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.pdf

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。

权利要求书
1.  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Kws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Lc，对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(T)：
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-ra2rar+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)5ExLxαrarb[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+3rb2),]]>
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ηF(T)的确定
根据扭管长度LW，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ηF(T)，即
ηF(T)=24(1+μ)l1TLw2;]]>
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Kx(T)
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ηF(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Kx(T)，即
Kx(T)=kx1+ηF(T);]]>
(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(T)：
根据扭管长度Lw，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KT(T)，即
KT(T)=πE(D4-d4)32(1+μ)(l1+T)2LW;]]>
(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Kws，步骤(2)中所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式Kx(T)，及步骤(3)中所确定的扭管的等效线刚度的表达式KT(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
Kws[KT(T)+KX(T)]-KT(T)KX(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
fC=l1fAl1+Δl1;]]>
fws=fC+Fkx;]]>


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。

说明书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
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外偏置量的设计方法。
背景技术
外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管轴心与扭转橡胶衬套的轴心不同轴，其中，扭管相对于扭转橡胶衬套向外有一偏置量。当稳定杆工作时，外偏置的扭管不仅受到扭转变形，同时还受到弯曲变形，因此，外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的扭管外偏置量，对侧倾角刚度具有重要影响。在稳定杆系统实际设计中，可在保持其他结构参数不变的条件下，通过对扭管外偏置量的设计，使得侧倾角刚度满足驾驶室稳定杆系统设计的要求。然而，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，且橡胶衬套的刚度计算非常复杂，此外，外偏置的扭管还存有弯曲和扭转及载荷的相互耦合，因此，对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计，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，不能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。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外偏置量的设计方法，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、质量和性能，提高车辆的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外偏置量的设计方法，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，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(T)：
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ηF(T)的确定
根据扭管长度LW，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ηF(T)，即
ηF(T)=24(1+μ)l1TLW2;]]>
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Kx(T)
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ηF(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Kx(T)，即
Kx(T)=kx1+ηF(T);]]>
(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(T)：
根据扭管长度Lw，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KT(T)，即
KT(T)=πE(D4-d4)32(1+μ)(l1+T)2LW;]]>
(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Kws，步骤(2)中所确定的橡胶衬套的等效组合线刚度的表达式Kx(T)，及步骤(3)中所确定的扭管的等效线刚度的表达式KT(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
Kws[KT(T)+KX(T)]-KT(T)KX(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
fC=l1fAl1+Δl1;]]>
fws=fC+Fkx;]]>


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。
本发明比现有技术具有的优点
由于受橡胶衬套变形解析计算、外偏置扭管的扭转变形和弯曲变形相互耦合，及扭转橡胶衬套载荷增加量等关键问题的制约，对于外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计，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，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，该方法不能提供精确的解析设计式，只能对给定结构的稳定杆系统的特性进行仿真验证，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提出了更高的设计要求。
本发明根据稳定杆及橡胶衬套的结构参数和材料特性参数，建立了橡胶衬套的径向刚度，并通过扭管的弯曲变形与扭转变形及载荷之间的关系，以扭管内偏置为待设计参数，分别建立了扭转橡胶衬套的载荷系数表达式、橡胶衬套的等效组合线刚度表达式及扭管的等效线刚度表达式；并利用驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度设计要求值，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，建立了外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计数学模型，通过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驾驶室稳定杆的扭管外偏置量的设计值，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，不仅可提高驾驶室悬置及稳定杆系统的设计水平、质量和性能，满足驾驶室悬置对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外偏置量的设计流程图；
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是实施例一的橡胶衬套的等效组合线刚度Kx随扭管偏置量T的变化曲线；
图6是实施例一的扭管的等效线刚度KT随扭管偏置量T的变化曲线；
图7是实施例一的驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度随扭管偏置量T的变化曲线；
图8是实施例一的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的变形仿真云图；
图9是实施例二的橡胶衬套的等效组合线刚度Kx随扭管偏置量T的变化曲线；
图10是实施例二的扭管的等效线刚度KT随扭管偏置量T的变化曲线；
图11是实施例二的驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度随扭管偏置量T的变化曲线；
图12是实施例二的外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的变形仿真云图。
具体实施方案
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即为待设计的参数；左右两摆臂1之间的距离Lc＝1550mm，即稳定杆的悬置距离；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＝380mm；摆臂的悬置安装位置C到最外端A的距离Δl1＝47.5mm；扭管4的长度Lw＝1500mm，内径d＝35mm，外径D＝50mm，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3；左右四个橡胶衬套2和3的结构和材料特性完全相同，如图3所示，包括：内圆套筒5，橡胶套6，外圆套筒7，其中，内圆套筒5的内圆直径dx＝35mm，壁厚δ＝2mm；橡胶套6的长度Lx＝25mm，内圆半径ra＝19.5mm，外圆半径rb＝34.5mm，弹性模量Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47。该驾驶室稳定杆设计所要求的侧倾角刚度对该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量T进行设计，并在载荷F＝5000N情况下对稳定杆系统的侧倾角刚度进行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外偏置量的设计方法，其设计流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度Kws设计要求值的计算：
根据稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值稳定杆的悬置距离Lc＝1550mm，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(T)：
①橡胶衬套径向刚度kx的计算
根据橡胶套的内圆半径ra＝19.5mm，外圆半径rb＝34.5mm，长度Lx＝25mm，弹性模量Ex＝7.84MPa和泊松比μx＝0.47，对稳定杆橡胶衬套的径向刚度kx进行计算，即
kx=1u(rb)+y(rb)=2.1113×106N/m;]]>
其中，u(rb)=1+μx2πExLx(lnrbra-rb2-ra2ra2+rb2)=6.5395×10-8m/N,]]>
y(rb)=a1I(0,αrb)+a2K(0,αrb)+a3+1+μx5πExLx(lnrb+rb2ra2+rb2)=4.0825×10-7m/N,]]>
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)=-8.4456×10-13,]]>
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)=2.932×10-11,]]>
a3=-(1+μx)(b1-b2+b3)5πExLxαrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)](ra2+rb2)=1.6585×10-6;]]>
b1=[I(1,αra)K(0,αra)+K(1,αra)I(0,αra)]ra(ra2+3rb2)=1.2752×10-5,]]>
b2=[I(1,αrb)K(0,αra)+K(1,αrb)I(0,αra)]rb(rb2+3ra2)=-4.936×10-4,]]>
b3=αrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)][ra2+(ra2+rb2)lnra]=0.008,]]>
α=215/Lx=309.8387,]]>
Bessel修正函数I(0,αrb)＝5.4217×10-3，K(0,αrb)＝8.6369×10-6；
I(1,αrb)＝5.1615×103，K(1,αrb)＝9.0322×10-6；
I(1,αra)＝63.7756，K(1,αra)＝0.0013，
I(0,αra)＝69.8524，K(0,αra)＝0.0012；
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ηF(T)的确定
根据扭管长度LW＝1500mm，泊松比μ＝0.3，及摆臂长度l1＝380mm，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ηF(T)，即
ηF(T)=24(1+μ)l1TLW2=5.26933T;]]>
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Kx(T)
根据①步骤中计算所得到的kx＝2.1113×106N/m，及②步骤中所建立的ηF(T)＝5.26933T，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Kx(T)，即
Kx(T)=kx1+ηF(T)=2.1113×1061+5.26933T;]]>
其中，该稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式Kx随扭管外偏置量T的变化曲线，如图5所示；
(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(T)：
根据扭管长度Lw＝1500mm，内径d＝35mm，外径D＝50mm，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，及摆臂长度l1＝380mm，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C处的等效线刚度表达式KT(T)，即
KT(T)=πE(D4-d4)32(1+μ)(l1+T)2LW=4.782244(0.38+T)2;]]>
其中，该扭管的等效线刚度表达式KT随扭管外偏置量T的变化曲线，如图6所示；
(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Kws＝2.46086×105N/m，步骤(2)中所确定的及步骤(3)中所建立的建立该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量T的设计数学模型，即
Kws[KT(T)+KX(T)]-KT(T)KX(T)＝0；
利用Matlab程序，求解上述关于T的方程，可得到扭管外偏置量T的设计值，即；
T＝30mm；
其中，该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度随扭管外偏置量T的变化曲线，如图7所示；
(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＝30mm，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C处施加载荷F＝5000N，对该驾驶室稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图8所示，其中，稳定杆系统在摆臂最外端的变形位移量fA为
fA＝19.811mm；
根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端A处的变形位移量fA＝19.811mm，摆臂长度l1＝380mm，摆臂的悬置安装位置C到最外端A的距离Δl1＝47.5mm，稳定杆的悬置距离Lc＝1550mm，在摆臂的悬置安装位置C处所施加的载荷F＝5000N，及步骤(2)中的①步骤中计算得到的kx＝2.1113×106N/m，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，如图4所示，对该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
fC=l1fAl1+Δl1=17.61mm;]]>
fws=fC+Fkx=19.978mm;]]>


可知：该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统侧倾角刚度的ANSYS仿真验证值与设计要求值相吻合，相对偏差仅为0.385％；表明该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是正确的，参数设计值是准确可靠的。
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，外偏置量T即为待设计参数；左右两个摆臂1之间的距离Lc＝1400mm，即稳定杆的悬置距离；悬置橡胶衬套2与扭转橡胶衬套3之间的距离，即为摆臂长度l1＝350mm，摆臂的悬置安装位置C到最外端A处的距离Δl1＝52.5mm；扭管4的长度Lw＝1000mm，内径d＝42mm，外径D＝50mm；左右四个橡胶衬套的结构都完全相同，如图3所示，其中，内圆套筒5的内圆直径dx＝35mm，壁厚δ＝5mm；橡胶套6的长度Lx＝40mm，内圆半径ra＝22.5mm，外圆半径rb＝37.5mm。稳定杆的材料特性及橡胶衬套的材料特性，与实施例一的相同，即扭管的弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3；橡胶套的弹性模型Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47。该驾驶室稳定杆设计所要求的侧倾角刚度对该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆的扭管外偏置量T进行设计，并在载荷F＝5000N情况下对稳定杆系统的侧倾角刚度进行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外偏置量T进行设计，即：
(1)驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度Kws设计要求值的计算：
根据稳定杆系统侧倾角刚度的设计要求值稳定杆的悬置距离Lc＝1400mm，对该驾驶室稳定杆系统的侧倾线刚度Kws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(T)：
①橡胶衬套径向刚度kx的计算
根据橡胶套的内圆半径ra＝22.5mm，外圆半径rb＝37.5mm，长度Lx＝40mm，及橡胶衬套材料的弹性模量Ex＝7.84MPa，泊松比μx＝0.47，对该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)=4.2085×106N/m;]]>
其中，u(rb)=1+μx2πExLx(lnrbra-rb2-ra2ra2+rb2)=3.0019×10-8m/N,]]>
y(rb)=a1I(0,αrb)+a2K(0,αrb)+a3+1+μx5πExLx(lnrb+rb2ra2+rb2)=2.076×10-7m/N,]]>
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)=-2.0137×10-11,]]>
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)=2.3957×10-12,]]>
a3=-(1+μx)(b1-b2+b3)5πExLxαrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)](ra2+rb2)=9.7232×10-7;]]>
b1=[I(1,αra)K(0,αra)+K(1,αra)I(0,αra)]ra(ra2+3rb2)=2.44×10-5,]]>
b2=[I(1,αrb)K(0,αra)+K(1,αrb)I(0,αra)]rb(rb2+3ra2)=-1.6465×10-4,]]>
b3=αrarb[I(1,αra)K(1,αrb)-K(1,αra)I(1,αrb)][ra2+(ra2+rb2)lnra]=0.0018,]]>
α=215/Lx=193.6492,]]>
Bessel修正函数I(0,αrb)＝214.9082，K(0,αrb)＝3.2117×10-4；
I(1,αrb)＝199.5091，K(1,αrb)＝3.4261×10-4；
I(1,αra)＝13.5072，K(1,αra)＝0.0083，
I(0,αra)＝15.4196，K(0,αra)＝0.0075；
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ηF(T)的确定
根据扭管长度LW＝1000mm，泊松比μ＝0.3，及摆臂长度l1＝350mm，以扭管的外偏置量T为待设计参变量，确定该驾驶室稳定杆的扭转橡胶衬套的载荷系数表达式ηF(T)，即
ηF(T)=24(1+μ)l1TLW2=10.92T;]]>
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Kx(T)
根据①步骤中计算所得到的kx＝4.2085×106N/m，及②步骤中所建立的ηF(T)＝10.92T，以扭管的外偏置量T为待设计参变量，确定该外偏置非同轴式稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度Kx(T)的表达式，即
Kx(T)=kx1+ηF(T)=4.2085×1061+10.92T;]]>
其中，该稳定杆橡胶衬套的等效组合线刚度表达式Kx随扭管外偏置量T的变化曲线，如图9所示；
(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(T)：
根据扭管长度Lw＝1000mm，内径d＝42mm，外径D＝50mm，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.3，及摆臂长度l1＝350mm，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C处的等效线刚度表达式KT(T)，
KT(T)=πE(D4-d4)32(1+μ)(l1+T)2LW=4.74(0.35+T)2;]]>
其中，该扭管的等效线刚度表达式KT随扭管外偏置量T的变化曲线，如图10所示；
(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Kws＝2.67175×105N/m，步骤(2)中所确定的及步骤(3)中所确定的建立该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
Kws[KT(T)+KX(T)]-KT(T)KX(T)＝0；
利用Matlab程序，求解上述关于T的方程，可得到扭管外偏置量T的设计值，即；
T＝50mm；
其中，该外偏置非同轴式驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度，随扭管外偏置量T的变化曲线，如图11所示；
(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＝50mm，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，在摆臂的 悬置安装位置C处施加载荷F＝5000N，对稳定杆系统的变形进行ANSYS仿真，所得到的变形仿真云图，如图12所示，其中，稳定杆系统在摆臂最外端A的变形位移量fA为
fA＝20.155mm；
根据ANSYS仿真所得到的摆臂最外端A的变形位移量fA＝19.811mm，摆臂长度l1＝350mm，摆臂的悬置安装位置C到最外端的距离Δl1＝52.5mm，稳定杆的悬置距离Lc＝1400mm，在摆臂的悬置安装位置C处施加的载荷F＝5000N，及步骤(2)中的①步骤计算得到的kx＝4.2085×106N/m，利用稳定杆系统变形及摆臂位移的几何关系，如图4所示，对该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
fC=l1fAl1+Δl1=17.516mm;]]>
fws=fC+Fkx=18.705mm;]]>


可知：该该驾驶室稳定杆系统的侧倾角刚度ANSYS仿真验证值与设计要求值与相吻合，相对偏差仅为0.052％；表明该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是正确的，扭管外偏置量的设计值是准确可靠的。