越野車備胎架設計及掛鉤結構優化

劉雙燕，王高翔，楊少東，王新博

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

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越野車備胎架設計及掛鉤結構優化

劉雙燕，王高翔，楊少東，王新博

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

越野車輛工作環境復雜，常常面對嚴峻的路況，輪胎會出現爆胎現象，需要裝配備胎架。結合工程實際，對備胎架設計進行優化并利用軟件建立易損件——掛鉤的仿真模型進行強度分析，實現結構及性能的優化。

越野車備胎架；掛鉤；有限元分析；結構優化

0 引言

重型越野車輛工作環境惡劣，路況復雜，載質量大，長期面臨急造路面等極端工況，因此輪胎經常發生爆胎現象。為保證車輛正常工作，需要裝配備胎架。

該舉升裝置在實際行車中經常應用，包含很多易損零部件[1]，需要做運動校核及強度分析。考慮實際工況，做結構優化以提高使用壽命是零部件設計者的主要任務。針對某越野車輛的備胎架設計優化過程，對易損部件作有限元計算，以提出改進的依據。

1 方案設計

汽車底盤備胎架設計方案通過集成閥及雙油缸完成備胎裝卸。過程為：

(1)車輛啟動，發動機怠速運轉，打開備胎電源開關；

(2)將固定鋼管卸下，按下備胎升降開關，將備胎放至地面。

兩懸掛鋼鉤之間鋼絲繩長度的確定：根據備胎控制器位置、備胎架結構及位置確定鋼絲繩長度為506mm。備胎架總成CAD圖見圖1。

2 油缸選擇

舉升油缸的大小根據其所需最大行程及最大工作壓力確定。兩種備選油缸，額定工作壓力均為18MPa，行程L′均為580mm，安裝尺寸L均為796mm，有缸徑φ40mm、桿徑φ22mm和缸徑φ50mm、桿徑φ28mm兩種截面。

圖1 備胎架安裝CAD圖

2.1 計算油缸所需的最大行程

根據整車要求，計算出備胎架距地面高度。翻轉備胎翻轉架，將備胎放至地面，此時，油缸的行程最大，如圖2所示。圖中L1為備胎落地時油缸長度，油缸能滿足的最大行程L″=L1-L

圖2 備胎翻轉示意圖

2.2 計算油缸所需的最大壓力

圖2中A為旋轉點，L2為旋轉點距備胎重力的垂直距離，L3為旋轉點距油缸中心線的垂直距離，備胎剛離地時，油缸壓強p′計算公式：

其中:G為備胎的重力，為2 560kN。

備胎旋轉至地面的過程中，根據上述公式每隔5°作為一個記錄點分別計算油缸壓強。算得缸徑φ50mm、桿徑φ28mm時舉升油缸的最大壓強為10.9MPa；缸徑φ40mm、桿徑φ22mm時舉升油缸的最大壓強為16.77MPa。系統壓強由轉向系統確定，為13.5MPa。舉升油缸壓強最大值須小于0.9倍的系統壓力，即12.15MPa。因此選取缸徑φ50mm的油缸。

3 懸掛鋼鉤結構優化

兩鋼鉤承受拉力為2 560kN。鋼鉤部件的初步設計方案為S型[2]，在試車實驗中出現了屈服拉直的現象，需要對該結構進行校核及優化。分析S型鋼鉤受力，力線經過上下圓弧中心沿鉛直方向，與鋼鉤中部直線部分呈較大夾角，該直線部分在長期受力情況下有與力線方向一致的趨勢。經過建模及有限元計算[3]，S型鋼鉤工作狀態最大應力為440MPa，在上部大圓弧折彎處，與實驗情況一致。而鋼鉤所采用的材料為Q345，屈服極限δs為345MPa，抗拉極限δb為500MPa，工作應力已經超出屈服極限，所以容易發生屈服失效。S型鋼鉤實物及VonMises應力計算結果見圖3。

根據受力規律考慮，鋼鉤中間直線部分應與拉力方向一致為佳。經過多次試算，選定最小應力結構形式G型。該結構在同種工況下最大應力只有97.8MPa，安全系數3.5。G型鋼鉤的實物及VonMises應力計算結果見圖4。兩種形式掛鉤的備胎架見圖5。

圖4 G型鋼鉤實物及Von Mises應力圖

圖5 掛鉤結構改進前后對比圖

4 結論

改進后掛鉤的可靠性大大提高，經實驗取得了預期效果，沒有出現屈服現象。

【1】王霄鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010:30-34,47-50.

【2】劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社,2001:92-98,518-537.

【3】王元漢.有限元法基礎與程序設計[M].廣州：華南理工大學出版社,2001.

DesignofVehicleTypeRackandOptimizationoftheHook

LIUShuangyan,WANGGaoxiang,YANGShaodong,WANGXinbo

(TaianAerospaceSpecialVehicleCo.,Ltd.,TaianShandong271000,China)

Allterrainvehiclesoftenfaceonrigorroad,thetypesmaybedamagedsometimes.Itshouldbeequippedwithtyperack.Combinedwithengineeringpractice,thedesignofthetyperackwasoptimizedandthestrengthanalysisofthehookwascompletedtorealizestructureoptimizationandreliabilityimproving.

Typerackofallterrainvehicles;Hook;FEManalysis;Structureoptimization

2015-11-02

劉雙燕(1986—)，女，學士，助理工程師，從事特種車輛設計。E-mail：efdg_862@163.com。

王新博，E-mail：w_xinbo@126.com。

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