某重型汽車前端牽引裝置受力分析及驗證

夏彥曉 龐建中 史全勝 文/圖

概要：重型汽車在滿載需應急牽引時，其牽引裝置需要按照國標GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》推薦的性能要求設計。本文通過測試、建模CAE 分析、再測試，研究了車輛在使用“柔性”牽引并滿足標準的前提下，牽引車應選擇合適的牽引速度，才能有效避免牽引裝置失效。

關鍵詞：前牽引裝置； 牽引；速度

重型汽車在滿載運輸過程中，如突遇車輛自身發生失去動力、陷入泥潭等狀況需要其他車輛應急牽引，或者其他車輛受困需要本車去應急牽引時[1]，牽引裝置結構合理、能夠可靠地發揮牽引作用，對節約時間成本、減少維修成本具有重要意義。

根據商用車前端牽引裝置國家標準GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》要求，貨車牽引裝置能承受的最小靜載荷為車輛最大允許總質量的1/2[2]。某些特殊情況下，被牽引車輛的貨物無法卸載或者卸載貨物困難，剛性裝置不利于或不方便操作時，需直接在前端牽引裝置上掛鋼絲繩或者尼龍繩牽引。這種情況下，被牽引車輛的滾動阻力、坡度阻力相對較大，營救車輛在不同牽引速度下，對被牽引車輛前端牽引裝置的瞬間沖擊力不同。因此，只有可靠的牽引結構和限制牽引車輛的行駛速度，才可有效避免牽引裝置的失效。

1 前部牽引裝置受力分析

1.1 牽引模擬過程

牽引車和被牽引車在水平瀝青或混凝土路面，通過牽引繩進行牽引。牽引車從零以一定的加速度前進，當牽引繩拉直后，牽引繩的力傳遞到被牽引車的前牽引鉤上，后車隨前車行駛，在短期內牽引車和被牽引車達到同速，完成牽引動作(如圖1所示）。

1.2 前端牽引裝置理論力學分析

通過在某試驗場的牽引試驗，牽引車質量為35 000 kg，被牽引車質量為40 000 kg，現場測量多組牽引試驗數據，牽引車行駛所用時間4 s，牽引車行駛距離約2.3 m，峰值拉力約為12.6 t，推算系統沖擊的作用時間為0.15 s。

模擬運動過程：牽引車掛上牽引繩后，開始以一定的加速度前進，見式(1)；在牽引繩開始受力到繃直的瞬間，運用動量守恒，近似推算出被牽引車輛在繩子繃直后的速度，見式（2）；把被牽引車輛作為研究對象，利用沖量定律計算沖擊值，見式（3）。

動力學計算模型:

式中：

V1—牽引繩繃直前牽引車速度;

S—牽引繩繃直前牽引車行駛距離;

a1—牽引繩繃直前牽引車加速度;

M1—牽引車質量(M1取35 000 kg);

M2—被牽引車質量(M2取40 000 kg);

V2—牽引繩繃直后被牽引車速度;

t—牽引繩繃直時間(或系統變形時間);

F—牽引繩瞬間作用力。

根據（1）、（2）、（3），分別取值，可得到表1 結果。

圖1 牽引模擬過程示意圖

表1 速度與力對應表

1.3 前端牽引裝置的汽車理論力學分析

根據力的相互作用，F(牽引繩瞬間作用力)等于被牽引車輛的行駛阻力。通過被牽引車輛的行駛阻力來計算其加速度以及速度，反向驗證理論力學計算結果的可信度。

汽車行駛總阻力公式如下：

式中：Ff為滾動阻力，Fw為空氣阻力，Fi為坡度阻力，Fj為加速阻力。

1.3.1 滾動阻力

滾動阻力Ff=Wf=m2gf[3](f 按照一般的瀝青路面取最大值0.02，見表2) (5)

表2 滾動阻力系數f 的數值

表3 汽車的空氣阻力系數與迎風面積

1.3.2 空氣阻力

式中：CD為空氣阻力系數，見表3；

A 為迎風面積，被牽引車的迎風面積取4 m2；

μa為車輛相對空氣速度，在6 級強風條件下，空氣流動速度為10 m/s，故起步時，被牽引車輛相對空氣的速度μa為10 m/s；

CD為貨車的最大空氣阻力系數，取值1.0。

代入式(6)得：Fw=1×4×102/21.15=18.9 N(相對其他阻力，Fw=18.9N，可忽略不計) 。

1.3.3 坡度阻力

Fi=Gsinɑ[3](G 為被牽引車的重力，ɑ為夾角) (7)

其中道路坡度是以坡高與底長之比來表示，即

根據我國公路路線設計規范，高速公路平原微丘區最大坡度為3%，一級汽車專用公路平原微丘區最大坡度為4%，一般四級公路平原微丘區最大坡度為5%。所以，一般道路的坡度均較小，此時，sinɑ≈tanɑ= i 代入式(7)計算得：

表4 力與速度對應表

表5 速度相差百分比

圖2 前端牽引裝置結構

（i 按照一級汽車專用公路平原微丘區最大坡度取值為4%）

1.3.4 加速阻力

Fj=ma2[3](m2為被牽引車質量40 000 kg，a2為啟動時瞬時加速度） (8)

根據（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）計算結果，可得到表4 相關數據。

1.4 不同參照物下牽引車速度對比

以牽引車為參照物，設定行車距離以及加速度的情況下，計算出牽引繩繃直前牽引車速度為V1以及牽引繩瞬時作用力F；以被牽引車為參照物，設定相同的牽引繩瞬時作用力F 的情況下，計算出牽引繩繃直前牽引車速度為V1′，二者速度相差百分比見表5。

在不同參照物下，牽引繩繃直前牽引車速度相差百分比的平均值為5.4%，說明在試驗推算的作用時間下，牽引繩繃直前牽引車的速度與牽引繩的瞬間作用力之間的關系可采信。

2 前端牽引裝置CAE 仿真分析

2.1 某重型汽車前端牽引裝置結構

某重型汽車的前端牽引裝置，如圖2 所示，由汽車牽引銷1、首梁2、牽引盒3 組成。

2.2 牽引銷材料力學性能

根據實際使用情況，在使用該類型前端牽引裝置時，牽引裝置的牽引銷相比其他部分較薄弱，故以牽引銷為研究對象。牽引銷的材料為40Cr，根據國標GB/T 3077 要求,經熱處理后，其抗拉強度≥980 MPa，屈服強度≥785 MPa。表6 示出了牽引銷力學性能。

3.3 牽引銷CAE 仿真分析

首先，建立完整車架的有限元模型，將前牽引裝置與車架相連，車架尾端固定約束,根據實際使用工況，對牽引銷逐步施加不同的載荷，直至載荷加載到22 t 時，牽引銷部分區域所受的應力達到材料的屈服強度，滿足被牽引車總質量40 t 的牽引要求，如圖3 所示。

3 前端牽引銷試驗

3.1 設定試驗條件

3.1.1 試驗場地

試驗場地為緊固平整的水平面[2]。

3.1.2 試驗車輛質量

牽引車質量為35 000 kg，被牽引車輛質量40 000 kg(處于最大允許總質量狀態）。

3.1.3 試驗車輛固定

被牽引車輛剛性地固定在帶牽引裝置試驗裝備的試驗場地上[2]。

表6 牽引銷力學性能

圖3 牽引銷等效應力云圖

3.1.4 試驗程序

牽引車與被牽引車采用柔性連接牽引。

牽引車以2 km/h 的速度開始逐漸增加，直至被牽引車的牽引裝置發生失效。

3.2 試驗結果

牽引車以不同速度去拉被牽引車，得到的結果如表7 所示。

從試驗結果來看，牽引車以6 km/h(1.67 m/s) 拖拽被牽引車時，牽引裝置牽引銷發生屈服變形，對比表5，此時的牽引銷沖擊力約為215 544 N；CAE 仿真分析，在22 t(22 000×9.8=215 600 N)拉力作用下，牽引銷所受應力達到材料屈服強度。以上結果可見，CAE 仿真分析牽引銷承受的最大拉力與試驗測試結果基本相符。

4 試驗總結

通過上述試驗驗證，采用軟連接牽引滿載車輛時，牽引車的牽引速度對被牽引車的牽引裝置有直接影響，應該嚴格控制牽引車速度。所以，牽引重載車輛時，牽引裝置在滿足國家標準GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》要求的基礎上，需根據前后車輛牽引裝置所能承受的最大拉力，選擇合適的牽引速度，如此可有效避免牽引裝置的失效。

表7 試驗結果