代輝

摘 要：文章以半掛牽引車牽引座強(qiáng)度設(shè)計(jì)及整車穩(wěn)定性分析為研究對(duì)象，首先對(duì)半掛牽引車牽引座工作原理進(jìn)行了簡單的介紹，隨后對(duì)半掛牽引車牽引座強(qiáng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)的探討與分析，最后討論了影響半掛牽引車整車穩(wěn)定性因素，以供參考。

關(guān)鍵詞：半掛牽引車 牽引座 優(yōu)化設(shè)計(jì) 穩(wěn)定性 分析

The Strength Design of the Tractor Seat and the Stability Analysis of the Whole Truck

Dai Hui

Abstract：This article takes the strength design of the tractor seat of a semi-trailer tractor and the analysis of the stability of the whole vehicle as the research object. First， the working principle of the tractor seat of the semi-trailer tractor is briefly introduced， and then the optimization of the strength design of the tractor seat of the semi-trailer tractor is systematically discussed and analyzed， and finally the factors affecting the stability of the semi-trailer tractor are discussed for reference.

Key words：semi-trailer tractor， traction seat， optimized design， stability， analysis

1 引言

牽引座作是牽引車和掛車之間重要的連接部件，在車輛行駛過程中，牽引座會(huì)因此承受一些荷載帶來的壓力，并且這些荷載種類也比較多，比較常見的有垂直載荷、沖擊載荷等，對(duì)于牽引座結(jié)構(gòu)而言，如果本身沒有足夠的強(qiáng)度與剛度，容易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響半掛牽引車安全。因此有必要從設(shè)計(jì)層面入手，做好半掛牽引車牽引座強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，并對(duì)整車穩(wěn)定性進(jìn)行分析探討，更好的保護(hù)半掛牽引車行駛安全。

2 半掛牽引車牽引座工作原理

半掛牽引車牽引座在實(shí)際工作時(shí)，主要依據(jù)的原理如下：首先，想要半掛車與牽引車分離，需要打開牽引座的保險(xiǎn)銷，此時(shí)脫鉤才會(huì)分開，然后拉動(dòng)拉環(huán)，在拉環(huán)的帶動(dòng)下，牽引鉤會(huì)繞銷座方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變牽引鉤的開口方向，原本牽引狀態(tài)下，開口方向朝里，現(xiàn)在需要分離，因此開口方向會(huì)朝外，牽引銷便得以直接從U形開口處脫鉤，自此半掛車與牽引車將會(huì)分離。當(dāng)需要進(jìn)行半掛車與牽引車連接時(shí)，重復(fù)上述步驟，即改變U牽引鉤的開口方向，能夠成功對(duì)接引銷，為了促進(jìn)半掛車與牽引車兩節(jié)，需要驅(qū)動(dòng)牽引車向后倒車，促使?fàn)恳N與牽引鉤對(duì)撞在一起，在這一過程中，能夠順利將已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)的牽引銷包住，牽引鉤也會(huì)固定死亡，成功將二者連接在一起。最后，再將外部保險(xiǎn)銷歸位，全面保證半掛牽引車行駛安全[1]。

3 半掛牽引車牽引座強(qiáng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化

在本次半掛牽引車牽引座強(qiáng)度設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，文章主要將牽引座鞍體優(yōu)化設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

首先，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)問題模型。針對(duì)一個(gè)常規(guī)優(yōu)化問題，標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如下：在滿足相應(yīng)的約束條件、情況下，求設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解，在上述條件之中，D代表的是可行域，RN代表的是N維實(shí)空間，最終讓目標(biāo)函數(shù)取得最值。在這一表述中，主要概述了以下三種設(shè)計(jì)要素：分別是設(shè)計(jì)變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)。

對(duì)于設(shè)計(jì)變量而言，簡單來說就是在設(shè)計(jì)過程中，由于需要一些方法支持，而這些方法的實(shí)施，離不開一些參數(shù)變量，這種參數(shù)變量實(shí)際上就是設(shè)計(jì)變量。全體設(shè)計(jì)變量可構(gòu)成以下一個(gè)向量表達(dá)式：

對(duì)于目標(biāo)函數(shù)而言，我們可以將其視為一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體表達(dá)式，通常計(jì)算該表達(dá)式，我們能夠根據(jù)結(jié)果來判斷優(yōu)化的最終成效。目標(biāo)函數(shù)能夠表示諸多內(nèi)容，比如可以是體積最小、服役期限最小、應(yīng)力值最大或最小、成本最高或最低等。如果一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中，只有一個(gè)指標(biāo)能夠優(yōu)化，那么可稱之為單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。反之，則稱之為多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)具體可用以下數(shù)學(xué)模型表示：

對(duì)于約束條件而言，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，實(shí)際上就是指一些優(yōu)化的限制條。因此實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)需要一個(gè)明確的界限，而約束條件就是該界限。且這些約束條件也有很多表達(dá)形式就，基于不同的約束條件形式，我們還可以對(duì)這些約束條件進(jìn)行針對(duì)性的劃分，以便在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，我們能夠進(jìn)行針對(duì)性選擇，在具體劃分方面，約束條件具體分為兩種，一是性能約束條件，二是幾何約束條件。從數(shù)學(xué)表達(dá)的角度來看，可以將約束條件分為以下兩種：

一是不等式約束：

二是等式約束：

在實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，針對(duì)上述三種變量，一般需要進(jìn)行綜合考慮，最終可以獲得以下數(shù)學(xué)模型：

在（5）式中，是目標(biāo)函數(shù)的上限，是目標(biāo)函數(shù)的下限。

在實(shí)際進(jìn)行半掛牽引車牽引座鞍體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時(shí)，目標(biāo)函數(shù)為整個(gè)鞍體結(jié)構(gòu)質(zhì)量m的最小值，而在設(shè)計(jì)變量選擇時(shí)，則是將鞍體結(jié)構(gòu)厚度作為主要對(duì)象，我們可以用b來表示，約束條件則是指，鞍體結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)頻率在實(shí)際變化時(shí)，不會(huì)超過一定范圍。那么更加上述模型，我們可以得出以下實(shí)際模型：

在軟件的幫助下，通過進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析計(jì)算，在這一過程中，還需要采用針對(duì)的方法來提高計(jì)算效率。比如我們可以采用局部逼近方法，能夠從中獲得一個(gè)近似模型，促使計(jì)算效率得到有效提升。為了方便說明分析，我們可以將牽引車牽引座鞍體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行如下圖一所示的標(biāo)記。在本次分析過程中，安裝上述設(shè)置的條件，將設(shè)計(jì)變量定義為離散值，遞增步距設(shè)置為0.1mm;最小鞍體結(jié)構(gòu)為目標(biāo)函數(shù)。約束條件則為：板 1、3、5、6、8的vonMises在300MPa以內(nèi)，板2、4、7vonMises應(yīng)力280MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)一階模態(tài)在160Hz以上。以此為依據(jù)，通過進(jìn)行迭代分析獲得最終設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果。從最終結(jié)果來看，半掛牽引車牽引座鞍體結(jié)構(gòu)在優(yōu)化，第一階模態(tài)由原本的148.2Hz上升至到170.3Hz，上升了22.1Hz;而對(duì)于鞍體結(jié)構(gòu)而言，原本的質(zhì)量是85.21Kg，經(jīng)過本次優(yōu)化，質(zhì)量降低了7.37kg，由此能夠說明，運(yùn)用上述方法能夠達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的[2]。

為了對(duì)上述做出的優(yōu)化合理性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，需要修改原本的限元模型，在約束條件相同的情況下，將載荷譜加載到鞍體表面，通過進(jìn)行動(dòng)載荷強(qiáng)度計(jì)算分析，在這一過程中，對(duì)于加載方式和約束條件而言，我們可以將其視為不變廊，但需要確定載荷譜作用時(shí)間，在本次驗(yàn)證過程中，將時(shí)間控制在24s，積分時(shí)間步長為0.24s，總時(shí)間步數(shù)為100步。幫選擇5s、10s、15s三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，作為步時(shí)輸出結(jié)果參考，從最終結(jié)果我們能夠了解到，鞍體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布基本一致，它們分別為237.8MPa、286.3MPa、213.5MPa。為了對(duì)上述三個(gè)時(shí)間步中危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行分析，需要借助上述計(jì)算結(jié)果，并在 Patran 軟件的幫助下完成計(jì)算。在經(jīng)過軟件計(jì)算后我們能夠了解到，牽引車牽引座鞍體結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力變化范圍在150至250MPa之間，相較于原本的200至300Mpa，危險(xiǎn)范圍也得到了明顯的縮小，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值也得到了有效的縮小。從中我們能夠了解到，在本次半掛牽引車牽引座鞍體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，既達(dá)到了整體質(zhì)量輕量化的目的，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值又得到了有效的縮減，說明本次優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著提升了結(jié)構(gòu)性能，結(jié)構(gòu)的使用壽命也會(huì)因此大大延長。

4 半掛牽引車整車穩(wěn)定性分析

半掛牽引車穩(wěn)定性是指當(dāng)行駛狀態(tài)中的車輛受到外界干擾時(shí)，本身的一種抗干擾能力，這種能力的具體表現(xiàn)，便是行駛穩(wěn)定性。在半掛牽引車整車穩(wěn)定性分析過程中，文章采用了根軌跡分析方法，這種分析方法最大的優(yōu)勢就在于不需要進(jìn)行復(fù)雜的微分方程組的求解，并且實(shí)際分析過程也比較簡單，能夠有效提升分析效率。在具體分析過程中，需要借助特征方程特征根，來明確其在復(fù)數(shù)平面上的位置。一般情況下，實(shí)際位置不同，做出的響應(yīng)也不同，因此能夠基于不同響應(yīng)，了解最終的結(jié)果。對(duì)于特征根而言，具體響應(yīng)結(jié)果由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。從李雅普諾夫穩(wěn)定性判斷定律我們能夠了解到，當(dāng)在復(fù)平面虛軸左側(cè)，出現(xiàn)了特征根，說明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài);如果在虛軸之上，說明系統(tǒng)處于臨界狀態(tài);如果在虛軸，說明系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。為了更好的分析，我們可以在 Matlab軟件的幫助下，做好程序編寫，完成小系統(tǒng)根軌跡的繪制，便于我們了解其具體的位置。

首先，關(guān)于車速變化操縱穩(wěn)定的影響。半掛牽引車行駛速度是變化頻率最為明顯的一個(gè)參數(shù)。從我國當(dāng)下行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來看，如果半掛牽引車在行駛時(shí)。速度變化范圍是10至35m/s，在該運(yùn)行條件下，通過計(jì)算根軌跡，根據(jù)軌跡變化規(guī)律我們能夠了解到，隨著牽引車速度越大，實(shí)部絕對(duì)值則隨之減小，在這一情況下，根軌跡將會(huì)逐漸靠近虛軸，牽引車穩(wěn)定性也會(huì)隨之下降。

另一方面，關(guān)于牽引車質(zhì)量變化對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，可以將半掛車與牽引車視為一個(gè)整體。在實(shí)際分析時(shí)，我們可以假設(shè)，半掛牽引車處于安全行駛的狀態(tài)下，不存在貨物超載的情況，此時(shí)半掛車質(zhì)量變化范圍為13至20t，牽引車質(zhì)量變化范圍為8至13t，以此條件進(jìn)行軌跡圖計(jì)算分析，從中我們能夠了解到，牽引車質(zhì)量與實(shí)部絕對(duì)值呈正比，因此此時(shí)根軌跡與虛軸將會(huì)“漸行漸遠(yuǎn)”，半掛牽引車將會(huì)越來越穩(wěn)定。而隨著半掛車質(zhì)量增大，實(shí)部絕對(duì)值則逐漸減少，相應(yīng)軌跡圖逐漸靠近虛軸，說明半掛牽引車的穩(wěn)定性在逐漸減弱，同時(shí)半掛車質(zhì)量變化帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牽引車質(zhì)量變化帶來的影響，因此在實(shí)際行車時(shí)，為保證半掛牽引車穩(wěn)定性，注意半掛車不要出現(xiàn)超載問題[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，半掛牽引車牽引座強(qiáng)度是一項(xiàng)決定整體車輛安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此有必要針對(duì)這一指標(biāo)，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)分析，再做進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)為保證半掛牽引車整體行駛安全性，還需要對(duì)半掛牽引車穩(wěn)定性要素進(jìn)行分析探討，從而更好地維護(hù)半掛牽引車行駛安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡玉強(qiáng)，鞠康，李哲丞.半掛牽引車牽引座尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2016，023（010）：240-243，247.

[2]鞠康，蔡玉強(qiáng).QD 9020牽引座多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及疲勞分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2017，012（001）：97-98，101.

[3]許凱.基于ADAMS/CAR半掛牽引車操縱穩(wěn)定性的仿真與優(yōu)化[D].2016.