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(shè)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(shè)計，增加緩沖裝置和安全冗余結(jié)構(gòu)。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(fā)越野掛車牽引系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

牽引架；緩沖系統(tǒng)；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(jīng)濟性，實現(xiàn)物資的甩掛運輸，我公司開發(fā)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(chǔ)設(shè)計而成，但在越野路面可靠性試驗時發(fā)生了牽引環(huán)安裝板斷裂的故障，經(jīng)分析是因在越野路面頻繁承受沖擊導(dǎo)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(jié)構(gòu)改進設(shè)計。

1、受力分析

牽引環(huán)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(nèi)縱擺、側(cè)擺和橫擺，滿足GB4781的要求。掛車前軸可轉(zhuǎn)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(zhì)量m1為22500kg，掛車總質(zhì)量m2為7500kg，根據(jù)GJB 1380-92《軍用越野汽車機動性要求》的規(guī)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(jié)果見表1所示。

2、牽引架結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

2.1 緩沖設(shè)計

牽引環(huán)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(chǎn)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(dǎo)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(huán)上增加彈簧緩沖裝置，該裝置動力學(xué)分析主要包含彈簧的預(yù)緊力分析和彈性容量分析。

2.1.1 預(yù)緊力分析

彈簧的靜預(yù)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(yù)緊力F預(yù)應(yīng)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(shù)，取值為0.016[1]。

彈簧靜預(yù)緊力：F預(yù)=500×9.8=4900N，F(xiàn)dmin=1176N，F(xiàn)dmax= -76293N。

經(jīng)計算分析：Fdmin＜F預(yù)＜Fdmax，選取彈簧預(yù)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(yōu)劣的重要指標(biāo)，與兩車的總質(zhì)量、速度差有關(guān)。根據(jù)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(shù)，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(shè)定δ=0.80～1。

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

圖2 彈簧阻抗力-行程S的關(guān)系曲線

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

2.2 安全冗余設(shè)計

牽引架在掛車中是一個關(guān)鍵部件，失效后掛車會脫離牽引車，帶來不可預(yù)估的危險。為防范該風(fēng)險，根據(jù)栓、焊連接的特點設(shè)計了一套安全冗余裝置。其中栓、焊連接三種型式，根據(jù)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(shè)計建議見表2。

表2

結(jié)合牽引架的實際使用情況，將其設(shè)計為圖3所示的結(jié)構(gòu)。內(nèi)側(cè)U形板的側(cè)焊縫作為主連接；外側(cè)連接板的螺栓及側(cè)焊縫作為副連接結(jié)構(gòu)，前者失效后繼續(xù)發(fā)揮作用，掛車不會立即脫離牽引車，實現(xiàn)安全冗余；而內(nèi)側(cè)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(cè)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(huán)安裝機構(gòu)

3、CAE分析

設(shè)計三維數(shù)模，以有限元方法為手段，在HyperWorks平臺上進行結(jié)構(gòu)分析和評價。分別從解除外側(cè)螺栓連接、解除內(nèi)側(cè)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(xiàn)；在以兩倍最大拉力施加牽引架時，內(nèi)側(cè)U形板的端焊縫處出現(xiàn)超出材料屈服極限，提前損壞，能實現(xiàn)設(shè)計要求的預(yù)警功能。

圖4 制動工況應(yīng)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(zhǔn)確獲知牽引架受力情況，進行了載荷譜的采集。經(jīng)一致性分析和時域分析，牽引架兩側(cè)受力基本一致，時域主要集中在1～2Hz范圍內(nèi)。

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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為臺架試驗所需的單級應(yīng)變幅值和加載次數(shù)。通過數(shù)據(jù)標(biāo)定、疲勞等效里程的臺架模擬試驗后，牽引架完好。

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)

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(xiàn)問題，掛車順利通過鑒定。

圖8 越野時的照片

5、結(jié)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(yīng)以計算值為準(zhǔn)。在牽引環(huán)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(huán)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(yè)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(jié)構(gòu),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