葉智博

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

汽車列車運輸是運輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。汽車列車運輸相比單車運輸可節(jié)約燃油25%，運輸效率提高40%，降低運輸成本30%以上。載貨汽車結(jié)合全掛車組成的汽車列車，可以靈活選擇單車或拖掛遂行運輸任務(wù)，可區(qū)段運輸、甩掛運輸多種模式，運輸方便、節(jié)約人力等諸多優(yōu)勢逐步受到關(guān)注。本文針對針對強化路面，開發(fā)了一種全掛車前牽引緩沖裝置。采用非線性彈性知識，設(shè)計了螺旋簧串聯(lián)橡膠墊的緩沖結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了復(fù)雜強化路面的沖擊。

1 全掛車前牽引緩沖裝置結(jié)構(gòu)

螺旋彈簧有高的垂向柔性，利用其垂向剛度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件間彈性聯(lián)接,提高汽車列車運行速度。橡膠彈性元件由于具有典型的非線性剛度特性，在力學(xué)參數(shù)方面比金屬零件具有更強的優(yōu)勢。全掛車在越野行駛過程中會受到來自地面強烈的瞬時沖擊載荷，為衰減這些沖擊和振動，多采用螺旋彈簧和橡膠等彈性元件。相比螺旋彈簧元件，橡膠在外形和變形較小的情況下可以獲得更大的垂向剛度。根據(jù)全掛車運行沖擊特點，設(shè)計前部牽引緩沖裝置，考慮小沖擊主要螺旋彈簧緩沖，在大沖擊時則利用橡膠元件的大剛度特點作為主要緩沖元件，提出螺旋簧串聯(lián)橡膠墊的非線性剛度緩沖串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)。主車、全掛車連接的牽引緩沖裝置如圖 1。牽引環(huán)將主車與全掛車相連，殼體、螺旋彈簧、橡膠緩沖塊通過限位板、雙頭螺栓夾持形成牽引環(huán)軸線導(dǎo)向機構(gòu)，牽引環(huán)通過大螺母緊固，開口銷對大螺母進(jìn)行軸線限位。牽引環(huán)受牽引和沖擊力前后移動時，殼體推動螺旋彈簧變形直至導(dǎo)向管限位，沖擊力繼續(xù)增大時橡膠緩沖塊持續(xù)變形緩沖。螺旋彈簧的線性彈性作用，縱然牽引鉤、牽引環(huán)之間存在有間隙的配合，也會起到無間隙補償?shù)淖饔?。橡膠緩沖塊的非線性彈性特點，可小變形吸收較大沖擊。

2 牽引力

汽車列車的牽引和爬坡能力決定其動力性能。掛鉤牽引力是設(shè)計緩沖裝置的依據(jù)。全掛車受力最嚴(yán)重的工況為坡道起步，對全掛車坡道起步、起步后加速，以及在水平、下坡工況進(jìn)行受力分析，依據(jù)汽車?yán)碚撝R，考慮滾動阻力、坡道阻力、加速阻力、空氣阻力。全掛車總質(zhì)量為 14000kg，牽引車總質(zhì)量為31000kg，根據(jù)GJB 1380-1992《軍用越野汽車機動性要求》的規(guī)定，汽車列車行駛坡道取40%。參照GB／T 15087《汽車牽引車與全掛車機械連接裝置強度試驗》的試驗方法對牽引力進(jìn)行校核。牽引力結(jié)果如表1。

圖1 牽引緩沖裝置

表1 牽引力

3 系統(tǒng)剛度

對于螺旋簧串聯(lián)橡膠墊串聯(lián)系統(tǒng)的剛度分析．主要有經(jīng)驗公式法和試驗方法。文中采用經(jīng)驗公式對系統(tǒng)剛度進(jìn)行分析。

3.1 小變形橡膠緩沖塊垂直剛度

橡膠材料是典型的非線性材料，其彈性與載荷、應(yīng)變、溫度等因素有關(guān)，彈性模量、靜剛度等特征表征比較復(fù)雜，通常采取試驗和經(jīng)驗設(shè)計方法，一般采取經(jīng)驗設(shè)計方法。試驗方法需要提供橡膠材料的單軸拉壓數(shù)據(jù)、雙軸拉壓數(shù)據(jù)、平面剪切拉壓數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)依賴試驗設(shè)備，獲取困難。一般經(jīng)驗通過橡膠硬度構(gòu)建一階多項式，以超彈性本構(gòu)模型來描述其彈性特性。使用粘彈性模型計算恒振幅激勵下橡膠隔振的動態(tài)特性。典型的Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型可精確表征橡膠材料特性，適合板、梁、固體和平面結(jié)構(gòu)的中、小變形。在有限元分析中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變能密度函數(shù)。其應(yīng)變能密度函數(shù)表達(dá)式為：

W ＝C10（I1-3）+C01（I2-3）+（J-3）2/D （1）式①中： C01、C10、D材料系數(shù),J 為體積比。

圖2 C10/C01 與HS 關(guān)系

參照文獻(xiàn)[2]，以壓縮超彈性材料系數(shù)C10/C01與橡膠的邵氏硬度 HS存在如圖 2、式②的關(guān)系。對于選定硬度的橡膠材料，通過圖2確定C01/C10值，根據(jù)式②即可求解出材料系數(shù)C10、C01。橡膠的邵氏硬度HS為85，橡膠超彈性材料模型的材料系數(shù)C10=3.463257，C01=0.034633，D=0.001。

根據(jù)經(jīng)驗公式，中間有孔圓形橡膠墊的垂向剛度 k1=4970kg/mm：

公式序號改為（3）、（4）、（5）、（6）

式中：k1-垂向剛度，Ac-承壓面積，Af-自由面積，μ1-垂直形狀系數(shù)，r1-外半徑（mm），r2-內(nèi)半徑（mm），h-自由高度（mm），G-剪切模量（N/mm2），E-彈性模量（N/mm2），HS-邵氏硬度。

3.2 壓縮彈簧剛度

依據(jù)《GB 4781-84 牽引車與全掛車的機械連接裝置互換性》中的要求，對牽引架總成工作范圍給出限定，橫向回轉(zhuǎn)角75°，縱擺角20°，側(cè)擺角25°，牽引環(huán)總成作為牽引架前部與牽引車連接的部件，需要滿足三個擺角限位。依據(jù)《GB/T 23935-2009 圓柱螺旋彈簧設(shè)計計算》，設(shè)計壓縮彈簧，選取鋼絲直徑25mm的彈簧鋼熱卷成型，中徑尺寸100mm，選用許用應(yīng)力較高的材料 60Si2CrA，彈簧自由高度 185±5mm，彈簧剛度k2=98kg/mm。

3.3 系統(tǒng)剛度

橡膠塊的壓縮剛度k1，據(jù)GB/T 7759中規(guī)定當(dāng)橡膠國際硬度值在80～89和90～95時，壓縮率分別為15%和10%，此范圍內(nèi)，不會壓縮永久變形，厚度 20mm橡膠塊最大壓縮量3mm。壓縮彈簧預(yù)緊力設(shè)定600kg，大于水平路面行駛時阻力420kg，其最大工作載荷 3170kg。橡膠塊、壓縮彈簧組合減振系統(tǒng)剛度。車輛平路、坡道勻速行駛、系統(tǒng)沖擊小于彈簧設(shè)計值2940kg，系統(tǒng)壓縮量30mm，橡膠塊和螺旋簧整體剛度系統(tǒng)起作用，車輛起步、加速、制動工況，系統(tǒng)沖擊力超過2940kg時，壓縮彈簧達(dá)到設(shè)計最大工作載荷，導(dǎo)向管起作用，彈簧作用變?yōu)閯傂?，橡膠塊緩沖載荷，達(dá)到最大壓縮量。

4 CAE模擬分析

應(yīng)用有限元法對物理模型進(jìn)行簡化，不考慮結(jié)構(gòu)件強度，將螺旋彈簧、橡膠緩沖塊作為彈性體，簡化冗余部件，螺旋彈簧、橡膠塊直接接觸件采用剛性體分析，為提高精度，螺旋彈簧采用六面體網(wǎng)格，為方便模型收斂，橡膠塊采用四面體網(wǎng)格大尺寸網(wǎng)格（見圖 3）。網(wǎng)格劃分完成后，定義單元和材料屬性。螺旋彈簧材料為60Si2CrA，彈性模量為196 GPa，泊松比為O.26,抗拉強度1765MPa，屈服強度1570 MPa，橡膠緩沖塊是橡膠彈性體，輸入上面得到的橡膠 Mooney-Rivlin模型參數(shù)C10、C01、D。

圖3

圖4

圖5

圖6

系統(tǒng)壓縮載荷加載在殼體頂部，載荷值2940kg時，橡膠塊、螺旋簧串聯(lián)緩沖系統(tǒng)最大變形26.6mm（見圖4），橡膠塊變形0.8mm，螺旋彈簧局部最大應(yīng)力1340.9MPa，發(fā)生在彈簧內(nèi)圈（見圖5），小于材料的屈服應(yīng)力。系統(tǒng)載荷值9644kg時，彈簧并圈，橡膠塊單獨緩沖，系統(tǒng)壓縮載荷最大，端面處最大變形2.08mm（見圖6），小于最大壓縮量3mm，不會產(chǎn)生壓縮永久變形。

5 結(jié)論

本文對前牽引串聯(lián)緩沖系統(tǒng)使用工況分析，基于非線性有限元軟件模塊和經(jīng)驗公式，對螺旋簧及橡膠墊串聯(lián)緩沖系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明仿真計算能較準(zhǔn)確地預(yù)測彈性系統(tǒng)的變形和應(yīng)力，為彈性體分析提供重要的理論分析和實踐指導(dǎo)意義。

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