外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，屬于車輛駕駛室懸置【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)及扭管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性參數(shù)及載荷，利用扭管彎曲和扭轉(zhuǎn)變形及載荷之間的關(guān)系，建立了扭管的彎曲載荷系數(shù)，并通過扭管的彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，建立了外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法。通過實例計算及ANSYS仿真驗證可知，該方法可得到準(zhǔn)確可靠的扭管應(yīng)力強度計算值，為駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的設(shè)計，提供了可靠的應(yīng)力強度校核方法。利用該方法可提高駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的設(shè)計水平、質(zhì)量和性能，提高車輛的行駛平順性和安全性；同時，還可降低設(shè)計及試驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。
【專利說明】
外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車輛駕駛室懸置，特別是外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)，由于受橡膠襯套變形、扭管的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形及載荷之間的相互耦合等關(guān)鍵問題的制約，一直未能給出可靠的扭管應(yīng)力強度校核計算方法。目前，國內(nèi)外對于駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)，大都是利用ANSYS仿真軟件，通過實體建模對扭管應(yīng)力強度進行仿真分析，盡管該方法可得到比較可靠的仿真數(shù)值，然而，由于不能提供精確的解析計算式，因此，不能滿足駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)解析設(shè)計及CAD軟件開發(fā)的要求。隨著車輛行業(yè)的快速發(fā)展及車輛行駛速度的不斷提高，對駕駛室懸置及穩(wěn)定桿系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。因此，必須建立一種精確、可靠的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，滿足穩(wěn)定桿系統(tǒng)設(shè)計的要求，提高產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量和性能，提高車輛行駛平順性和安全性；同時，降低設(shè)計及試驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡便、可靠的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，其計算流程圖如圖1所示；外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示；外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管變形與位移關(guān)系的示意圖，如圖3所示。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，其特征在于采用以下計算步驟:
[0005](I)計算外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)nF:
[0006]根據(jù)扭管長度Lw，泊松比μ，外偏置量Τ，及擺臂長度I1，利用外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管的受力和變形之間的關(guān)系，對外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)nF進行計算，即
「 n3(1 + //)/^
[0007]ηΡ = Γ ;
[0008](2)計算外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ _:
[0009]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置處所承受的載荷F，扭管長度Lw，內(nèi)徑d，外徑D，及步驟(I)中計算得到的扭管的彎曲載荷系數(shù)Hf，對外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ_進行計算，即
32?],.D FLw
[0010]
[0011](3)計算外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ fflax:
[0012]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置處所承受的載荷F，扭管內(nèi)徑d，外徑D，及擺臂長度I1，對外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max進行計算，即
\6DFL
[0013]^max = 4 747 ;
π(υ -a )
[0014](4)計算外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力σ Cmax:
[0015]根據(jù)步驟(2)中計算得到的最大彎曲正應(yīng)力σ_，步驟⑶中計算得到的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，利用第四強度理論，對外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力0。_進行計算，即
[0016]己;
[0017](5)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證:
[0018]利用ANSYS有限元仿真軟件，根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的參數(shù)，建立仿真模型，劃分網(wǎng)格，在擺臂的懸置安裝位置處施加載荷F，對穩(wěn)定桿系統(tǒng)的扭管復(fù)合應(yīng)力進行ANSYS仿真，得到扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值σ s_ ；
[0019]將扭管復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值σ Smax與步驟⑷中所得到的計算值σ。_進行比較，從而對本發(fā)明所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法進行驗證；同時，將扭管最大復(fù)合應(yīng)力計算值σ Cmax與扭管許用應(yīng)力[σ ]進行比較，對扭管進行強度校核。
[0020]本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點
[0021]由于受橡膠襯套變形、扭管的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形及載荷之間的相互耦合等關(guān)鍵問題的制約，一直未能給出可靠的扭管應(yīng)力強度校核計算方法。目前，國內(nèi)外對于駕駛室穩(wěn)定桿扭管的應(yīng)力強度校核，大都是利用ANSYS仿真軟件，通過實體建模對扭管應(yīng)力強度進行仿真分析和驗證，盡管該方法可得到比較可靠的仿真數(shù)值，然而，由于不能提供精確的解析計算式，因此，不能滿足駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)解析設(shè)計及CAD軟件開發(fā)的要求。
[0022]本發(fā)明根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性參數(shù)，利用扭管彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形及載荷之間的關(guān)系，建立了扭管的彎曲載荷系數(shù)；然后利用扭管的彎曲載荷系數(shù)及所受載荷，通過扭管的彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，建立了外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管復(fù)合應(yīng)力的計算方法。通過實例計算及ANSYS仿真驗證可知，該方法可得到準(zhǔn)確可靠的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的應(yīng)力強度計算值，為駕駛室懸置及穩(wěn)定桿系統(tǒng)的設(shè)計，提供了可靠的應(yīng)力強度校核計算方法，并且為外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)CAD軟件開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。利用該方法，不僅可提高駕駛室懸置及穩(wěn)定桿系統(tǒng)的設(shè)計水平和質(zhì)量，降低駕駛室側(cè)傾振動和浮仰振動，提高車輛的行駛平順性和安全性；同時，還可降低設(shè)計及試驗費用，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。
[0023]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖做進一步的說明。
[0024]圖1是外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核的計算流程圖；
[0025]圖2是外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管變形與位移關(guān)系的示意圖；
[0027]圖4是實施例一的非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的應(yīng)力仿真云圖；
[0028]圖5是實施例二的非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的應(yīng)力仿真云圖。具體實施方案
[0029]下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0030]實施例一:某外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)左右對稱，如圖2所示，包括:擺臂1，懸置橡膠襯套2，扭轉(zhuǎn)橡膠襯套3，扭管4 ;其中，扭管4與扭轉(zhuǎn)橡膠襯套3不同軸，扭管4的外偏置量T = 50mm ;扭管4的長度Lw = 1500mm,內(nèi)徑d = 46mm,外徑D = 50mm,彈性模量E = 200GPa，泊松比μ = 0.3，許用應(yīng)力[σ ] = 500MPa ;懸置橡膠襯套2與扭轉(zhuǎn)橡膠襯套3之間的間距，即擺臂長度I1 = 380mm ;擺臂的懸置安裝位置C處所受載荷F =5000N。根據(jù)上述給定的穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)和材料特性參數(shù)，對該外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管進行復(fù)合應(yīng)力計算和強度校核，并對在載荷F = 5000N情況下的應(yīng)力進行ANSYS仿真驗證。
[0031]本發(fā)明實例所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，其計算流程如圖1所示，具體計算步驟如下:
[0032](I)計算外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)nF:
[0033]根據(jù)扭管長度Lw = 1500mm,泊松比μ = 0.3,外偏置量T = 50mm,及擺臂長度I1=380_，利用外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管的受力和變形之間的關(guān)系，如圖3所示，對外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)Π F進行計算，即
[0034]H,- = 30+/)；|Γ =0-03293；
[0035](2)計算外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ max:
[0036]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置C處所承受的載荷F = 5000N,扭管長度Lw =1500mm,內(nèi)徑d = 46mm,外徑D = 50mm,及步驟(I)中計算得到的nF = 0.03293,對外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ_進行計算，SP
[0037]σ,,,,, =3n=50’28MPa;
%{D - d )
[0038](3)計算外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max:
[0039]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置C處所承受的載荷F = 5000N,扭管內(nèi)徑d =46mm,外徑D = 50mm,及擺臂長度I1 = 380mm,對外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max進行計算，即
[0040]^max = Π =丨 93.38MPa;
π(υ —a )
[0041](4)計算外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力σ Cmax:
[0042]根據(jù)步驟⑵中計算得到的最大彎曲正應(yīng)力σ max = 50.28MPa，步驟⑶中計算得到的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ_ = 193.38MPa，利用第四強度理論，對外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力σ。.進行計算，gp
[0043], a =^L+3 rL =338.7MPa;
[0044](5)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證:
[0045]利用ANSYS有限元仿真軟件，根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的參數(shù)，建立仿真模型，劃分網(wǎng)格，在擺臂的懸置安裝位置C處施加載荷F = 5000N，對穩(wěn)定桿系統(tǒng)的扭管復(fù)合應(yīng)力進行ANSYS仿真，得到的應(yīng)力仿真云圖，如圖4所示，其中，該扭管的最大復(fù)合應(yīng)力的仿真驗證值03_為
[0046]ο Smax = 335.88MPa ；
[0047]可知:該扭管復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值σ Smax = 335.88MPa，與步驟(4)中所得到的計算值σ= 338.7MPa相吻合，相對偏差僅為0.83%，表明本發(fā)明所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法是正確的，應(yīng)力強度計算值是可靠的，且該外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管的復(fù)合應(yīng)力oGmax = 338.7MPa，小于許用應(yīng)力[σ]=500MPa,即滿足應(yīng)力強度要求。
[0048]實施例二:某外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與實施例一的相同，如圖2所示，其中，扭管4與扭轉(zhuǎn)橡膠襯套3不同軸，扭管4的外偏置T = 10mm ;扭管4的長度Lw = 1000mm,內(nèi)徑d = 45mm,外徑D = 50mm,彈性模量E = 200GPa,泊松比μ = 0.3,許用應(yīng)力[σ ] = 500MPa ;懸置橡膠襯套2與扭轉(zhuǎn)橡膠襯套3之間的距離，即擺臂長度I1 =350mm ;擺臂的懸置安裝位置C處所受載荷F = 5000N。根據(jù)上述給定的穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)和材料特性參數(shù)，對該外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管進行復(fù)合應(yīng)力計算和強度校核，并對在載荷F = 5000N情況下的應(yīng)力進行ANSYS仿真驗證。
[0049]采用與實施例一相同的步驟，對該外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度進行校核計算，即:
[0050](I)計算外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)nF:
[0051]根據(jù)扭管長度Lw= 1000mm，泊松比μ = 0.3，外偏置量T = 100mm，及擺臂長度I1=350_，利用外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管的受力和變形之間的關(guān)系，如圖3所示，對外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)Π F進行計算，即
[0052]= 3(1 + O^r = O-1365;
厶W
[0053](2)計算外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ max:
[0054]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置C處所承受的載荷F = 5000N,扭管長度Lw =1000mm,內(nèi)徑d = 45mm,外徑D = 50mm,及步驟(I)中計算得到的nF = 0.1365,對外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ_進行計算，SP
[0055]^max-61.7188MPa；
π(υ -a )
[0056](3)計算外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max:
[0057]根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置C處所承受的載荷F = 5000N,扭管內(nèi)徑d =45mm,外徑D = 50mm,及擺臂長度I1 = 350mm,對外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max進行計算，即
[0058]Zmax = Π=207.33.n(D -a )
[0059](4)計算外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力σ Cmax:
[0060]根據(jù)步驟⑵中計算得到的最大彎曲正應(yīng)力σ max = 161.7188MPa，步驟(3)中計算得到的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力= 207.33MPa，利用第四強度理論，對外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力Ocmax進行計算，gp
[0061 ] aCmax =V^+3rL =3 93,843 M Pa:
[0062](5)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證:
[0063]利用ANSYS有限元仿真軟件，根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的參數(shù)，建立仿真模型，劃分網(wǎng)格，在擺臂的懸置安裝位置C處施加載荷F = 5000N，對穩(wěn)定桿系統(tǒng)的扭管復(fù)合應(yīng)力進行ANSYS仿真，得到的應(yīng)力仿真云圖，如圖5所示，其中，該扭管的最大復(fù)合應(yīng)力仿真驗證值σ Smax為
[0064]ο Smax = 392.74MPa ；
[0065]可知:該扭管復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值σ Smax = 392.74MPa，與步驟(4)中所得到的計算值σ= 393.843MPa相吻合，相對偏差僅為0.28%，可知本發(fā)明所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法是正確的，應(yīng)力強度校核計算值是可靠的，且該外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管的復(fù)合應(yīng)力σ= 338.7MPa，小于許用應(yīng)力[σ ] = 500MPa，滿足應(yīng)力強度設(shè)計要求。
【權(quán)利要求】
1.外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法，其具體計算步驟如下: (1)計算外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)nF: 根據(jù)扭管長度Lw，泊松比μ，外偏置量τ，及擺臂長度11，利用外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的擺臂及扭管的受力和變形之間的關(guān)系，對外偏置扭管的彎曲載荷系數(shù)1進行計算，即
3Π+,")/_ Γ (2)計算外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ_: 根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置處所承受的載荷F，扭管長度Lw，內(nèi)徑d，外徑D，及步驟(I)中計算得到的扭管的彎曲載荷系數(shù)Hf，對外偏置扭管的最大彎曲正應(yīng)力σ_進行計算，即
_ 32/".DZ7Lw σ臟=n(DA -dA): (3)計算外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ_: 根據(jù)穩(wěn)定桿在擺臂的懸置安裝位置處所承受的載荷F，扭管內(nèi)徑d，外徑D，及擺臂長度I1，對外偏置扭管的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ max進行計算，即 ，_ \ 6 DFil
Tmax = π( D4-d4)； (4)計算外偏置扭管的最大復(fù)合應(yīng)力Ocmax: 根據(jù)步驟(2)中計算得到的最大彎曲正應(yīng)力σ_，步驟(3)中計算得到的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力Tmax，利用第四強度理論，對外偏置式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力σ ^iax進行計算，即
0L' _VcrHiax +3 ^max ; (3)夕I偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證: 利用ANSYS有限元仿真軟件，根據(jù)外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿系統(tǒng)的參數(shù)，建立仿真模型，劃分網(wǎng)格，在擺臂的懸置安裝位置處施加載荷F，對穩(wěn)定桿系統(tǒng)的扭管復(fù)合應(yīng)力進行ANSYS仿真，得到扭管最大復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值σ s_ ； 將扭管復(fù)合應(yīng)力的ANSYS仿真驗證值Osmax與步驟(4)中所得到的計算值O0iiax進行比較，從而對本發(fā)明所提供的外偏置非同軸式駕駛室穩(wěn)定桿的扭管應(yīng)力強度校核方法進行驗證；同時，將扭管最大復(fù)合應(yīng)力計算值σ Cmax與扭管許用應(yīng)力[σ ]進行比較，對扭管進行強度校核。
【文檔編號】G06F17/50GK104318041SQ201410665509
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】周長城, 周超, 孫重鋒 申請人:山東理工大學(xué)