熊本勝，劉志民

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

前言

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下用在車身質(zhì)量上的油耗約占70%；汽車整車質(zhì)量降低10%，可提高燃油效率達(dá)6%～8%，降低排放5%～6%[1-2]。整車質(zhì)量的降低以及輕量化材料的吸能性還會大大提升車輛操控的穩(wěn)定性和碰撞的安全性，因此汽車的輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵性研究課題[3]。

強度是后牽引鉤總成在設(shè)計時必須要滿足的要求。然而基于輕量化考慮，在滿足強度性能要求的前提下，有必要對后牽引鉤總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以達(dá)到減重降本增效的要求。但汽車輕量化不是一味地減輕零部件重量，必須綜合考慮汽車性能提高、重量降低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、價格合理等因素，達(dá)到在最合適的位置、以最合適的價格使用最合適的材料和結(jié)構(gòu)的目的[4]。

近年來，越來越多的工程師開始對牽引鉤進(jìn)行相關(guān)研究。石海明、胡安中等人通過取消后牽引鉤及加強件來實現(xiàn)輕量化設(shè)計[4]，漆杰、童元對汽車前端牽引裝置包括牽引鉤及其安裝固定裝置進(jìn)行CAE分析及優(yōu)化設(shè)計[5]，王峻峰、喬鑫對前端牽引裝置強度進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化[6]，韓冬雪、丁曉明對牽引鉤本身進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計[7]。但是，目前還沒有相關(guān)文章對焊接或者螺接在車身上的后牽引鉤總成進(jìn)行相關(guān)的研究。

本文對焊接和螺接在車身上的后牽引鉤總成從結(jié)構(gòu)、重量、固定位置、可見高度等進(jìn)行詳細(xì)分析，對工程設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。本文首先對某車型的后牽引鉤總成存在的問題從多方面進(jìn)行分析，然后歸納總結(jié)后牽引鉤總成常見的結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點，基于此提出2種輕量化方案并從多方面對比；再結(jié)合有限元強度分析及后牽引鉤實驗對輕量化方案進(jìn)行優(yōu)化與驗證。

1 問題分析

某車型的后牽引鉤總成由兩塊鈑金焊接而成，然后通過4組螺栓螺母與后縱梁連接，其實車照片如圖1所示。在該后牽引鉤總成中，后牽引鉤內(nèi)板厚度2.5mm，重量0.78kg，而后牽引鉤外板厚度2.5mm，重量0.72kg，再加上4組連接后縱梁的螺栓螺母的重量0.2kg，整個后牽引鉤總成的重量達(dá)到1.7kg，總成本為19.68元，如圖2所示?；谳p量化考慮，在滿足強度性能要求的前提下，有必要對后牽引鉤總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，以達(dá)到減重降本增效的要求。

圖1 某車型的后牽引鉤總成實車照片

圖2 某車型的后牽引鉤總成位置、組成及重量

另外，在該車型中，后牽引鉤總成外漏過多，不滿足可見高度要求，如圖3所示。SAE 5%女性人體站在后保險杠處看后牽引鉤，站在3米、5米、7米遠(yuǎn)處的可見高度要求分別為：0mm、≤15mm、≤20mm。其實際的校核結(jié)果如下：站在3米、5米、7米遠(yuǎn)處，后牽引鉤的可見高度分別為46.07mm、70.47mm、81.4mm。在7米遠(yuǎn)處，后牽引鉤實測的可見高度超出允許高度值最多，約為61.4mm。

圖3 某車型SAE5%女性人體可見后牽引鉤的高度

2 優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)分析

汽車重量主要集中在車身結(jié)構(gòu)，輕量化途徑可從影響車身重量的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等因素考慮；其中，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計是最直接最有效和成本最低的措施。

按照后牽引鉤的固定形式，后牽引鉤總成主要有3種常見的結(jié)構(gòu)形式：

形式 1——焊接在后地板備胎坑處，結(jié)構(gòu)形式為：后牽引鉤、后牽引鉤支架、后地板；其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、拖鉤支架同時對后地板備胎盆有加強作用，缺點是影響備胎布置，即備胎不能懸掛在后地板下方，如車型A～車型D所示。

形式 2——螺栓連接在后縱梁處，結(jié)構(gòu)形式為：后牽引鉤總成、螺栓、后縱梁；其優(yōu)點是容易維修和更換，缺點是拖鉤外漏，較重，不利于輕量化，如車型E、車型F所示。

形式 3——作為隨車工具固定于備胎內(nèi)，安裝在后防撞梁處，結(jié)構(gòu)形式為：后牽引鉤、后牽引鉤加強板、后防撞梁；其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)強度高、美觀，缺點是對造型分縫有一定影響，如車型G、車型H所示。

圖4 常見后牽引鉤總成結(jié)構(gòu)形式

本文中所述的后牽引鉤總成為第二種形式，詳見圖 1。由于本車型的備胎布置在車內(nèi)，后牽引鉤總成可以采用第一種形式——焊接在后地板備胎坑處作為優(yōu)化方向；由于本車型的后部造型較為平坦，有空間布置后牽引鉤，故可以作為后牽引鉤總成的另一種優(yōu)化方向。

2.2 設(shè)計改進(jìn)方案

在不更改其他零部件的材質(zhì)和料厚、滿足總布置及其他部門要求的前提下，針對后牽引鉤總成的形式，本文提出了2種輕量化方案，即將后牽引鉤安裝在后防撞梁處、焊接在后地板備胎坑處，其固定位置、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、材料厚度、重量、方案描述等信息如表1所示。

表1 后牽引鉤總成的輕量化方案

從表1中可以看出，原方案、方案一、方案二中后牽引鉤總成（包括4組螺栓螺母）的重量分別為1.7kg、0.87kg、0.52kg；這三種方案相應(yīng)的成本分別為19.68元、20.65元、9.0元。其中方案二輕量化效果最好，比原方案減重1.18kg，減重比例為 69.4%；方案二降本最多，比原方案降本 10.68元。

另外，SAE 5%女性人體站在距離后保險杠3米處、5米處、7米處，這3種后牽引鉤總成方案的可見高度對比如表2所示。

表2 SAE 5%女性人體可見后牽引鉤的高度

從表2、圖3、圖5中可以看出，原方案中，在距后保險杠 7米處后牽引鉤可見高度值最大，為 81.4mm，超出目標(biāo)值20mm達(dá)到 61.4mm，不滿足要求；在方案一中，后牽引鉤完全在后保中，未外漏，故可見高度為0mm，即不可見，滿足要求；在方案二中，在距離后保3米處、5米處、7米處，后牽引鉤可見高度分別為0mm、12.35mm、16.39mm，都沒有超出目標(biāo)值，滿足要求。

圖5 方案二中SAE5%女性人體可見后牽引鉤的高度

3 有限元仿真分析

3.1 有限元模型

就后牽引鉤總成改進(jìn)的輕量化方案建立有限元模型，對在后防撞梁處、后地板備胎坑處的后牽引鉤強度分別進(jìn)行分析計算，為優(yōu)化設(shè)計方案提供依據(jù)，如圖6、7所示。

根據(jù)公司相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后牽引鉤強度有限元仿真分析的條件為：

約束：車身截斷面全約束；考慮后牽引鉤局部結(jié)構(gòu)件間的接觸作用；

加載方向：沿水平方向（X方向），向上10°，向下10°，水平向左30°以及水平向右30°分別加集中載荷F，詳見表3。

載荷大?。篎=0.5×g×滿載質(zhì)量=8538N，載荷由Adams模型提?。ㄈ鐖D6、7所示）。

表3 后牽引鉤總成CAE分析工況及加載要求

圖6 后防撞梁處后牽引鉤強度有限元模型

圖7 后地板備胎坑處后牽引 鉤強度有限元模型

3.2 分析結(jié)果

有限元計算的2種輕量化方案的最大變形、殘余變形、后牽引鉤塑性應(yīng)變、后牽引鉤支架或者后防撞梁塑性應(yīng)變?nèi)绫?所示，強度應(yīng)變云圖如圖8、9所示。

表4 后牽引鉤總成輕量化方案強度分析結(jié)果

圖8 后防撞梁處五種工況下的后牽引鉤強度應(yīng)變云圖

有限元分析結(jié)果表明：

方案一，后牽引鉤更改至后防撞梁處，如表4、圖8所示，在垂直向上10°、垂直向下10°、水平向右30°加載工況下，加載點最大變形分別為25.5mm、22.8mm、23.9mm，超出目標(biāo)值 10mm近 15.5mm；加載點殘余變形分別為13.2mm、11.1mm、10.7mm，超出目標(biāo)值3mm近10.2mm；該方案不滿足強度性能要求。

圖9 后地板備胎坑處五種工況下的后牽引鉤強度應(yīng)變云圖

方案二，后牽引鉤更改至后地板備胎坑加強梁處，如表4、圖9所示，除垂直向上10°加載工況下后牽引鉤加載點殘余變形6.8mm大于目標(biāo)值3mm外，其他工況均滿足目標(biāo)許用值，該方案滿足強度性能要求。同時校核在垂直向上10°加載工況下，后牽引鉤變形后沿加載路徑與后保險杠間隙約為11.6mm，大于總布置的目標(biāo)值8mm，如圖10所示，即使用過程中不會與后保險杠發(fā)生剮蹭，該方案滿足布置要求。

綜上所述，為了保障后牽引鉤有足夠的強度，采用方案二作為輕量化設(shè)計方案。

圖10 后牽引鉤加載變形后沿載荷方向與后保間隙

4 試驗驗證

針對體現(xiàn)方案二的車身進(jìn)行了2次后牽引鉤強度實驗，其實驗工況按照表2后牽引鉤總成CAE分析工況及加載要求來進(jìn)行。實驗后對車輛進(jìn)行查看，結(jié)果如圖11、12所示。

從圖中可以看出，試驗結(jié)束后，后牽引鉤與后牽引鉤加強支架正常連接、無斷裂、無開焊、無影響正常使用的塑形變形，后牽引鉤周邊的其他部件沒有破損和功能上的失效，符合后牽引鉤強度性能要求，該輕量化方案可行。

圖11 體現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的1號車的實驗結(jié)果

圖12 體現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的 2號車的實驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對某車型的后牽引鉤總成進(jìn)行了研究。首先對后牽引鉤總成的重量較重、成本較高以及不滿足可見高度要求的問題進(jìn)行了分析，然后歸納總結(jié)了后牽引鉤總成常見的結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點，基于此提出了2種改進(jìn)的輕量化方案，并從多方面進(jìn)行對比分析，其重量、成本、可見高度明顯優(yōu)于原方案；然后，利用CAE有限元對2種改進(jìn)的后牽引鉤總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度分析，確定了焊接在后地板備胎坑處的方案為最佳輕量化方案。最后，通過后牽引鉤實驗驗證了該輕量化方案，滿足實驗要求。相對于原方案，優(yōu)化后的方案實現(xiàn)單車減重1.18kg，降本10.68元，達(dá)到了減重降本增效的目的，滿足可見高度要求，并得出以下結(jié)論：

1）按照后牽引鉤的固定形式，后牽引鉤總成有3種結(jié)構(gòu)形式：a、焊接在后地板備胎坑處；b、螺栓連接在后縱梁處；c、作為隨車工具固定于備胎內(nèi)、安裝在后防撞梁處。

2）相對于用螺栓連接在后縱梁上的某些車型，后牽引鉤焊接在后地板備胎坑處減重降本效果明顯。

3）相對于用螺栓連接在后縱梁上的某些車型，焊接在后地板備胎坑處的后牽引鉤的可見高度更小。

參考文獻(xiàn)

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