李超超 程細(xì)偉 郭東卿 趙智 郝學(xué)智

摘要：硬牽引裝置是越野車輛在行駛中突發(fā)故障無法正常行駛且沒有條件自救的狀況下而采用的一種應(yīng)急互救結(jié)構(gòu)。對軍用越野車而言，其對提高作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性和整車可靠性，保障人員安全和降低裝備及車輛損失具有重要意義。文章以某輕型軍用越野車作為研究對象，根據(jù)實(shí)際使用需求，全新設(shè)計(jì)一種硬牽引結(jié)構(gòu)，并且針對越野路硬牽引試驗(yàn)中出現(xiàn)的安裝底座變形、牽引桿斷裂等失效問題，對硬牽引結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。對改進(jìn)后的硬牽引裝置進(jìn)行CAE分析和越野路硬牽引試驗(yàn)驗(yàn)證，牽引效果良好，滿足實(shí)際使用需求。同時(shí)文章也提供了一種輕型越野車硬牽引裝置設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)的參考方法。

關(guān)鍵詞：輕型越野車;硬牽引;應(yīng)急互救

中圖分類號(hào)：U463.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（ 2021） 06-0078-06 Design and Application of Hard Traction Device for Light Off-

Road Vehicle

LI Chao-chao， CHENG Xi-wei， GUO Dong-qing， ZHAO Zhi， HAO Xue-zhi

（ DongFeng Off-Road Vehicle Co. LTD， Shiyan 442000， China）

Abstract： The hard traction device is an emergency and mutual rescue structure adoptedwhen an off-road vehicle fails to drive normally and has no conditions for self-rescue. Formilitary off-road vehicles， it is of great significance for improving combat mobility and vehiclereliability， ensuring personnel safety， and reducing equipment and vehicle losses. The papertakes a light military off-road vehicle as the research object， and designs a new hard tractionstructure based on actual combat requirements. In addition， the hard traction structure hasbeen improved in view of the deformation of the mounting base and the fracture of the towbar in the off-road hard traction test. CAE analysis and off-road traction test verification werecarried out on the improved hard traction device. And the effect was good， meeting the actualoperational requirements. The article also provides a design， simulation and test referencemethod for a hard traction device.

Key Words： Light Off-road Vehicle; Hard Traction; Emergency And Mutual Rescue

輕型軍用越野車的特點(diǎn)是強(qiáng)越野性、高機(jī)動(dòng)性，生存能力強(qiáng)，要求能夠在車輛拋錨的情況下實(shí)現(xiàn)快速的應(yīng)急互救自救。文章正是針對某輕型軍用越野車的使用要求，設(shè)計(jì)一種可滿足隨行車輛之間應(yīng)急互救的硬牽引裝置。相比于牽引繩、絞盤[1]等軟牽引應(yīng)急互救裝置，硬牽引裝置能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的路面情況和使用環(huán)境，有更加快速穩(wěn)定的牽引效果;同時(shí)相比于單桿硬牽引裝置，文章的雙叉臂型式的硬牽引裝置具有受力更好，牽引更穩(wěn)定的效果。文章也為硬牽引裝置的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)提供了一種參考方法和思路。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1使用工況分析

輕型越野車一方面要經(jīng)常在復(fù)雜的越野路面上行駛，另一方面還要面臨高寒、高溫、高原的惡劣環(huán)境，而輕型軍用越野車更要面對敵方火力攻擊的威脅。特殊的使用工況和使用要求造成軍用車輛一旦拋錨會(huì)因條件限制和時(shí)間緊迫而無法維修，因此為了保障車內(nèi)人員和設(shè)備的安全，提高車輛機(jī)動(dòng)性和生存能力，需要隨行車輛將拋錨車輛快速拖回至維修區(qū)或安全區(qū)，這就需要一款結(jié)構(gòu)可靠、隨車攜帶、使用方便的互救裝置。同時(shí)根據(jù)部隊(duì)實(shí)際使用情況，硬牽引裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性和牽引功能需滿足輕型軍用越野車普通路面和越野路硬牽引要求。

1.2受力工況分析

車輛正常牽引時(shí)的工況主要有水平工況、上下坡工況和轉(zhuǎn)彎工況。根據(jù)GB32087的規(guī)定，硬牽引時(shí)的最小水平靜載荷為D[2]，計(jì)算公式為：

式中：

D為牽引裝置承受的最小靜載荷，單位為kN;

m為牽引車輛最大允許總質(zhì)量，單位為t，mt≤lOt;

mg為被牽引車輛最大允許總質(zhì)量，單位為t，mg≤lOt;

g為重力加速度，9. 8lrri/s2。

考慮到越野路面行駛時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，起伏路面造成的扭轉(zhuǎn)載荷以及急加速急減速情況[3]，需要為每種工況增加相應(yīng)的安全系數(shù)。為了進(jìn)一步確定每種工況的安全系數(shù)，進(jìn)行了硬牽引裝置牽引工況下的應(yīng)變測試試驗(yàn)。應(yīng)變測點(diǎn)包括硬牽引裝置5個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，2個(gè)牽引固定點(diǎn)處應(yīng)變測點(diǎn)，具體應(yīng)變測點(diǎn)位置如圖1所示。

硬牽引應(yīng)變測試試驗(yàn)按水平路面加減速工況，上坡加速工況，下坡加速工況，左轉(zhuǎn)彎加減速工況，右轉(zhuǎn)彎加減速工況5個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)工況分別試驗(yàn)3次，應(yīng)變測試試驗(yàn)如圖2所示：

結(jié)合理論公式和試驗(yàn)結(jié)果分析，為每種工況增加相應(yīng)的安全系數(shù)，車輛硬牽引的具體工況和載荷計(jì)算公式如表1所示：

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)對硬牽引裝置使用工況和受力工況的分析，文章全新設(shè)計(jì)了一款雙叉臂結(jié)構(gòu)型式的硬牽引裝置。其主要由安裝底座、硬牽引鉤、硬牽引桿和硬牽引環(huán)四部分組成，如圖3硬牽引結(jié)構(gòu)示意圖所示。硬牽引裝置的隨車固定狀態(tài)和使用狀態(tài)分別如圖4（a）硬牽引吊裝示意圖和圖4 （b）硬牽引牽引示意圖所示：

安裝底座左右對稱安裝于前保險(xiǎn)杠上，其主要作用是固定硬牽引桿和將牽引力傳遞至前保和車架上;硬牽引環(huán)是牽引車輛與硬牽引桿的連接機(jī)構(gòu);硬牽引桿本身為雙層桿結(jié)構(gòu)，兩側(cè)有安裝支座用以連接硬牽引環(huán)和硬牽引鉤;內(nèi)桿為兩段式，每段上開有調(diào)節(jié)孑L，其露出長度可通過鎖銷和調(diào)節(jié)孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為Omm - 500mm。

如圖4（a）所示，在吊裝狀態(tài)下硬牽引桿一側(cè)安裝有硬牽引環(huán)，硬牽引桿和硬牽引環(huán)通過兩側(cè)的硬牽引鉤與安裝底座螺栓固定;如圖4（b）所示，硬牽引裝置使用時(shí)，將硬牽引桿和硬牽引環(huán)整體從硬牽引鉤上拆卸，硬牽引環(huán)與牽引車輛的后拖車鉤鉸接，兩根硬牽引桿與硬牽引鉤連接，形成雙叉臂結(jié)構(gòu)型式實(shí)現(xiàn)雙桿牽引。

1.4 硬牽引試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證硬牽引裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性和牽引性能，設(shè)計(jì)了一套硬牽引試驗(yàn)方法，分為硬牽引靜強(qiáng)度試驗(yàn)和硬牽引拖掛試驗(yàn)。

硬牽引靜強(qiáng)度試驗(yàn)按圖4（b）硬牽引牽引狀態(tài)所示進(jìn)行連接，按表1加載工況進(jìn)行加載。用拖鉤與拉力傳感器將牽引車輛的后拖車鉤和硬牽引裝置的硬牽引環(huán)連接，通過拉力傳感器確定硬牽引裝置受到的拉力，以保證其準(zhǔn)確的受力狀況。試驗(yàn)要求每個(gè)工況施加載荷持續(xù)時(shí)間不小于lOs，試驗(yàn)次數(shù)不小于5次，試驗(yàn)結(jié)果要求硬牽引裝置及其固定件不得出現(xiàn)裂紋、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形等失效。

硬牽引拖掛試驗(yàn)分為不小于150km的公路拖掛試驗(yàn)和不小于50km的越野路拖掛試驗(yàn)，具體試驗(yàn)要求如表2所示。硬牽引拖掛試驗(yàn)在襄陽汽車試驗(yàn)場進(jìn)行，其公路路況和越野路路況均符合汽車可靠性試驗(yàn)的要求。

試驗(yàn)結(jié)果要求硬牽引裝置及其固定件不得出現(xiàn)裂紋、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形等失效，安裝在硬牽引裝置附近的部件（如燈具、信號(hào)裝置）不得出現(xiàn)影響其正常功能的損壞[4]。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 問題及原因分析

硬牽引裝置在靜強(qiáng)度試驗(yàn)和公路拖掛試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性和牽引性能均滿足使用要求。然而當(dāng)越野路硬牽引拖掛試驗(yàn)進(jìn)行到lOkm時(shí)，一側(cè)硬牽引桿發(fā)生斷裂，并伴有前拖鉤底座扭曲變形及前保險(xiǎn)杠安裝位置開裂等失效問題，具體試驗(yàn)故障如圖5所示：

為了確定硬牽引裝置發(fā)生失效的原因，對硬牽引裝置進(jìn)行了CAE分析。仿真模型選取硬牽引裝置及與之連接的車架前段，如圖6所示。網(wǎng)格尺寸取2-3mm，按表1所示內(nèi)容施加工況載荷。硬牽引裝置仿真應(yīng)力云圖如圖7所示，具體工況最大應(yīng)力如表3所示：

從CAE分析結(jié)果可知，前保險(xiǎn)杠無論在何種工況下安裝位置處應(yīng)力遠(yuǎn)超其屈服極限，會(huì)產(chǎn)生明顯的塑形變形;安裝底座和硬牽引鉤在Y向+25°拉壓工況時(shí)其應(yīng)力過大遠(yuǎn)超其屈服極限;硬牽引桿和硬牽引環(huán)的受力均勻且較小，但也都超過了其屈服極限。

結(jié)合CAE分析結(jié)果和試驗(yàn)故障，明確了硬牽引裝置失效原因：1.安裝底座固定在前保險(xiǎn)杠外表面上，硬牽引時(shí)前保險(xiǎn)杠外表面受力過大，前保發(fā)生開裂;2.在兩車牽引過程中，加速工況使硬牽引桿受到的拉應(yīng)力過大，硬牽引桿強(qiáng)度不足發(fā)生斷裂;3.在轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，安裝底座受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過大，發(fā)生扭曲變形[5-6]。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

依據(jù)2.1節(jié)得到的越野路硬牽引拖掛試驗(yàn)的失效原因，結(jié)合CAE分析結(jié)果，對硬牽引裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，改進(jìn)后的硬牽引裝置如圖8所示。其中安裝底座進(jìn)行了優(yōu)化，由盒型結(jié)構(gòu)優(yōu)化為實(shí)心結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)剛度;硬牽引鉤優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu);箱形前保險(xiǎn)杠內(nèi)部增加支撐套管，安裝底座與前保后表面連接，增大前保險(xiǎn)杠剛度;硬牽引內(nèi)桿由兩段式優(yōu)化為整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外桿采用焊接連接。同時(shí)對硬牽引部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了材料升級(jí)，提升了其屈服極限

3 改進(jìn)方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的硬牽引裝置的性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對其進(jìn)行CAE分析和越野路拖掛試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果如表4所示，越野路拖掛試驗(yàn)如圖9所示。從CAE分析結(jié)果可知，改進(jìn)后的前保險(xiǎn)杠及整個(gè)硬牽引裝置在不同工況下的應(yīng)力都有了明顯的下降且均小于其屈服強(qiáng)度。改進(jìn)后的硬牽引越野路拖掛也滿足試驗(yàn)要求。

結(jié)合CAE分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)后的硬牽引裝置在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用性能上均滿足輕型軍用越野車的要求。

4 結(jié)論

文章分析了輕型軍用越野車硬牽引裝置的使用要求和受力情況，設(shè)計(jì)了硬牽引裝置的CAE方法和試驗(yàn)方法，并通過CAE分析和試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)了一款滿足其使用要求的硬牽引裝置。文章也為硬牽引裝置的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)提供了一種方法和思路。

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文章論述了使用硬牽引桿的必要性。分析了硬牽引桿使用工況和受力情況。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法。通過CAE分析和試驗(yàn)比較，設(shè)計(jì)了一款滿足使用要求的硬牽引裝置。為硬牽引裝置的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)提供了一種方法和思路。文章實(shí)用性、可讀性較高，有一定的參考價(jià)值。

李超超

畢業(yè)于北京理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)越野車有限公司，任總成開發(fā)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師。