由汽車車輪驅動的履帶牽引裝置*

□ 王鳳鳴 □ 顧風雯 □ 張 帥 □ 王 哲 □ 王 杰 □ 肖玉玲

哈爾濱商業大學 輕工學院 哈爾濱 150028

1 研究背景

由于我國幅員遼闊,地理條件、氣象條件復雜多變,因大霧、冰雪和暴雨等災害性天氣引起的道路交通事故時有發生,產生的后果嚴重。在復雜惡劣路況條件下,例如雪地、沙地、碎石路、泥地、冰面上,汽車雖有一定的通過性,但車輛的運動較難控制。

對于汽車車輪履帶牽引裝置的研究,國內外一直采用拆解式方案。目前市場上銷售的都是多為拆解式的履帶牽引裝置,這類設備往往有粗重的承重梁,笨重且拆裝困難,每次使用都需要將汽車車輪的輪轂卸下,難以實現即拆即用,往往需要專業人員事先進行安裝,方可啟動。當用戶發現路況發生變化時,無法使車輛實現公路與雪地路況之間的靈活切換。

拆解式履帶牽引裝置裝拆時需要很多專用設備,費時且費力。因此需要一個既能將輪式車輪變成履帶式牽引動力又方便拆裝的裝備,省去將車輪與履帶式牽引組件進行拆卸作業的過程。

為了解決現有技術中存在的問題,筆者提出了一種汽車車輪驅動的履帶牽引裝置。通過在履帶座上設置輪胎固定架用于承載輪胎,并設置了帶動件,當汽車輪胎驅動后通過帶動件可驅動履帶一起同向轉動,完成在雪地或泥沙等路況的行駛,該裝置結構簡單,且無需拆裝輪轂即可實現即拆即用的功能。

2 市場需求

在我國北方地區,例如哈爾濱、齊齊哈爾等城市,長期處在寒冷天氣下。主城區道路在清雪部門的清掃下,對道路交通的影響較小,但是偏遠地區則受雪地的影響較大,所以對于較偏遠地區人們的生產生活有重大的影響。近年來,隨著我國經濟水平的提高,人民追求更高的生活質量,對出行要求也越來越高,出現了多種適合在雪地進行車輛通過性試驗及創新產品的設計創造。

3 結構設計

筆者設計的一種由汽車車輪驅動的履帶牽引裝置包括履帶行走機構、承載機構帶動件、擋雪板及前導板等。履帶行走機構的兩側設置有用于承載汽車輪胎的承載機構,履帶行走機構上設置有與汽車車輪接觸的帶動件,帶動件被汽車車輪帶動轉動后,驅動履帶行走機構的行駛。

使用前,汽車通過外置的攀爬梯,將汽車輪胎搭設在承載機構上,汽車車輪被驅動后轉動,從而驅動帶動件帶動履帶轉動,轉動的履帶驅動整個裝置行駛。其中,履帶行走機構為現有技術,包括兩個導向輪、多個托帶輪、多個承重輪、一條履帶及履帶座,導向輪、多個托帶輪、多個承重輪及履帶都位于履帶座內。兩個導向輪將履帶撐起,承重輪與托帶輪同軸設置于兩個導向輪之間,且與履帶的內側壁接觸。履帶牽引裝置結構如圖1所示。

▲圖1 履帶牽引裝置結構

承載機構中包括固定在履帶座頂部側壁上的輪胎固定架,輪胎固定架上連接有多個支撐且與汽車車輪接觸的輪胎導輪,輪胎固定架用于定位汽車車輪,且通過履帶座對汽車車輪進行限位,即汽車車輪下陷于履帶座和輪胎固定架內,其中設置的輪胎導輪可避免汽車車輪轉動時對履帶座及輪胎固定架造成摩擦損壞。履帶座的頂部固定連接有兩個擋雪板,且兩個擋雪板位于輪胎固定架的前后兩側,用于阻擋積雪進入履帶座內。帶動件連接履帶座內的帶動輪及帶動輪的外側壁上輥軸小側板,輥軸小側板與汽車車輪外側壁接觸,且與履帶的外側壁嚙合,即汽車車輪與帶動輪外側壁上的輥軸小側板接觸,若汽車車輪轉動,就會驅動輥軸小側板轉動,同時由于輥軸小側板與履帶嚙合,進而轉動的輥軸小側板驅動履帶轉動。兩個帶動件分別位于汽車車輪的兩側,使汽車車輪的轉動方向與履帶的轉動方向一致。履帶座的一端固定連接有傾斜向上的前導板,通過前導板亦可起到擋雪的效果。

履帶牽引裝置渲染效果如圖2所示,內部結構如圖3所示。

▲圖2 履帶牽引裝置渲染效果

▲圖3 履帶牽引裝置內部結構

4 軟件介紹

4.1 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)技術是指利用計算機輔助求解現實中遇到的工程問題,即計算機輔助工程技術。該技術起源于20世紀60年代,經過30多年的發展和完善,己經成為涉及土木、機械、流體、航天等廣泛領域的成熟工程分析手段,在強度校核、應力應變分析、振動分析、模態分析、電磁分析、結構設計與優化等方面得到廣泛應用和認可,徹底改變了以往的工程設計理念,使計算機技術與工程問題完美地結合在一起。常用的CAE軟件包括SolidWorks、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用CAE軟件及Dynaform、Moldflow、Autoform等專用CAE軟件。

4.2 ABAQUS

在零部件校核中,筆者采用了ABAQUS有限元仿真軟件。ABAQUS是功能強大的工程模擬有限元軟件,解決問題的范圍涵蓋相對簡單的線性分析乃至復雜的非線性問題,擁有能夠模擬任意幾何形狀的單元庫,以及各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,也可以模擬其它工程領域的許多專業問題。ABAQUS因其具有豐富的單元庫與材料庫以及在非線性求解中有著非常顯著的優勢等優點,被廣泛應用至各個工程應用技術領域中。

5 導向輪軸校核

車輛在正常使用的情況下,軸系應力遠小于其屈服極限,但是在實際運行過程中,可能出現諸多極端情況,如在崎嶇的路面上、由于意外因素使勁加油門等,履帶牽引裝置的工況比較惡劣,此時的安全性能不可忽視。由于在履帶牽引裝置眾多軸系中,前置的導向輪所在軸承受履帶的拉力最大,因此筆者以導向輪軸為例,運用ABAQUS有限元分析軟件,對導向輪軸的應力分布和變形進行分析,并根據所得結果,對設計參數進行優化。

5.1 模型導入

導向輪軸的三維模型如圖4所示。

▲圖4 導向輪軸三維模型

在SolidWorks軟件中創建三維模型,將三維模型導入ABAQUS軟件并進行參數化設計,參數化設計是一種保持圖形拓撲約束關系不變的建模方法。

為了方便在之后的參數化設計中進行施加載荷、約束等操作,將軸承與導向輪軸接觸的四處接觸面切出深0.1 mm的槽,形成四個參考面。

5.2 材料屬性設置

導向輪軸的材料選用45號鋼,材料的彈性模量為1.90×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.8×106kg/mm3。在屬性模塊中創建一個彈性材料模型,新建一個類型為實體、均質的截面,并將該截面應用至所有實體中,裝配模塊選擇獨立方式。在分析步模塊中創建分析步,程序類型設置為靜態分析。

5.3 邊界條件與約束

對導向輪軸兩端的螺紋孔面進行固定約束,施加載荷類型為集中載荷,分別施加至軸承與導向輪軸的接觸面。集中載荷根據計算得到。履帶的內力即汽車車輪最大驅動力Fq為502 kN,上下履帶夾角為30°,則履帶對每個導向輪軸的壓力Fy為242 kN。

在導向輪軸的四個參考面所在位置依次建立四個參考點,并將這四個參考點與軸承接觸面進行耦合約束。載荷施加如圖5所示,約束條件施加如圖6所示。

▲圖5 載荷施加

5.4 劃分網格

導向輪軸模型采用四面體結構網絡劃分,如圖7所示。

▲圖6 約束條件施加▲圖7 網格劃分

5.5 計算結果

經有限元分析,導向輪軸應力分析結果如圖8所示,縱截面應力分析結果如圖9所示,位移分析結果如圖10所示。

▲圖8 導向輪軸應力分析結果▲圖9 縱截面應力分析結果

由圖8、圖9可以看出,在導向輪軸徑突變處應力值較大,與理論計算相符合,在螺紋副約束面應力值大,符合圣維南原理。從圖10可以看出,在導向輪軸中間處位移最大,因為軸徑大。

導向輪軸變形前后對比如圖11所示。

▲圖10 位移分析圖▲圖11 導向輪軸變形前后對比

在極限條件下,導向輪軸本身的等效應力最大值僅為3.242×103Pa,遠小于45號鋼的屈服極限,因此導向輪軸本身結構強度安全。但是根據應力分布圖發現,螺紋孔末端應力集中最明顯,因此在汽車發動機功率較大時,導向輪軸雖不至于失效,但是螺紋孔牙形容易發生變形,需要進一步對螺栓與螺紋孔接觸部分進行研究。

6 結束語

筆者根據市場需求,設計了一種由汽車車輪驅動的履帶牽引裝置。該裝置結構簡單,且無需拆裝輪轂即可實現即拆即用的功能,且該履帶式牽引裝置適用性強,體積小,質量輕,經濟實惠,能廣泛應用于復雜的地面環境條件。筆者對該裝置主要部件進行了有限元分析以優化設計結構,并驗證了其合理性。