聂文福，胡运军

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

一种越野全挂车牵引架的改进设计

聂文福，胡运军

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

通过分析全挂车牵引架在越野路工况下的受力，对其进行改进设计，增加缓冲装置和安全冗余结构。对牵引架进行了CAE强度分析、疲劳等效里程台架模拟试验。实车越野路面通过可靠性试验。文章为开发越野挂车牵引系统提供参考依据。

牵引架；缓冲系统；安全冗余；疲劳

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-99-03

引言

为提高运输效率和经济性，实现物资的甩挂运输，我公司开发了一种双轴、牵引架杆式、越野全拖挂挂车（以下简称挂车）。该车牵引架原先以GB／T 15087校核所需的牵引力为基础设计而成，但在越野路面可靠性试验时发生了牵引环安装板断裂的故障，经分析是因在越野路面频繁承受冲击导致疲劳损坏引起。为解决该问题，对牵引架重新进行受力分析和结构改进设计。

1、受力分析

牵引环与牵引车的后牵引钩采用钩扣式连接，在一定的角度范围内纵摆、侧摆和横摆，满足GB4781的要求。挂车前轴可转向，仅按牵引架仅传递纵向的牵引力和压力计算分析。

表1 牵引力

牵引车总质量m1为22500kg，挂车总质量m2为7500kg，根据GJB 1380-92《军用越野汽车机动性要求》的规定，汽车列车所能通过的纵向坡度为40%。主要对汽车列车在爬坡时的起步瞬间、起步后加速，以及在水平、下坡和上坡路段时的紧急制动工况进行受力分析，最大牵引力Fdmax=-76293N（负值说明是压力），计算结果见表1所示。

2、牵引架结构改进设计

2.1 缓冲设计

牵引环除为挂车供行驶提必需的牵引力外，还需承受冲击力。冲击力产生的主要原因有两个，一是在行驶过程中制动时因制动不同步导致的纵向冲击。二是在两车挂接时，两者的相对运动造成的冲击。

为缓和冲击，在牵引环上增加弹簧缓冲装置，该装置动力学分析主要包含弹簧的预紧力分析和弹性容量分析。

2.1.1 预紧力分析

弹簧的静预紧力过小会造成冲击频繁，过大则减振作用不明显，弹簧静预紧力F预应大于挂车在良好路面的牵引力Fd，小于最大牵引力的绝对值。

在水平良好路面Fdmin=Ff= m2gf。

其中f为良好路面摩擦系数，取值为0.016[1]。

弹簧静预紧力：F预=500×9.8=4900N，Fdmin=1176N，Fdmax= -76293N。

经计算分析：Fdmin＜F预＜Fdmax，选取弹簧预紧力满足要求。

2.1.2 弹性容量分析

弹簧的弹性容量是其缓冲性能优劣的重要指标，与两车的总质量、速度差有关。根据动量守恒定律和能量守恒定律，缓冲弹簧所需的容量可由式3-1计算：

式中V—牵引车和挂车的最大车速差，牵引车要挂接挂车时，取V=10km/h。

δ-能量吸收系数，小于1时表示剩余部分冲击动能由车架、车身等部位吸收，本车设定δ=0.80～1。

弹簧在挤压状态下实际具备的阻抗功Pj=ΣF阻·S；即图2中阻抗力-行程关系曲线中的面积；

图2 弹簧阻抗力-行程S的关系曲线

经计算：E=281250·δKJ，Pj=244294KJ。δ= /E=0.87。0.80＜δ＜1，说明簧由预紧状态压缩至设计行程末端自身具备的阻抗功，处于挂车系统冲击过程中损失动能的0.8～1倍之间，满足设计要求。

2.2 安全冗余设计

牵引架在挂车中是一个关键部件，失效后挂车会脱离牵引车，带来不可预估的危险。为防范该风险，根据栓、焊连接的特点设计了一套安全冗余装置。其中栓、焊连接三种型式，根据文献[2]中提到，不同的焊缝型式对连接的抗剪承载力影响较大，其破坏型式及设计建议见表2。

表2

结合牵引架的实际使用情况，将其设计为图3所示的结构。内侧U形板的侧焊缝作为主连接；外侧连接板的螺栓及侧焊缝作为副连接结构，前者失效后继续发挥作用，挂车不会立即脱离牵引车，实现安全冗余；而内侧U形板的端焊缝因刚度大、变形量小，在超载或非正常工况下，会在侧焊缝、螺栓失效前提前开裂，提醒警示驾驶员及时维修。

图3 牵引环安装机构

3、CAE分析

设计三维数模，以有限元方法为手段，在HyperWorks平台上进行结构分析和评价。分别从解除外侧螺栓连接、解除内侧U形板的焊接连接两方面受力分析，均未超出材料的屈服极限，安全冗余实现；在以两倍最大拉力施加牵引架时，内侧U形板的端焊缝处出现超出材料屈服极限，提前损坏，能实现设计要求的预警功能。

图4 制动工况应力云图

4、试验验证情况

4.1 疲劳寿命台架模拟试验

为确保可靠性试验一次通过，是眼前首先进行了疲劳寿命台架模拟试验。为准确获知牵引架受力情况，进行了载荷谱的采集。经一致性分析和时域分析，牵引架两侧受力基本一致，时域主要集中在1～2Hz范围内。

图5 综合路和越野路的时域信号（随机载荷谱）

然后将采集的载荷谱利用nCode-GIyphWorks数据分析软件进行处理，基于S-N曲线和Miner等损伤疲劳分析理论转换为台架试验所需的单级应变幅值和加载次数。通过数据标定、疲劳等效里程的台架模拟试验后，牵引架完好。

图6 数据转化流程图

图7 台架试验安装图

表3 疲劳等效里程试验次数

4.2 可靠性道路行驶试验验证

台架模拟试验完成后，进行2000km越野路可靠性试验，见图6-8，牵引架未出现问题，挂车顺利通过鉴定。

图8 越野时的照片

5、结论

按照GB／T 15087进行强度校核所需的最大牵引力，小于下坡紧急制动时计算的牵引力，应以计算值为准。在牵引环上增加弹簧作为缓冲装置是可行和有效的。在牵引架的牵引环安装支架增加安全冗余装置十分必要。可靠性试验前进行台架模拟试验可有效减少军车可靠性试验的故障率。

[1] 余志生.汽车理论[M].第三版.北京:机械工业出版社,2002.

[2] 王元清等.加固用栓焊并用连接受力性能有限元分析.钢结构,2006年第4期.

A cross-country full trailer towing design improvements

NieWenfu, Hu Yunjun
( Shaanxi heavy-duty truck Co.Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

By analyzing and calculating the force in working condition about off-road terrain , the design of traction frame is improving ,which contains two new design: buffer spring system and redundant safety system . Sample product is trial-produced after the design of traction frame has been CAE analysis, then it is installed on the testbench to process a simulation test. Finally the traction frame is arranged for reliability test and past at a time. This paper provides an effective design thinking and reference frame for designing of off-road vehicle’s traction frame.

traction; buffer system; redundant safety system; fatigue

U462.1

A

1671-7988(2016)07-99-03

聂文福，就职于陕西重型汽车有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.031