[發(fā)明專利]一種推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010021340.8
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111241636B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柯俊;高晉;徐敬恩
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/15;G06F30/23;G06F30/27;G06N3/126;G06F111/06;G06F111/04
• 代理公司: 紹興市知衡專利代理事務(wù)所(普通合伙) 33277
• 代理人: 施春宜

本發(fā)明涉及一種推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下工藝步驟：1)，選取優(yōu)化變量及基因編碼：2)，確定約束條件：3)，確定適應度函數(shù)(目標函數(shù))：橡膠襯套體積優(yōu)化的優(yōu)化子目標定義為F1，球鉸剛度優(yōu)化的優(yōu)化子目標定義為F2，硫化面積的優(yōu)化子目標為F3；4)，優(yōu)化計算：將F1、F2和F3作為各子種群的適應度函數(shù)，并在MATLAB遺傳算法工具箱中采用混合法來進行優(yōu)化計算，即可得到較優(yōu)解的分布狀態(tài)，并根據(jù)較優(yōu)解的分布狀態(tài)得到最優(yōu)方案。本發(fā)明的推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法不但沒有大幅度改變推力桿的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，控制了改進成本，而且使球鉸徑向剛度和軸向剛度的配比落入合理的區(qū)間，兼顧了整車性能，適宜工程應用。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及一種橡膠襯套的設(shè)計方法，具體涉及一種推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法，其應用于汽車懸架及軌道客車轉(zhuǎn)向架的推力桿球鉸中，屬于推力桿球鉸技術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】

推力桿是商用車底盤系統(tǒng)或軌道客車轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中廣泛應用的關(guān)鍵零部件，用于傳遞車橋與車架之間的縱向、側(cè)向載荷及部分扭矩，并衰減車橋傳來的部分振動能量。在推力桿服役過程中，其球鉸中的橡膠襯套經(jīng)常發(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)象，這將導致商用車底盤系統(tǒng)的導向功能部分失效，并嚴重威脅行車安全。要顯著提高推力桿球鉸的疲勞壽命，除了要提升橡膠材料的力學性能外，還需對其球鉸結(jié)構(gòu)進行有針對性的優(yōu)化設(shè)計。然而，推力桿的球鉸結(jié)構(gòu)復雜，球鉸中的橡膠襯套不但具有變截面特征，而且其變形也具有非線性。此外，橡膠襯套被金屬外套包裹，因此無法觀察橡膠襯套的實際失效過程，導致推力桿球鉸的性能優(yōu)化變得非常困難和棘手。目前，國內(nèi)外學者已對推力桿球鉸應力分析，推力桿縱向剛度優(yōu)化方法及修正方法以及疲勞壽命預測方法進行了深入研究。然而，相關(guān)研究仍然無法為推力桿的球鉸結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論和方法指導，導致推力桿的球鉸設(shè)計具有一定的盲目性。

要科學地優(yōu)化推力桿的球鉸結(jié)構(gòu)，需解決如下關(guān)鍵問題：(1)準確理解橡膠襯套的失效機理；(2)確定球鉸結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能參數(shù)之間的關(guān)系；(3)針對性地建立球鉸結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并通過優(yōu)化設(shè)計顯著提高球鉸的疲勞壽命。由于橡膠部件的剛度不僅影響其疲勞壽命，而且影響整車性能。因此，應在優(yōu)化球鉸應力應變分布狀態(tài)的同時，兼顧其剛度特性。此外，橡膠結(jié)構(gòu)具有非線性和變截面特征。因此，有限元分析是實現(xiàn)橡膠結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本途徑。隨著研究的深入，綜合應用有限元法及遺傳算法來完成橡膠部件的優(yōu)化設(shè)計取得了成功，這為推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計指明了方向。

推力桿球鉸的主要疲勞破壞形式為球鉸橡膠襯套的疲勞失效。推力桿球鉸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。在球鉸內(nèi)部，橡膠襯套1通過硫化的方式與端蓋2、芯軸3、塑料層4和金屬外套固連。塑料層與芯軸之間為間隙配合，用于給橡膠襯套提供用于應力釋放的旋轉(zhuǎn)自由度。由于壓縮預應力能促進橡膠材料疲勞裂紋的閉合，對橡膠襯套疲勞壽命有利，因此橡膠襯套自身也具有一定的過盈量，從而在裝配過程中產(chǎn)生了一定的預壓縮量。因此，影響橡膠襯套疲勞壽命的因素主要包括外部載荷、橡膠材料力學性能、環(huán)境溫度、球鉸結(jié)構(gòu)和橡膠襯套預壓縮量。受安裝環(huán)境及成本限制，只有優(yōu)化球鉸結(jié)構(gòu)及調(diào)整預壓縮量在工程實際中是可行的。

根據(jù)有限元球鉸失效機理的分析結(jié)果，提高橡膠襯套疲勞壽命的關(guān)鍵在于限制橡膠襯套端部的延展變形并降低橡膠襯套環(huán)面的變形量。由于橡膠材料具有非線性且橡膠襯套為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此無法通過常規(guī)的數(shù)值計算方法準確量化橡膠襯套的變形量。然而，在球鉸內(nèi)部空間和外部載荷一定的前提下，橡膠襯套端部延展變形量的降低宏觀表現(xiàn)為推力桿球鉸軸向剛度的增加，而橡膠襯套環(huán)面變形量的降低宏觀表現(xiàn)為推力桿縱向剛度的增加。因此，可用推力桿球鉸軸向剛度和推力桿縱向剛度來間接量化橡膠襯套的變形量。

【發(fā)明內(nèi)容】

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法，其能提高推力桿球鉸的剛度，延長了使用壽命。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種推力桿球鉸的優(yōu)化設(shè)計方法，其包括如下工藝步驟：