CN104318041B - 外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法，属于车辆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系统及扭管的结构参数和材料特性参数及载荷，利用扭管弯曲和扭转变形及载荷之间的关系，建立了扭管的弯曲载荷系数，并通过扭管的弯曲正应力和扭转剪应力，建立了外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法。通过实例计算及ANSYS仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的扭管应力强度计算值，为驾驶室稳定杆系统的设计，提供了可靠的应力强度校核方法。利用该方法可提高驾驶室稳定杆系统的设计水平、质量和性能，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。

Description

外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法

技术领域

本发明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的扭管应力强度校核方法。

背景技术

对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统，由于受橡胶衬套变形、扭管的扭转和弯曲变形及载荷之间的相互耦合等关键问题的制约，一直未能给出可靠的扭管应力强度校核计算方法。目前，国内外对于驾驶室稳定杆系统，大都是利用ANSYS仿真软件，通过实体建模对扭管应力强度进行仿真分析，尽管该方法可得到比较可靠的仿真数值，然而，由于不能提供精确的解析计算式，因此，不能满足驾驶室稳定杆系统解析设计及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。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的扭管应力强度校核方法，满足稳定杆系统设计的要求，提高产品设计水平、质量和性能，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。

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、可靠的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法，其计算流程图如图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；外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管变形与位移关系的示意图，如图3所示。

为解决上述技术问题，本发明所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法，其特征在于采用以下计算步骤：

(1)计算外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F：

根据扭管长度L_W，泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，利用外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管的受力和变形之间的关系，对外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F进行计算，即

(2)计算外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置处所承受的载荷F，扭管长度L_W，内径d，外径D，及步骤(1)中计算得到的扭管的弯曲载荷系数η_F，对外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max进行计算，即

(3)计算外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置处所承受的载荷F，扭管内径d，外径D，及摆臂长度l₁，对外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max进行计算，即

(4)计算外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax：

根据步骤(2)中计算得到的最大弯曲正应力σ_max，步骤(3)中计算得到的最大扭转剪应力τ_max，利用第四强度理论，对外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力σ_Cmax进行计算，即

(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力的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系统的参数，建立仿真模型，划分网格，在摆臂的悬置安装位置处施加载荷F，对稳定杆系统的扭管复合应力进行ANSYS仿真，得到扭管最大复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax；

将扭管复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax与步骤(4)中所得到的计算值σ_Cmax进行比较，从而对所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法进行验证；同时，将扭管最大复合应力计算值σ_Cmax与扭管许用应力[σ]进行比较，对扭管进行强度校核。

本发明比现有技术具有的优点

由于受橡胶衬套变形、扭管的扭转和弯曲变形及载荷之间的相互耦合等关键问题的制约，一直未能给出可靠的扭管应力强度校核计算方法。目前，国内外对于驾驶室稳定杆扭管的应力强度校核，大都是利用ANSYS仿真软件，通过实体建模对扭管应力强度进行仿真分析和验证，尽管该方法可得到比较可靠的仿真数值，然而，由于不能提供精确的解析计算式，因此，不能满足驾驶室稳定杆系统解析设计及CAD软件开发的要求。

本发明根据外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的结构参数和材料特性参数，利用扭管弯曲变形和扭转变形及载荷之间的关系，建立了扭管的弯曲载荷系数；然后利用扭管的弯曲载荷系数及所受载荷，通过扭管的弯曲正应力和扭转剪应力，建立了外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管复合应力的计算方法。通过实例计算及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系统的应力强度计算值，为驾驶室悬置及稳定杆系统的设计，提供了可靠的应力强度校核计算方法，并且为外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统CAD软件开发奠定了技术基础。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，降低驾驶室侧倾振动和浮仰振动，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。

为了更好地理解本发明，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的扭管应力强度校核的计算流程图；

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是外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管变形与位移关系的示意图；

图4是实施例一的非同轴式驾驶室稳定杆系统的应力仿真云图；

图5是实施例二的非同轴式驾驶室稳定杆系统的应力仿真云图。

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：某外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的结构左右对称，如图2所示，包括：摆臂1，悬置橡胶衬套2，扭转橡胶衬套3，扭管4；其中，扭管4与扭转橡胶衬套3不同轴，扭管4的外偏置量T＝50mm；扭管4的长度L_w＝1500mm，内径d＝46mm，外径D＝50mm，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，许用应力[σ]＝500MPa；悬置橡胶衬套2与扭转橡胶衬套3之间的间距，即摆臂长度l₁＝380mm；摆臂的悬置安装位置C处所受载荷F＝5000N。根据上述给定的稳定杆的结构和材料特性参数，对该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管进行复合应力计算和强度校核，并对在载荷F＝5000N情况下的应力进行ANSYS仿真验证。

本发明实例所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法，其计算流程如图1所示，具体计算步骤如下：

(1)计算外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F：

根据扭管长度L_W＝1500mm，泊松比μ＝0.3，外偏置量T＝50mm，及摆臂长度l₁＝380mm，利用外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管的受力和变形之间的关系，如图3所示，对外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F进行计算，即

(2)计算外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置C处所承受的载荷F＝5000N，扭管长度L_W＝1500mm，内径d＝46mm，外径D＝50mm，及步骤(1)中计算得到的η_F＝0.03293，对外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max进行计算，即

(3)计算外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置C处所承受的载荷F＝5000N，扭管内径d＝46mm，外径D＝50mm，及摆臂长度l₁＝380mm，对外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max进行计算，即

(4)计算外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax：

根据步骤(2)中计算得到的最大弯曲正应力σ_max＝50.28MPa，步骤(3)中计算得到的最大扭转剪应力τ_max＝193.38MPa，利用第四强度理论，对外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax进行计算，即

(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力的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系统的参数，建立仿真模型，划分网格，在摆臂的悬置安装位置C处施加载荷F＝5000N，对稳定杆系统的扭管复合应力进行ANSYS仿真，得到的应力仿真云图，如图4所示，其中，该扭管的最大复合应力的仿真验证值σ_Smax为

σ_Smax＝335.88MPa；

可知：该扭管复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax＝335.88MPa，与步骤(4)中所得到的计算值σ_Cmax＝338.7MPa相吻合，相对偏差仅为0.83％，表明所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法是正确的，应力强度计算值是可靠的，且该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管的复合应力σ_Cmax＝338.7MPa，小于许用应力[σ]＝500MPa，即满足应力强度要求。

实施例二：某外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的结构形式与实施例一的相同，如图2所示，其中，扭管4与扭转橡胶衬套3不同轴，扭管4的外偏置T＝100mm；扭管4的长度L_w＝1000mm，内径d＝45mm，外径D＝50mm，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，许用应力[σ]＝500MPa；悬置橡胶衬套2与扭转橡胶衬套3之间的距离，即摆臂长度l₁＝350mm；摆臂的悬置安装位置C处所受载荷F＝5000N。根据上述给定的稳定杆的结构和材料特性参数，对该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管进行复合应力计算和强度校核，并对在载荷F＝5000N情况下的应力进行ANSYS仿真验证。

采用与实施例一相同的步骤，对该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度进行校核计算，即：

(1)计算外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F：

根据扭管长度L_W＝1000mm，泊松比μ＝0.3，外偏置量T＝100mm，及摆臂长度l₁＝350mm，利用外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管的受力和变形之间的关系，如图3所示，对外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F进行计算，即

(2)计算外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置C处所承受的载荷F＝5000N，扭管长度L_W＝1000mm，内径d＝45mm，外径D＝50mm，及步骤(1)中计算得到的η_F＝0.1365，对外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max进行计算，即

(3)计算外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置C处所承受的载荷F＝5000N，扭管内径d＝45mm，外径D＝50mm，及摆臂长度l₁＝350mm，对外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max进行计算，即

(4)计算外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax：

根据步骤(2)中计算得到的最大弯曲正应力σ_max＝161.7188MPa，步骤(3)中计算得到的最大扭转剪应力τ_max＝207.33MPa，利用第四强度理论，对外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax进行计算，即

(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力的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系统的参数，建立仿真模型，划分网格，在摆臂的悬置安装位置C处施加载荷F＝5000N，对稳定杆系统的扭管复合应力进行ANSYS仿真，得到的应力仿真云图，如图5所示，其中，该扭管的最大复合应力仿真验证值σ_Smax为

σ_Smax＝392.74MPa；

可知：该扭管复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax＝392.74MPa，与步骤(4)中所得到的计算值σ_Cmax＝393.843MPa相吻合，相对偏差仅为0.28％，可知所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法是正确的，应力强度校核计算值是可靠的，且该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管的复合应力σ_Cmax＝338.7MPa，小于许用应力[σ]＝500MPa，满足应力强度设计要求。

Claims (1)

1.外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法，其具体计算步骤如下：

(1)计算外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F：

根据扭管长度L_W，泊松比μ，外偏置量T，及摆臂长度l₁，利用外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的摆臂及扭管的受力和变形之间的关系，对外偏置扭管的弯曲载荷系数η_F进行计算，即

<mrow> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>F</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>T</mi> </mrow> <msubsup> <mi>L</mi> <mi>W</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

(2)计算外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置处所承受的载荷F，扭管长度L_W，内径d，外径D，及步骤(1)中计算得到的扭管的弯曲载荷系数η_F，对外偏置扭管的最大弯曲正应力σ_max进行计算，即

<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>32</mn> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>F</mi> </msub> <msub> <mi>DFL</mi> <mi>W</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>d</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

(3)计算外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max：

根据稳定杆在摆臂的悬置安装位置处所承受的载荷F，扭管内径d，外径D，及摆臂长度l₁，对外偏置扭管的最大扭转剪应力τ_max进行计算，即

<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>16</mn> <msub> <mi>DFl</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>d</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

(4)计算外偏置扭管的最大复合应力σ_Cmax：

根据步骤(2)中计算得到的最大弯曲正应力σ_max，步骤(3)中计算得到的最大扭转剪应力τ_max，利用第四强度理论，对外偏置式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力σ_Cmax进行计算，即

<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <msubsup> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

(5)外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管最大复合应力的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系统的参数，建立仿真模型，划分网格，在摆臂的悬置安装位置处施加载荷F，对稳定杆系统的扭管复合应力进行ANSYS仿真，得到扭管最大复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax；

将扭管复合应力的ANSYS仿真验证值σ_Smax与步骤(4)中所得到的计算值σ_Cmax进行比较，从而对所提供的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管应力强度校核方法进行验证；同时，将扭管最大复合应力计算值σ_Cmax与扭管许用应力[σ]进行比较，对扭管进行强度校核。