程 乾 ，蔣亞波 ，張彬彬 ，白 楊 ，井 儀

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

前托架屬于配重架和發(fā)動機(jī)中間的重要連接部件，在整機(jī)中所處的位置如圖1 所示，下方連接前橋，承受不同作業(yè)狀態(tài)下的多種載荷的沖擊。拖拉機(jī)工作時受力特別復(fù)雜的部件長期會受到各種拉力、扭力和顛簸沖擊影響[1]，工作負(fù)荷過大時易造成前托架斷裂或出現(xiàn)裂紋狀態(tài)，所以前托架設(shè)計布局時，對強(qiáng)度的模擬工況分析不可或缺?？赏ㄟ^CAE 輔助，保證產(chǎn)品合理布局，降低多余損耗。用軟件模擬不同作業(yè)狀況下的受力載荷，對前托架進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出設(shè)計結(jié)構(gòu)的劣勢部位，使構(gòu)造出的托架架構(gòu)更能滿足工況所需[2]。

圖1 前托架部件示意圖

1 拖拉機(jī)前托架性能參數(shù)

本設(shè)計選用HT250 型號的灰鑄鐵作為前托架材料，抗拉強(qiáng)度為250 MPa、彈性模量為1.22×105MPa、泊松比為0.27、質(zhì)量密度為7.8 g/cm3。

2 前托架的有限元分析

2.1 前托架結(jié)構(gòu)特性

某重型拖拉機(jī)前托架的幾何模型如圖2 所示[3]。托架前部螺紋孔用于連接配重架，可加裝配重塊以提升拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性；后部挖有風(fēng)扇安裝槽，用以避讓發(fā)動機(jī)飛輪，使其與發(fā)動機(jī)本體連接；下部有凸出的兩個臺階，用于連接前橋本體。依據(jù)整機(jī)設(shè)計參數(shù)，前后配重的質(zhì)量分別為1 300 kg 和1 600 kg。整機(jī)最小使用質(zhì)量為10 011 kg，軸距為3 104 mm，質(zhì)心距托架前端面407.9 mm，整機(jī)承載分配比為0.45/0.55。

圖2 前托架的幾何模型

在拖拉機(jī)前托架設(shè)計之初，需要結(jié)合整機(jī)所適用的具體工況和特定的作業(yè)狀態(tài)，來對托架整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和受力分析，保證前托架在惡劣使用環(huán)境下不出現(xiàn)質(zhì)量問題。拖拉機(jī)前托架的布局要求相對較高，在各種實際作業(yè)工況下，需保證極限工況下的材料極限性能參數(shù)不被模擬狀態(tài)下得出的材料所受最大應(yīng)力值超過[4]。

拖拉機(jī)要實現(xiàn)牽引和驅(qū)動各種配套機(jī)具，完成旋耕、播種、深松、收獲作業(yè)以及小部分運(yùn)輸轉(zhuǎn)場作業(yè)等。因此，對前托架進(jìn)行提升、前橋沖擊、單前輪水平及豎直沖擊等典型工況下的模擬計算，發(fā)現(xiàn)前托架在設(shè)計布局上存在的薄弱環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步優(yōu)化加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要[5]。

2.2 有限元模型建立

前托架采用3D單元模擬，其余部分采用1D梁單元模擬，搭建整車有限元模型，如圖3所示。前橋與前托架的連接采用梁單元，并釋放銷軸處的旋轉(zhuǎn)自由度[6]。

圖3 拖拉機(jī)前托架有限元模型

2.3 前托架結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過軟件分析，不滿足使用需求的部位需通過調(diào)整所選材料特性或改變托架形式架構(gòu)，使托架的受力和變形情況滿足設(shè)計要求[6]。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，單元體的均方根剪應(yīng)力是引起材料屈服破壞的主要因素[7]，而重型前托架因整體結(jié)構(gòu)布置比較復(fù)雜，作業(yè)工況相對較廣，在各種作業(yè)狀態(tài)下，需確保材料的性能參數(shù)不小于在高強(qiáng)度工況下托架各部位受到的最大應(yīng)力值[8]。結(jié)合使用需求，選用HT250 型號的灰鑄鐵作為本托架設(shè)計的原材料，該材料失效的一般形式以發(fā)生塑性變形為標(biāo)志，因此用Von Mises 等效應(yīng)力來計算設(shè)計的前托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。Von Mises等效應(yīng)力計算方式如下：

強(qiáng)度條件表示為：

式中，[σ]為材料的強(qiáng)度極限。

在有限元分析過程中，結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析的控制方程可表示為：

式中，{K}為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，{U}為位移向量，{F}為載荷向量。

2.4 前托架在不同工況下的受力分析

對于前橋沖擊工況，是模擬雙側(cè)前輪遇到障礙后的豎直沖擊載荷，如圖4 所示。約束條件為前托架后端面所有移動自由度，所受載荷是前橋承重的3 倍，作用在前橋中心位置，方向為豎直向上，所受最大應(yīng)力值及所處位置如圖5所示。

圖4 前橋沖擊工況狀態(tài)

圖5 前橋沖擊工況下的最大主應(yīng)力及位置

對于單前輪水平?jīng)_擊工況，是模擬單個前輪在水平方向遇到障礙物的情況，如圖6 所示。約束后輪輪心處所有移動自由度、右前輪輪心處垂向及軸向移動自由度、左前輪輪心處垂向自由度。所受載荷為1.5倍前橋承重，作用在左前輪中心水平向后位置，所受最大應(yīng)力值及所處位置如圖7所示。

圖7 單前輪水平?jīng)_擊工況下的最大主應(yīng)力及位置

對于單前輪豎直沖擊工況，是模擬單側(cè)前輪遇到障礙后的豎直沖擊載荷，如圖8 所示。約束后輪輪心處所有移動自由度、右前輪輪心處垂向及軸向移動自由度、左前輪輪心處垂向自由度。以車輛后橋為旋轉(zhuǎn)中心，施加1.598 r/s2的角加速度，旋轉(zhuǎn)方向為繞后橋向下，所受最大應(yīng)力值及所處位置如圖9所示。

圖8 單前輪豎直沖擊工況狀態(tài)

圖9 單前輪豎直沖擊工況下的最大主應(yīng)力及位置

在這幾種工況中，模擬的前橋沖擊工況下的極限應(yīng)力為375.2 MPa，極限應(yīng)力位置在前托架后部與發(fā)動機(jī)連接部位（見圖4、圖5），材料的性能參數(shù)被超越（375.2 MPa＞250 MPa），材料性能在此部位失效。在此狀態(tài)下，前托架結(jié)構(gòu)已無法滿足實際需求，原托架設(shè)計的整體布局架構(gòu)需微調(diào)，以滿足使用需求。

3 改進(jìn)方案及結(jié)論分析

綜合以上作業(yè)工況狀態(tài)，針對不同工況下的約束創(chuàng)建對應(yīng)模型，得出實際受力狀況[9]，得到以下結(jié)果：最大應(yīng)力值為375.2 MPa，是在雙側(cè)前輪遇到障礙后的豎直沖擊載荷，位于前托架和發(fā)動機(jī)連接后端面的下部，在前橋受沖擊的工況下，托架正面受向下的作用力、后面端腳處受拉力。本設(shè)計選擇的托架材質(zhì)及布局無法滿足需求，材料發(fā)生失效，在此作業(yè)狀態(tài)下，需對前托架架構(gòu)布局進(jìn)行調(diào)整，使其滿足各工況使用要求。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，對原設(shè)計托架架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足整機(jī)開發(fā)所適用的工況需求。為盡可能地保證整機(jī)設(shè)計布局不進(jìn)行較大改動，進(jìn)行如下優(yōu)化：1）增加托架后段壁厚；2）前托架后支座連接處增加圓角過渡，減少集中應(yīng)力。改進(jìn)位置如圖10所示。

對優(yōu)化后的前托架架構(gòu)進(jìn)行模擬試驗，前橋沖擊工況下的最大應(yīng)力為205.1 MPa、單前輪水平工況下的最大應(yīng)力為153.7 MPa、單前輪豎直工況下的最大應(yīng)力為195.6 MPa，各作業(yè)模式下的所得數(shù)值全部優(yōu)于原設(shè)計。改進(jìn)后前橋沖擊工況下的最大主應(yīng)力如圖11 所示，最大應(yīng)力發(fā)生在前橋抬起托架和發(fā)動機(jī)連接后端面相接觸的位置。相比于原設(shè)計，應(yīng)力值減小，所承受的極限主應(yīng)力為205.1 MPa。前托架承受能力增強(qiáng)，發(fā)生失效的形式工況最大應(yīng)力由375.2 MPa 減少到205.1 MPa，強(qiáng)度增加了22.5%，完全滿足復(fù)雜條件下的使用要求。

圖11 改進(jìn)后前橋沖擊工況下的最大主應(yīng)力及位置

在模擬試驗時，各工況基本接近極限狀態(tài)，在此狀態(tài)下，改進(jìn)后的托架架構(gòu)布局所受應(yīng)力均小于材料性能極限，說明此方案有效可行[10]。

4 結(jié)論

本文通過有限元分析的方法探究汽車前托架設(shè)計是否存在缺陷，對前托架的不合理架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)市場需求。研究結(jié)果表明，優(yōu)化布局后的前托架結(jié)構(gòu)合理，滿足整機(jī)開發(fā)要求，在各種極限作業(yè)狀況下滿足使用條件，為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)提供了思路和經(jīng)驗，為拖拉機(jī)前托架設(shè)計提供了新的理論驗證方法，可極大地減少前托架的開發(fā)投入，加快產(chǎn)品上市速度，對大馬力重型拖拉機(jī)前托架的設(shè)計和優(yōu)化具有較大的理論指導(dǎo)意義。