某重卡前端牽引裝置強度分析及優(yōu)化

姜濤,沈保山,陸永能,員征文

(1.徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.徐工集團徐州工程機械研究院,江蘇徐州 221004)

某重卡前端牽引裝置強度分析及優(yōu)化

姜濤1,沈保山1,陸永能2,員征文2

(1.徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.徐工集團徐州工程機械研究院,江蘇徐州 221004)

結(jié)合國標(biāo)GB/T 28948-2012《商用車輛 前端牽引裝置》與新開發(fā)車型的實際情況，明確了該牽引裝置的性能要求，并對其進行有限元強度分析和試驗。在對標(biāo)結(jié)果吻合較好的情況下，提出優(yōu)化方案，在滿足性能要求的情況下，實現(xiàn)降質(zhì)量11 kg，達到了優(yōu)化產(chǎn)品性能的目的。

前端牽引裝置；強度；應(yīng)力；屈服強度

0 引言

自卡車誕生以來，牽引裝置已成為卡車必不可少的零部件。當(dāng)汽車處于失去動力或陷入沼澤地等情況時，通常采用救援車輛或其他牽引機械將被困汽車脫離困境[1]。

不同產(chǎn)品配置和使用需要，決定了牽引裝置的性能要求。其中，GB/T 28948-2012《商用車輛 前端牽引裝置》中要求牽引車和掛車間的牽引裝置端部允許水平±50°、垂直±6°的位移，并能夠承載貨車最大允許總質(zhì)量一半的載荷。某出口國外的木材車主要用途為將樹林中的木材運送到指定地點。因其配有斷氣剎后橋，當(dāng)整車失去動力無法提供氣源時，要進行拖車必須將斷氣剎的調(diào)整螺栓旋起，使后橋處于無制動狀態(tài)[2]。此情況無論硬拖還是軟拖都是非常危險、不允許的。所以，該車僅在被困于泥濘壞路時才拖車，工況相對簡單、明確。結(jié)合GB/T 28948-2012規(guī)定，定義該前端牽引裝置的要求為：允許水平±10°、垂直±6°的位移，承載力為最大允許總重力的3/4(18.75×104N)。

1 牽引裝置有限元模型的建立[3]

該牽引裝置有限元模型包括前拖鉤支架、車架縱梁、銷軸、第一橫梁總成、固定端支架等。其中前拖鉤支架、固定端支架采用二階四面體單元進行網(wǎng)格化分；車架縱梁、第一橫梁總成、銷軸采用六面體；防撞梁及連接件采用殼單元進行模擬，螺栓采用RBE2+CBEAM單元進行模擬；整個計算模型由851 439個單元和1 277 948個節(jié)點組成。

按圖1內(nèi)容分別賦各部件屬性，并在前拖鉤支架與銷軸以及第一橫梁、固定端支架與車架縱梁以及第一橫梁接觸處采用Contact接觸連接，摩擦因數(shù)為0.15。

圖1 前端牽引裝置有限元模型

2 牽引裝置強度試驗與對標(biāo)

考慮到該車的實際使用工況，該試驗進行了水平10°(右)且垂直6°時各部件應(yīng)變的測試。

2.1 試驗方案設(shè)計

該試驗裝置主要包含5個部分：固定裝置、傳動連接、導(dǎo)向裝置、壓力機和數(shù)據(jù)采集裝置，如圖2所示。通過4個壓板將車架固定于平臺上，如圖3所示；通過銷軸將傳動桿與牽引裝置和導(dǎo)向裝置相連，釋放了不同方向的自由度，如圖4所示；通過導(dǎo)向裝置(如圖5)實現(xiàn)了壓力機僅承受水平力，保證了設(shè)備的有效使用。

圖2 前端牽引裝置整體試驗圖

圖3 固定裝置

圖4 傳動連接

圖5 導(dǎo)向裝置

試驗中，不斷增大壓力機的拉力，通過直角應(yīng)變花和應(yīng)變片獲取各部位不同外載荷下的應(yīng)變，布點位置如圖6所示[4]。

圖6 應(yīng)變測試位置

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理[5]

直角應(yīng)變花示意如圖7所示。

圖7 直角應(yīng)變花

εx=ε0

εy=ε90°

γxy=2ε45°-(ε0+ε90°)

由廣義胡克定律得：

解出兩個主應(yīng)力為：

對于脆性材料，依據(jù)第一強度理論，主要關(guān)注最大主應(yīng)力。對于塑性材料，由第四強度理論，按下式轉(zhuǎn)化為米塞斯應(yīng)力：

其中：ε0、ε45°、ε90°為測得數(shù)據(jù)；E、μ數(shù)值由材料型號決定；εx、εy為點O兩個方向的線應(yīng)變；γxy為該點的切應(yīng)變。

2.3 試驗結(jié)果與模型驗證

(1)試驗結(jié)果

由圖8可以看出：試驗加載載荷為法規(guī)要求的12.5×104N時，前拖車鉤系統(tǒng)變形量為9.2 mm，前拖車鉤系統(tǒng)未發(fā)生顯著變形，當(dāng)超過此載荷后，某部件已發(fā)生屈服，該曲線產(chǎn)生拐點。各部件上某點的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖9—11所示。

(2)模型驗證

將有限元模型按照試驗固定方式施加約束，在牽引銷上分別加載6×104、8×104、10×104N，如圖12所示，計算與試驗結(jié)果對比如表1所示，其中：第一橫梁及前拖車鉤支架各點應(yīng)力為米塞斯應(yīng)力，固定端支架各點應(yīng)力為最大主應(yīng)力。

圖8 牽引力-位移曲線

圖9 前拖鉤支架點1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 第一橫梁點16應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 固定端支架點13應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖12 有限元模型工況設(shè)定

零部件測點 外載：6×104N 外載：8×104N 外載：10×104N FEA/MPa試驗/MPa相對誤差/%FEA/MPa試驗/MPa相對誤差/%FEA/MPa試驗/MPa相對誤差/%第一橫梁1596．2101．35．03126．5132．54．53154．6160．73．8016117．3123．55．02157．4165．44．84258．6270．34．331782．289．68．26111．3116．44．38139．3151．27．8718117．5125．56．37158．2164．23．65192205．66．611944．650．311．3359．565．38．8877．485．39．262065．772．49．2589．492．83．66114．3124．68．272160．167．310．7081．687．87．06102105．12．95前拖車鉤支架176．384．69．81103．7107．83．80132．5145．48．872105．4113．36．97141．4148．54．78168．6177．44．96381．285．44．92106．1114．47．26134．6145．37．364109．4117．66．97146．9152．23．48185．6201．88．03580．285．66．31105112．26．42134．3142．65．82固定端支架1363．871．811．1487．493．86．82111．3120．37．481435．941．713．9149．254．69．8962．569．49．94

測點6、7、8、9、10、11、12位于固定端支架圓角處，測試數(shù)據(jù)無法直接利用，所以表中未體現(xiàn)，除個別小應(yīng)力區(qū)域誤差在10%～15%之間，其余各點誤差均在10%以內(nèi)，計算與試驗結(jié)果吻合較好，有限元模型的可信度較高。

3 牽引裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由分析及試驗結(jié)果可以得到，載荷達到12.5×104N時，前橫梁應(yīng)力值超過材料屈服強度，不滿足設(shè)計要求。制定改進方案及計算結(jié)論如表2所示。

表2 各改進方案計算結(jié)論

由表2可以看出：方案二、三均滿足此工況的使用要求。但方案三材料的焊接性能較差，易出現(xiàn)焊接缺陷。方案二的應(yīng)力云圖如圖13—14。

雖然通過調(diào)整第一橫梁厚度、材料能夠滿足設(shè)計要求，但增重明顯。而二橫梁為懸臂結(jié)構(gòu)，對其進行局部加強效果甚微，且固定端支架較強，所以進一步優(yōu)化方案如圖15所示。

當(dāng)車輛被陷時，通過Y形軟繩牽引兩側(cè)牽引銷(如圖16所示)，將力傳遞給固定端支架，一方面克服了橫梁懸臂結(jié)構(gòu)不容易加強的難點，另一方面使用兩牽引銷共同承擔(dān)牽引力，提升了被牽引的能力。

圖13 外載19×104 N時第一橫梁應(yīng)力云圖

圖14 外載28×104 N時左固定端支架應(yīng)力云圖

圖15 新優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)圖

圖16 改進方案牽引示意

設(shè)F與F1所夾銳角為α，則F1=F·cosα，所以α越大，F(xiàn)1、F2的值就越大。因單側(cè)牽引銷距離中心僅0.5 mm，當(dāng)點O距離銷軸小于0.5 m時，易造成軟繩與前保險杠干涉，所以α≤45°。當(dāng)F右偏10°時，F(xiàn)1=153 591 N，F(xiàn)2=107 546 N。垂直向上6°牽引工況各部件應(yīng)力云圖如圖17—20所示。

圖17 牽引銷應(yīng)力云圖

圖18 固定端支架(左)應(yīng)力云圖

圖19 固定端支架(右)應(yīng)力云圖

圖20 第一橫梁應(yīng)力云圖

分析結(jié)果表明：該工況各部件均滿足強度要求。經(jīng)進一步計算，在規(guī)定角度范圍內(nèi)，各部件上的應(yīng)力值均小于該工況計算值。經(jīng)過新一輪試驗已證明該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

在對原始結(jié)構(gòu)進行試驗與分析結(jié)果對標(biāo)的基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達到了如下效果：

(1)驗證了分析模型的合理性；

(2)設(shè)計出一種新型的前端牽引裝置，滿足了該車型的特殊需求；

(3)在滿足性能的基礎(chǔ)上，目前已實現(xiàn)降質(zhì)量11 kg， 后續(xù)可通過該方法快速對車架扭轉(zhuǎn)工況進行計算，對第一橫梁做進一步優(yōu)化降重，提升材料利用率。

[1]李濤.某重型貨車前端牽引裝置[J].科技傳播，2012,4(16):87-88.

[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009:349-350.

[3]李楚琳.Hyperworks分析應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008:3-48.

[4]劉春海，李世德.汽車車輪應(yīng)力測試方法研究[J].機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2014(8):26-28.

[5]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010:230-246.

StrengthAnalysisandOptimizationofFrontTractionDeviceofaHeavyDutyTruck

JIANG Tao1, SHEN Baoshan1, LU Yongneng2, YUAN Zhengwen2

(1.Xugong Automobile Manufacturing Co., Ltd.,Xuzhou Jiangsu 221004,China； 2.Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou Jiangsu 221004,China)

Combining with GB/T 28948-2012CommercialVehicle-FrontTowingAttachmentsand the actual situation of a newly developed truck, the performance requirements of the traction device were clarified, and the finite element strength analysis and experiment were carried out. In the case of consistent calculation and test results, an optimization scheme was proposed. Under the condition of satisfying the performance requirement, the weight reduction is 11 kg, which achieves the purpose of optimizing the product performance.

Front traction device；Static strength; Stress；Yield strength

U469.2

A

1674-1986(2017)11-004-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.001

2017-06-06

國家科技支撐計劃(2015BAF07B02)

姜濤(1965—)，男，學(xué)士,工程師，從事技術(shù)研發(fā)工作。E-mail：jiangtao@xgqc.com。