一種越野全掛車牽引架的改進設計

聶文福，胡運軍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

一種越野全掛車牽引架的改進設計

聶文福，胡運軍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

通過分析全掛車牽引架在越野路工況下的受力，對其進行改進設計，增加緩沖裝置和安全冗余結構。對牽引架進行了CAE強度分析、疲勞等效里程臺架模擬試驗。實車越野路面通過可靠性試驗。文章為開發越野掛車牽引系統提供參考依據。

牽引架；緩沖系統；安全冗余；疲勞

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-99-03

引言

為提高運輸效率和經濟性，實現物資的甩掛運輸，我公司開發了一種雙軸、牽引架桿式、越野全拖掛掛車（以下簡稱掛車）。該車牽引架原先以GB／T 15087校核所需的牽引力為基礎設計而成，但在越野路面可靠性試驗時發生了牽引環安裝板斷裂的故障，經分析是因在越野路面頻繁承受沖擊導致疲勞損壞引起。為解決該問題，對牽引架重新進行受力分析和結構改進設計。

1、受力分析

牽引環與牽引車的后牽引鉤采用鉤扣式連接，在一定的角度范圍內縱擺、側擺和橫擺，滿足GB4781的要求。掛車前軸可轉向，僅按牽引架僅傳遞縱向的牽引力和壓力計算分析。

表1 牽引力

牽引車總質量m1為22500kg，掛車總質量m2為7500kg，根據GJB 1380-92《軍用越野汽車機動性要求》的規定，汽車列車所能通過的縱向坡度為40%。主要對汽車列車在爬坡時的起步瞬間、起步后加速，以及在水平、下坡和上坡路段時的緊急制動工況進行受力分析，最大牽引力Fdmax=-76293N（負值說明是壓力），計算結果見表1所示。

2、牽引架結構改進設計

2.1 緩沖設計

牽引環除為掛車供行駛提必需的牽引力外，還需承受沖擊力。沖擊力產生的主要原因有兩個，一是在行駛過程中制動時因制動不同步導致的縱向沖擊。二是在兩車掛接時，兩者的相對運動造成的沖擊。

為緩和沖擊，在牽引環上增加彈簧緩沖裝置，該裝置動力學分析主要包含彈簧的預緊力分析和彈性容量分析。

2.1.1 預緊力分析

彈簧的靜預緊力過小會造成沖擊頻繁，過大則減振作用不明顯，彈簧靜預緊力F預應大于掛車在良好路面的牽引力Fd，小于最大牽引力的絕對值。

在水平良好路面Fdmin=Ff= m2gf。

其中f為良好路面摩擦系數，取值為0.016[1]。

彈簧靜預緊力：F預=500×9.8=4900N，Fdmin=1176N，Fdmax= -76293N。

經計算分析：Fdmin＜F預＜Fdmax，選取彈簧預緊力滿足要求。

2.1.2 彈性容量分析

彈簧的彈性容量是其緩沖性能優劣的重要指標，與兩車的總質量、速度差有關。根據動量守恒定律和能量守恒定律，緩沖彈簧所需的容量可由式3-1計算：

式中V—牽引車和掛車的最大車速差，牽引車要掛接掛車時，取V=10km/h。

δ-能量吸收系數，小于1時表示剩余部分沖擊動能由車架、車身等部位吸收，本車設定δ=0.80～1。

彈簧在擠壓狀態下實際具備的阻抗功Pj=ΣF阻·S；即圖2中阻抗力-行程關系曲線中的面積；

圖2 彈簧阻抗力-行程S的關系曲線

經計算：E=281250·δKJ，Pj=244294KJ。δ= /E=0.87。0.80＜δ＜1，說明簧由預緊狀態壓縮至設計行程末端自身具備的阻抗功，處于掛車系統沖擊過程中損失動能的0.8～1倍之間，滿足設計要求。

2.2 安全冗余設計

牽引架在掛車中是一個關鍵部件，失效后掛車會脫離牽引車，帶來不可預估的危險。為防范該風險，根據栓、焊連接的特點設計了一套安全冗余裝置。其中栓、焊連接三種型式，根據文獻[2]中提到，不同的焊縫型式對連接的抗剪承載力影響較大，其破壞型式及設計建議見表2。

表2

結合牽引架的實際使用情況，將其設計為圖3所示的結構。內側U形板的側焊縫作為主連接；外側連接板的螺栓及側焊縫作為副連接結構，前者失效后繼續發揮作用，掛車不會立即脫離牽引車，實現安全冗余；而內側U形板的端焊縫因剛度大、變形量小，在超載或非正常工況下，會在側焊縫、螺栓失效前提前開裂，提醒警示駕駛員及時維修。

圖3 牽引環安裝機構

3、CAE分析

設計三維數模，以有限元方法為手段，在HyperWorks平臺上進行結構分析和評價。分別從解除外側螺栓連接、解除內側U形板的焊接連接兩方面受力分析，均未超出材料的屈服極限，安全冗余實現；在以兩倍最大拉力施加牽引架時，內側U形板的端焊縫處出現超出材料屈服極限，提前損壞，能實現設計要求的預警功能。

圖4 制動工況應力云圖

4、試驗驗證情況

4.1 疲勞壽命臺架模擬試驗

為確?？煽啃栽囼炓淮瓮ㄟ^，是眼前首先進行了疲勞壽命臺架模擬試驗。為準確獲知牽引架受力情況，進行了載荷譜的采集。經一致性分析和時域分析，牽引架兩側受力基本一致，時域主要集中在1～2Hz范圍內。

圖5 綜合路和越野路的時域信號（隨機載荷譜）

然后將采集的載荷譜利用nCode-GIyphWorks數據分析軟件進行處理，基于S-N曲線和Miner等損傷疲勞分析理論轉換為臺架試驗所需的單級應變幅值和加載次數。通過數據標定、疲勞等效里程的臺架模擬試驗后，牽引架完好。

圖6 數據轉化流程圖

圖7 臺架試驗安裝圖

表3 疲勞等效里程試驗次數

4.2 可靠性道路行駛試驗驗證

臺架模擬試驗完成后，進行2000km越野路可靠性試驗，見圖6-8，牽引架未出現問題，掛車順利通過鑒定。

圖8 越野時的照片

5、結論

按照GB／T 15087進行強度校核所需的最大牽引力，小于下坡緊急制動時計算的牽引力，應以計算值為準。在牽引環上增加彈簧作為緩沖裝置是可行和有效的。在牽引架的牽引環安裝支架增加安全冗余裝置十分必要?？煽啃栽囼炃斑M行臺架模擬試驗可有效減少軍車可靠性試驗的故障率。

[1] 余志生.汽車理論[M].第三版.北京:機械工業出版社,2002.

[2] 王元清等.加固用栓焊并用連接受力性能有限元分析.鋼結構,2006年第4期.

A cross-country full trailer towing design improvements

NieWenfu, Hu Yunjun
( Shaanxi heavy-duty truck Co.Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

By analyzing and calculating the force in working condition about off-road terrain , the design of traction frame is improving ,which contains two new design: buffer spring system and redundant safety system . Sample product is trial-produced after the design of traction frame has been CAE analysis, then it is installed on the testbench to process a simulation test. Finally the traction frame is arranged for reliability test and past at a time. This paper provides an effective design thinking and reference frame for designing of off-road vehicle’s traction frame.

traction; buffer system; redundant safety system; fatigue

U462.1

A

1671-7988(2016)07-99-03

聶文福，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.031