某商用車前端牽引裝置的結構優化

高大威，彭碩方，金小紅，李偉賢

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200938；2.上汽商用車技術中心，上海 200438）

1 引言

前拖鉤作為汽車的安全裝置，被設計安裝在汽車前部的前保橫梁處，當汽車失去動力或陷入困境時，能幫助汽車在外力的作用下移動并走出困境。作為安全件，如果存在設計缺陷的話會引起車身零件的損壞，降低車輛的使用壽命。這就要求在設計前拖鉤牽引裝置時要考慮到其安全可靠性，不能因為強度不足，在用戶使用時引起的斷裂或變形量大造成周邊零部件損壞，從而不能反復使用。在生產工藝上來說，應滿足現有的生產水平，同時要便于制造和批量生產，做到效益最大化。

縱觀國內外對輕型汽車牽引裝置的法規要求，我國只有在2012年發布的《GB/T 28948-2012商用車輛前端牽引裝置》的法規，但此法規并沒有對輕型汽車做出相關規定；在2013年6月時，汽車標準技術委員會組織制定的《輕型汽車牽引裝置》的意見征求稿，但并沒有強制實施；2015年10月，我國國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發布了對輕型汽車牽引裝置的法規要求--《GB 32087-2015輕型汽車牽引裝置》，使得輕型汽車牽引裝置有了明確和統一的要求。歐盟于2010年制定的《EU 1005/2010》，對車輛牽引裝置也提出了相關要求。由于在法規發布之前國內汽車廠家都是根據自己企業的生產標準或國外法規對車輛牽引裝置進行的相關分析和實驗驗證，而新法規的要求比其企業標準或國外法規都要嚴格，因此，某些原始的牽引裝置結構是否依然能夠滿足該法規要求，有必要進行校核和改進。

根據新發布法規的要求，對滿足原有法規的某商用車前端牽引裝置進行有限元分析，采用HyperMesh建立有限元模型，利用ABAQUS進行計算分析，通過HyperView分析計算結果，驗證其是否滿足新法規的要求。通過分析發現，此車型隨著法規的升級，前端牽引裝置在全局Y負向25。拉伸載荷工況下出現了與車輛前部外飾件干涉的現象，造成外部結構的損壞，發現問題后進行結構上的優化，以確保滿足新法規的要求。最后通過實際試驗，驗證了優化后的牽引裝置設計合理，CAE分析準確。

2 新法規下對前拖鉤的設計要求

新法規標準適用于最大允許總質量不大于3500kg的M類汽車和N1類汽車。對于現有生產車輛中，應在其前部至少固定或可安裝一個牽引裝置，此牽引裝置在非牽引狀態時，其最外端不能凸出車輛外部輪廓在水平面的垂直投影。這一新法規下設計的牽引裝置，要求用于牽引的拖繩或拖鉤在穿過牽引裝置的空間區域時，此區域的內部尺寸不應小于25mm，如圖1所示

圖1 牽引裝置空間區域內部尺寸Fig．1 Inside Dimension of Front Towing Device

當在分別對牽引裝置施加水平拉伸的靜載荷F和水平壓縮靜載荷F時，牽引裝置及其固定件不能發生失效、斷裂或影響使用的變形。其中最小靜載荷F的計算公式為：F=m×g/2

式中：F—牽引裝置承受的最小靜載荷，單位為牛（N）；m—最大允許總質量，單位為千克（kg）；g—重力加速度，9．8m/s2。

方向為與車輛縱向中心線平行，而在車輛處于牽引狀態時，牽引裝置有時不僅僅只受到與車輛縱向中心線平行的水平方向拉伸和壓縮力。如在當車輛過彎時，會產生水平方向上的變化；在上下坡路時，會產生相對于牽引裝置垂直方向的位移。故對于牽引裝置，在施加水平方向±25°的拉伸或壓縮靜載荷F時，以及垂直方向±5°時的拉伸或壓縮靜載荷F時，如圖2所示。安裝在牽引裝置附近的其他部件（如燈具，前保險桿蒙皮，制動系統等）不能出現損壞。新法規同時規定了試驗條件：（1）試驗應使用同一牽引裝置，在同一汽車上進行，試驗汽車應處于制造商規定的裝備質量狀態，并固定在水平面上[1]。（2）允許在與實際汽車完全等效的同一車身或底盤上進行，應保證固定方式不應對牽引裝置強度產生影響，牽引裝置的受力狀況與整車一致[1]。

圖2 牽引裝置受力方向Fig．2 Forced Direction for Front Towing Device

3 優化前前端牽引裝置有限元仿真分析

3.1 幾何模型的建立

選取某商用車車型作為研究對象，該車型牽引裝置的原始結構位于右側前縱梁前端，其牽引環加強板與拖車鉤套管，前牽引環支架與牽引環加強板均采用CO2焊接；前縱梁外板與牽引環加強板，前保橫梁外板和牽引環加強板通過螺栓連接，如圖3所示。

圖3 前端牽引裝置CATIA模型Fig．3 CATIA Model of Front Towing Device

3.2 有限元模型的建立。

根據新法規的要求同時考慮到模型的計算量，用HyperMesh有限元分析軟件在A柱位置截取白車身前部結構有限元模型，如圖4所示。對新法規中要求的各個加載工況進行靜力學強度分析。

圖4 前牽引裝置有限元模型Fig．4 Finite Element Model for Front Towing Device

3.2.1 單元的選擇

為減少有限元求解時計算機占用的內存和考慮到前拖車裝置內部結構比較復雜及其料厚不均勻的特點，采用三角形和四邊形殼單元劃分網絡，其中三角形殼單元控制在6%以內，主要研究區域網格尺寸為（4×4）mm，在模型搭建時可以適當的對一些不關心的特征進行簡化，如個別復雜圓，螺紋裝飾等。

3.2.2 連接關系的建立

在完整的前牽引裝置中存在著三種連接狀態，即點焊焊接，CO2焊接以及螺栓螺接。點焊采用的是鈑金料厚1/2之和的ACM格式，CO2焊接是帶料厚的節點一一對應的四邊形單元（厚度按照鈑金料厚的1．5倍計算）。為快速響應解決問題，在仿真分析時螺栓連接關系中螺紋孔位置以rbe2模擬，螺栓過孔以beam單元模擬。

3.2.3 邊界條件的設置與載荷施加

在用有限元分析研究前牽引裝置的強度時，需要對截取的模型進行約束，為節省計算的時間以及受到運算平臺的限制，對截取的模型進行（1～3）自由度的約束。在拖鉤頂部施加載荷，在對加載工況添加時，根據法規要求需有水平X方向0°的拉伸和壓縮，Z向±5°的拉伸和壓縮，Y向±25°的拉伸和壓縮，由于在HyperView分析中某個方向加載工況完成后均需先卸載該工況才可以開始另一加載工況，故需有20個加載工況完成完整的分析。

3.3 結果分析

從有限元分析結果中可以看出，該結構在垂直方向±5°，水平方向±25°時，拉伸與壓縮工況下，各零件都無破壞。在受到垂直方向±5°與水平方向Y正向25°時，拉伸與壓縮力時，前牽引裝置變形后均未與車身其他零件產生干涉，滿足了法規要求。但在全局Y負向25°拉伸工況下，拖鉤出現位移較大的情況。此時的最大應力為1069MPa，如圖 5（a）所示。最大位移為 36．32mm，如圖 5（b）所示。此時前保蒙皮已于前拖鉤嚴重產生干涉，破壞了前保蒙皮結構，同時前大燈固定支架也產生了變形，這就影響到前大燈的安裝與穩定。而根據結構的設計要求，前保蒙皮和前拖鉤之間的間隙不能小于3mm，已無法滿足要求，故需進行結構上的更改優化。

圖5 Y負向25°拉伸工況Fig．5 Drawing Force in 25 Degree Direction ofGlobal Negative Y

4 前端牽引裝置優化與分析

4.1 優化目標與方案

從有限元分析的云圖中發現前牽引環加強板應力集中現象較嚴重，危險系數高，應著重考慮材料及加強結構以減弱應力集中現象較嚴重；在Y負向25。拉伸工況下前拖鉤偏移量較大，為了減小前拖鉤的的位移量應考慮增加安裝位置及焊接面積來達到要求。故優化的目的在于減弱應力集中與位移量，以期滿足新法規的要求。結合分析結果與優化目標具體做出以下四個方面的優化：（1）增加牽引環加強板的安裝點，以減小其在Y向的偏移量。在牽引環加強板前側增加一個與前保橫梁螺接的安裝點，需要新增一個牽引環加強板安裝支架，同時在加強板后部增加一個與前縱梁內板螺接的安裝點[9]。（2）加長套筒與牽引環加強板的CO2焊道。通過增加CO2焊道，可以加強套筒與牽引環加強板的強度。（3）變更牽引環加強板的結構，由原來的單個零件改為兩個拼焊起來的加強件。（4）更換高強度鋼：將前牽引環支架和牽引環加強板由原材料QSTE340TM更換成QSTE420TM

4.2 結構優化后的有限元分析

按照優化后的結構，重新建立有限元模型。優化前后前牽引裝置總成的，如圖6所示。其中各零件的材料概述，如表1所示。采用相同的有限元分析方法，得到在垂直方向±5°，水平方向±25°拉伸與壓縮工況下的應力分布云圖．從分布云圖中可以看出，在新結構下，其應力集中現象有所緩解，Y向移動量也隨之減少。結構優化后在Y負向25°拉伸工況下的前牽引裝置各零件的應力云圖，如表2所示。前牽引裝置在Y負向25°拉伸工況下，零件前牽引環加強板、套管的最大應力超過材料的屈服強度，最大應力由原來的1069MPa，減小為558．2MPa。所有零件抗拉強度均符合要求。即使在位移量最大的情況下前拖鉤與前保蒙皮之間的間距也達到了3．9mm，滿足了（3～5）mm的間隙要求。故通過仿真分析得知，此優化結構初步滿足設計要求。

圖6 優化前、后前牽引裝置總成Fig．6 Front Towing Device Before and After Optimization

表1 前牽引裝置零件力學性能Tab.1 Mechanical Properties of the Front Towing Device

表2 前牽引裝置在Y負向25°拉伸工況下的CAE應力結果云圖Tab.2 Stress Nephogram for Drawing force in 25 Degree Direction of Global Negative Y

5 試驗驗證

基于新的牽引裝置結構，對該車型進行試驗驗證。實驗的目的在于對商用車拖鉤和前保險杠在拖鉤拉拽前保險杠試驗中是否失效并測定拖鉤在額定載荷下的變形量。試驗儀器，如圖7所示。試驗設備，如表3所示。此次試驗是在車輛重載重量300000N以及試驗載荷150000N的情況下進行的。經試驗測得拖鉤在額定載荷下的變形量和有限元分析的位移量對比情況，如表4所示。

圖7 臺架照片Fig．7 Test Setup Photo

表3 試驗用儀器設備Tab.3 Test Instrument&Equipment

表4 加載試驗與有限元分析數據Tab.4 Loading Testing and Simulate Data

試驗表明新結構下拖鉤和前保險杠在完成水平0°、上5°、下5°、右25°和左25°的拉拽試驗后未失效，說明此次結構變更滿足法規要求。通過有限元分析和試驗驗證，發現兩者存在較小的偏差，偏差產生的主要原因在于有限元分析與試驗的加載方式不同，試驗時采用的是同一總成裝置，進行連續的試驗，直到試驗結束最終卸載力，而利用HyperView分析計算結果時受到軟件加載方式的限制，有限元分析軟件采用的是某個方向加載工況完成后均需先卸載該工況方才可以開始下一工況的加載。雖然有限元分析和試驗驗證之間存在著偏差，但偏差不大，在可接受范圍內。

6 結論

研究表明，對前端牽引裝置的結構優化滿足了新法規要求，通過一系列的優化過程，我們取得以下成果和經驗：（1）有限元方法進行計算分析和實際試驗結果基本吻合，證明CAE方法能夠有效地解決汽車零部件的優化設計，既縮短試驗周期，又可降低開發、試驗經費。因此，CAE方法極大促進了設計研發的進步，值得設計人員借鑒[11]。（2）對于零部件因結構設計不足產生位移過大和應力集中現象，需結合有限元分析對特殊部位進行合理的結構設計，避免位移量過大和應力集中現象的產生。

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