崔繼強(qiáng)，程頤，沈亞強(qiáng)

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

牽引裝置雖然是卡車上使用率非常低的零件，卻是必不可少的?？ㄜ囋谧陨戆l(fā)生故障、陷入泥潭等無(wú)法正常行駛的狀況下，需要其他車輛通過(guò)拖鉤進(jìn)行牽引脫離困境[1]。現(xiàn)在市場(chǎng)上的牽引裝置多為拆卸式，需要進(jìn)行拖車時(shí)才安裝，因此對(duì)于拖鉤的重量有了一定的限制。本文在不改變牽引裝置安裝位置的情況下，對(duì)牽引裝置進(jìn)行優(yōu)化，減少其重量、提高方便攜帶和易于安裝的性能。

1 優(yōu)化方案

如圖所示，牽引裝置安裝在車架首橫梁上，保險(xiǎn)杠格柵中間，由牽引底座、銷軸、開(kāi)口銷等組成。從整體優(yōu)化角度出發(fā)，可以通過(guò)減少牽引裝置的零件數(shù)達(dá)到減重的作用；從局部?jī)?yōu)化角度出發(fā)，可以通過(guò)改變某個(gè)零件的材料，增強(qiáng)其極限應(yīng)力，從而減少體積，方便攜帶和易于安裝。

圖1 牽引裝置安裝位置

1.1 整體優(yōu)化

整體優(yōu)化是對(duì)牽引裝置的所有零件之間的受力關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)，去除某些零件的同時(shí)要求保留牽引裝置的傳力路徑不變。改進(jìn)后方案增加了上拉鉤和中間橫梁代替銷軸的作用，傳力路徑從銷軸-牽引底座-首橫梁變?yōu)闋恳鬃?首橫梁。

圖2 牽引裝置（改進(jìn)前）

圖3 牽引裝置（改進(jìn)后）

1.2 局部?jī)?yōu)化

牽引裝置主要的承力部件為牽引底座，幾乎所有重量體現(xiàn)在底座上，因此對(duì)其進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。通過(guò)選取強(qiáng)度更高的材料（見(jiàn)表1）和對(duì)圖3 方案薄弱位置進(jìn)行局部加強(qiáng)，使其能滿足各種牽引工況要求。

表1 牽引裝置材料

2 仿真分析

2.1 分析流程

優(yōu)化后的牽引裝置需要滿足強(qiáng)度要求，即能承受材料的極限應(yīng)力[2]。本文通過(guò)有限元軟件對(duì)改進(jìn)后方案進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其可行性。如圖4 所示，首先建立改進(jìn)后方案的初步模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加不同的邊界條件，最后驗(yàn)證最大應(yīng)力部位是否滿足極限應(yīng)力。

圖4 方案分析流程

2.2 有限元模型建立

圖5 約束端位置

有限元模型建立包括幾何模型建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件施加[3]。由于牽引底座的曲面比較復(fù)雜，采用3D 四面體單元?jiǎng)澐?，單元尺寸?mm。車架首橫梁和螺栓強(qiáng)度都滿足各種工況，因此可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程，只分析牽引底座的強(qiáng)度，以四個(gè)螺栓孔位為約束端，采用RBE2 單元進(jìn)行X、Y、Z 方向固定，如圖5 所示。

車輛在行駛過(guò)程中會(huì)遇到多種路況，不同的路況對(duì)應(yīng)牽引工況也不一樣。牽引裝置需要滿足多個(gè)角度的牽引方向，而且保證牽引繩不脫落。如圖所示，設(shè)計(jì)的牽引裝置應(yīng)該至少滿足6 個(gè)牽引工況（載荷大小為20t），如圖6 所示，其中a、b、c、d、e、f 適用于平穩(wěn)的公路，d、e、f 適用于復(fù)雜的山區(qū)和礦區(qū)。

圖6 牽引工況

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

牽引裝置的強(qiáng)度計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)不同角度、不同部位進(jìn)行抗拉強(qiáng)度仿真，如圖7 所示。a、b、c 和e 工況下的牽引底座主要受力部位集中在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，d 和f 工況下的中間橫梁受力最大。

圖7 不同工況受力結(jié)果

表2 各工況安全因子

表2為6 種工況下的安全因子。從表中可以看出所有工況下的安全因子都大于1，均滿足強(qiáng)度要求。中間橫梁上作用的d、e、f 工況的安全因子均大于上拉鉤作用的a、b、c 工況的安全因子，因此建議在使用中多用中間橫梁進(jìn)行牽引。

3 結(jié)論

本文在不改變?cè)瓉?lái)牽引裝置安裝位置和安裝關(guān)系的情況下，通過(guò)整體和局部?jī)?yōu)化，牽引裝置重量由19.86kg 降到了10.23kg，零件數(shù)量減少2 個(gè)，更加方便攜帶和安裝。同時(shí)，通過(guò)仿真分析進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可行性。本文的優(yōu)化思路具有一定的工程參考性，類似的結(jié)構(gòu)同樣適用。