杆系统达到侧倾角刚度的设计要求值，提高悬架及稳定杆的性能，满足车辆转弯行驶对侧倾刚度的要求。因此，利用该方法可得到准确、可靠的橡胶衬套安装间距的优化设计值，提高车辆悬架系统的设计水平和性能，提高车辆行驶平顺性，降低车辆转弯行驶时的侧倾事故及生命和财产损伤；同时，利用该方法可有效降低设计和试验费用及生产成本，增加企业的经济效应。因此，本发明为悬架稳定杆系统的优化匹配设计及CAD软件开发，提供了可靠的设计方法和技术。
附图说明
为了更好地理解发明下面结合附图做进一步的说明。
图1是悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计流程图；
图2是横向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是实施例一的稳定杆系统侧倾角刚度随橡胶衬套安装间距的变化曲线；
图5是实施例三的稳定杆系统侧倾角刚度随橡胶衬套安装间距的变化曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：某车辆前轴的轮距B＝1650mm，所采用稳定杆的结构，如图2所示，其中，lc为稳定杆的总长度，lc＝800mm；l1为臂长，l1＝150mm；l0为橡胶衬套之间的安装距离，即设计参量；R为过渡圆弧半径，R＝50mm；θ为过渡圆弧圆心角，θ＝60°；稳定杆材料的弹性模量E＝210GPa，泊松比μ＝0.3。橡胶衬套的结构如图3所示，其中，稳定杆1，内圆套筒2，橡胶衬套3，外圆套筒4，稳定杆1的直径d＝20mm，橡胶衬套3的内圆半径ra＝12mm，外圆半径rb＝22mm，轴向长度L＝25mm；橡胶衬套的弹性模量Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47。该车辆悬架稳定杆系统的侧倾角刚度的设计要求值在给定稳定杆及橡胶衬套结构的情况下，对两橡胶衬套之间的安装间距l0进行优化设计。
本发明实例所提供的悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，其设计流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)橡胶衬套径向线刚度Kx的计算：
根据橡胶衬套的内圆半径ra＝12mm，外圆半径rb＝22mm，轴向长度L＝25mm，弹性模量Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47，对橡胶衬套的径向线刚度Kx进行计算，即：
其中，
Bessel修正函数：
I(0,αrb)＝25.0434，K(0,αrb)＝0.0041，
I(1,αrb)＝22.3175，K(1,αrb)＝0.0045，
I(1,αra)＝2.1439，K(1,αra)＝0.0922，
I(0,αra)＝2.8801，K(0,αra)＝0.0769，
(2)建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式：
根据横向稳定杆的总长度lc＝800mm，臂长l1＝150mm，过渡圆弧的圆心角θ＝60°，圆弧半径R＝50mm，材料弹性模量E＝210GPa和泊松比μ＝0.3，以两个橡胶衬套之间的安装距离l0作为待设计量，建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式，即：
其中，
G4＝-32(μ+1)[R(cosθ-1)-l1sinθ]2[2l1cosθ-lc+2Rsinθ]＝0.8579m3；
(3)橡胶衬套安装间距l0优化设计数学模型的建立及设计：
根据车辆对稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值前桥的轮距B＝1650mm，稳定杆的直径d＝20mm，总长度lc＝800mm，步骤(1)中计算所得到的橡胶衬套的径向线刚度Kx＝2.1068×106N/m，步骤(2)中所建立的稳定杆端部垂向位移的变形系数表达式Gw(l0)，建立橡胶衬套安装间距l0的优化设计数学模型，即：
利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到满足稳定杆系统侧倾角刚度设计要求的橡胶衬套安装间距的优化设计值l0＝420mm，其中，该车辆稳定杆系统侧倾角刚度与橡胶衬套安装间距l0之间的变化曲线，如图4所示。
实施例二：某车辆前悬架的结构参数、稳定杆的结构参数及悬架衬套的结构参数，都与实施例一的完全相同，只是悬架稳定杆系统所要求的侧倾角刚度设计要求值不同，即在此侧倾角刚度设计要求值下，对两橡胶衬套之间的安装间距l0进行优化设计。
采用实施例一的设计步骤，对该车辆前悬架稳定杆橡胶衬套之间的安装间距l0进行设计；由于该车辆前悬架的结构参数、稳定杆的结构参数及悬架衬套的结构参数，都与实施例一的完全相同，只是侧倾角刚度设计要求值不同。因此，在此侧倾角刚度设计要求值下，该车辆前桥稳定杆两橡胶衬套之间安装间距的优化设计值l0＝381mm。
与实施例一比较可知，由于侧倾角刚度设计要求值降低了10kN.m/rad，则橡胶衬套之间的安装间距l0缩小了39mm，即橡胶衬套安装间距l0与设计所要求的侧倾角刚度值成正比。
实施例三：某车辆前轴的轮距B＝1600mm，所采用稳定杆的结构和材料与实施例一的完全相同，稳定杆的直径d＝22mm，橡胶衬套3的内圆半径ra＝13mm，外圆半径rb＝28mm，轴向长度L＝25mm；橡胶衬套的弹性模量Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47。该车辆悬架稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值在给定稳定杆及橡胶衬套结构的情况下，对两橡胶衬套之间的安装间距l0进行优化设计。
采用实施例一的设计步骤，对该车辆前悬架稳定杆橡胶衬套之间的安装间距l0进行设计。
(1)橡胶衬套径向线刚度Kx的计算：
根据橡胶衬套的内圆半径ra＝13mm，外圆半径rb＝28mm，轴向长度L＝25mm，弹性模量Ex＝7.84Mpa，泊松比μx＝0.47，对橡胶衬套的径向线刚度Kx进行计算，即：
(2)建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式：
由于稳定杆结构及材料与实施例一的完全相同，因此，以两个橡胶衬套之间的安装距离l0作为待设计量，所建立的稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式，也与实施例一的完全相同，即：
(3)橡胶衬套安装间距l0优化设计数学模型及设计：
根据该车辆对稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值前桥的轮距B＝1600mm，稳定杆的总长度lc＝800mm，直径d＝22mm，步骤(1)中计算所得到的橡胶衬套的径向线刚度Kx＝1.4819×106N/m，步骤(2)中所建立的稳定杆端部垂向位移的变形系数的表达式Gw(l0)，建立橡胶衬套安装间距l0的优化设计数学模型，即：
利用Matlab计算程序，求解上述优化设计数学模型，便可得到满足该车前悬架稳定杆系统侧倾角刚度设计要求的橡胶衬套安装间距的优化设计值l0＝358mm。其中，该车前桥稳定杆系统侧倾角刚度设计要求值与橡胶衬套安装间距l0之间的变化曲线，如图5所示。

Claims (1)

1.悬架稳定杆橡胶衬套安装间距的设计方法，其具体设计步骤如下：
(1)橡胶衬套径向线刚度Kx的计算：
根据橡胶衬套的内圆半径ra，外圆半径rb，轴向长度L，弹性模量Ex，泊松比μx，对橡胶衬套的径向线刚度Kx进行计算，即：
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其中，
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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)建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式：
以两橡胶衬套之间的安装距离l0作为待设计参量，根据横向稳定杆的总长度lc，臂长l1，过渡圆弧的圆心角θ，圆弧半径R，材料弹性模量E和泊松比μ，建立稳定杆端部垂向位移的变形系数Gw的表达式，即：
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其中，Gw(l0)是关于两橡胶衬套之间的安装距离l0的表达式；
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G4＝-32(μ+1)[R(cosθ-1)-l1sinθ]2[2l1cosθ-lc+2Rsinθ]；
(3)橡胶衬套安装间距l0优化设计数学模型的建立及设计：
根据前桥或后桥的轮距B，稳定杆的直径d，总长度lc，稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值步骤(1)中计算所得到的橡胶衬套的径向线刚度Kx，步骤(2)中所建立的稳定杆端部变形系数Gw的表达式，以橡胶衬套安装间距l0作为待设计量，建立橡胶衬套安装间距l0的优化设计数学模型，即：
利用Matlab计算程序，求解上述数学模型，便可得到满足稳定杆系统侧倾角刚度设计要求的橡胶衬套安装间距l0的优化设计值。
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