某重型商用車前牽引有限元分析與試驗研究

何代澄，萬剛

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，重慶 401122）

引言

當運行中的重型商用車陷入泥潭、凹坑及遇到故障時，一般采用救援車輛或其他牽引機械，通過前端牽引裝置協助其脫離困境。

目前，重型商用車前端牽引裝置主要有兩種布置結構[1]。第一種前端牽引裝置安裝在車架前橫梁中間位置，該結構對前橫梁強度要求較高，導致前橫梁結構相對復雜，但對保險杠及駕駛室造型影響較小。第二種前端牽引裝置安裝在車架縱梁或前托架上，左右對稱安裝，結構簡單。

關于汽車牽引裝置的相關標準及法規主要有：GB/T 28948-2012《商用車輛 前端牽引裝置》，該標準規定了安裝在商用車輛前端的牽引連接裝置的性能要求，適用于最大設計總質量超過3.5T 的客車、半掛牽引車和貨車，牽引車和被牽引車間的牽引裝置（鋼繩或牽引桿）端部允許有水平±50°、垂直±6°的位移，牽引裝置須承受的最小靜載荷為車輛最大允許總質量一半的載荷，沿車輛縱向水平進行牽引力施加，根據制造廠的選擇，可以在車身或底盤上進行試驗以替代整車試驗，此時車身或底盤至少包括前1/3 車長內所有部件，并且車身或底盤應被固定牢固。EU 1005/2010 歐盟法規（77/389/EEC 指令提出的要求在該法規中繼續有效，必要時進行修正以），指出裝配在車輛上的牽引裝置必須能夠承受一個拉伸和壓縮靜載荷，該靜載荷至少應等同于技術上可允許總質量的一半，拉伸和壓縮載荷需施加在各獨立牽引裝置上，試驗載荷沿車輛縱向進行施加。GB 32087-2015《輕型汽車牽引裝置》，該標準規定了輕型汽車牽引裝置的技術要求和試驗方法，適用于最大允許總質量不大于3500Kg 的M 類汽車和N1 類汽車，對牽引裝置沿車輛縱向、垂直±5°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮靜載荷F，其中F 為牽引裝置應能承受的最小靜載荷（最大允許總質量的一半）。

上述標準及法規中，GB/T 28948-2012 和EU 1005/2010雖然適用于重型商用車前端牽引裝置，但二者均僅對牽引裝置的縱向載荷進行了規定，而未對垂向和水平方向載荷情況進行規定。雖然GB 32087-2015 對牽引裝置的縱向、垂向和水平方向載荷均進行了規定，但該標準僅適用于最大允許總質量不大于3500Kg 的M 類汽車和N1 類汽車。

有限元法（Finite Element Method, FEM）是現代計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）的一個重要組成部分，已廣泛應用到汽車各零部件的強度、剛度分析中，以驗證設計結構的合理性。與傳統試驗方法相比，它可以減少試驗樣機的數量，縮短產品開發周期，進而降低開發成本，提高市場競爭力[2,3]。但為了提高CAE 分析的準確性，需要將CAE 仿真與試驗對標，修正CAE 分析模型。

因此，本文主要是基于重型商用車前端牽引裝置的相關標準及法規，利用CAE 仿真快速設計出滿足新產品開發所需的重型商用車前端牽引支座，并進行試驗驗證，確定CAE分析與試驗結果的差異，為提高CAE 分析的可靠性提供一定的參考依據。

1 前端牽引裝置結構設計

圖1 前端牽引裝置結構

本文設計的重型商用車前端牽引裝置結構如圖1 所示，該結構采用左右對稱安裝在車架縱梁上的安裝座（包括法蘭盤、圓管橫梁連接筒和掛鉤鏈接筒）、圓管橫梁組成。圓管橫梁伸入圓管橫梁連接筒內部并焊接，掛鉤連接筒內設計有與牽引掛鉤匹配的螺紋孔，通過螺栓將法蘭盤與車架縱梁連接，該設計將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結構集成在一起，這樣可使結構更加緊湊。

2 分析方法

2.1 有限元分析

由于本文設計的前端牽引裝置同時具備前橫梁和牽引的作用，且車架橫梁主要承受扭轉作用，同時考慮到前端牽引裝置需滿足相關標準及法規，因此本文CAE 分析工況包括車架扭轉和牽引情況。采用HyperMesh 進行前處理，求解器為Radioss，采用HyperView 進行后處理。其中，鈑金件用四邊形單元離散，基本單元尺寸為10mm；鑄件用四面體單元離散，基本單元尺寸為1-5mm。前牽引支座材料為ZG310-570，彈性模量2.1x105MPa，泊松比0.27，密度7.1x10-9T/mm3，屈服強度310MPa，抗拉強度570MPa。圓管橫梁材料為20鋼，彈性模量2.1x105MPa，泊松比0.28，密度7.85x10-9T/mm3，屈服強度245MPa，抗拉強度410MPa。

為分析車架扭轉工況時，該重型商用車前端牽引裝置的受力情況，建立的有限元分析模型如圖2 所示。前軸中心約束12345 自由度，平衡軸兩端約束23 自由度，同時在前軸中心處施加5°繞X 軸的強制扭轉載荷。

圖2 車架扭轉有限元分析模型

分析牽引工況時，結合前端牽引裝置相關標準及法規，并考慮該車的實際使用情況，分析情況包括沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮靜載荷15.5T，該靜載荷為車輛最大允許總質量一半的載荷，且截取前1/3車架長度，有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 前端牽引裝置牽引有限元分析模型

2.2 試驗分析

本文前端牽引裝置縱向水平拉伸臺架試驗，如圖4 所示。為了滿足應力梯度均勻、容易貼片和重點關注區域的試驗貼片原則，根據CAE 分析應力結果將應變花安裝在圓管橫梁上，通過圓管橫梁的測試應力來驗證本文CAE 分析所建模型的可靠性。共布置的左、中、右3 個測試點，其中左、右測試點為對稱點，中測試點為左、右測試點中心。縱向拉伸力在0-15T 范圍內，每間隔1T 測量出相應的應變值，然后將拉伸力加載到15.5T，同時測量出相應的應變值。最后由所測的應變值經計算得出相應的應力值。

圖4 前端牽引裝置縱向拉伸臺架試驗

3 結果及分析

3.1 有限元分析

本文前牽引支座為鑄件，鑄件抗壓強度極限比其抗拉強度極限高4-5 倍[4]，主要失效原因是拉應力過大引起的，因此以拉應力作為前牽引支座評價標準。

圖5 為車架扭轉5°時前牽引支座的應力結果，最大拉應力為104.8MPa，位于圓管橫梁與圓管橫梁連接筒焊接處，小于ZG310-570 材料屈服強度310MPa，安全系數為3.0，滿足設計要求。

圖5 車架扭轉5°應力結果

圖6 為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T 拉伸靜載荷時前牽引支座的拉應力結果，其中a 為縱向，b 為垂直+6°方向，c 為垂直-6°方向，d 為水平+25°方向，e 為水平-25°方向。可以看出，拉伸時該前牽引支座最大拉應力均出現在前牽引支座背面與法蘭盤過渡處，水平±25°方向拉伸比縱向和垂直±6°方向拉伸的拉應力大，其中水平+25°方向拉伸時最大拉應力為530.4MPa（安全系數為1.1），水平-25°方向拉伸時最大拉應力為509.0MPa（安全系數為1.1），均小于ZG310-570 材料抗拉強度570MPa，滿足設計要求。

圖6 拉伸時拉應力結果

圖7 壓縮時拉應力結果

圖7 為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T 壓縮靜載荷時前牽引支座的拉應力結果，其中a 為縱向，b 為垂直+6°方向，c 為垂直-6°方向，d 為水平+25°方向，e 為水平-25°方向。可以看出，壓縮時該前牽引支座水平±25°方向壓縮比縱向和垂直±6°方向壓縮的拉應力大，位置出現在圓管橫梁與圓管橫梁連接筒過渡邊緣處，其中水平+25°方向壓縮時最大拉應力為346.5MPa（安全系數為1.6），水平-25°方向壓縮時最大拉應力為341.1MPa（安全系數為1.7），均小于ZG310-570 材料抗拉強度570MPa，滿足設計要求。

上述CAE 分析結果表明，本文設計的前牽引支座滿足扭轉和牽引工況的要求，但水平±25°方向牽引工況（包括拉伸和壓縮）比其它工況惡劣。

3.2 試驗分析

為了確定上述CAE 分析結果的可靠性，需進行試驗驗證，以確定CAE 分析與試驗結果的差異。

圖8 為縱向拉伸力為15.5T 時圓管的CAE 應力分析結果，其中左右測點的應力值相同為378.3MPa，中測點的應力值為396.8MPa。由于左右測點為對稱布置，所以理論上應力值是相同的，這與CAE 分析的結果趨勢是一致的。

圖8 縱向拉伸15.5T 時圓管應力結果

圖9 為不同縱向拉伸力情況下CAE 與試驗的應力結果，其中a 為左測點，b 為中測點，c 為右測點。可以看出，在縱向拉伸力達到10T及以前時，CAE值和試驗測試值差異較小，其中10T 時左測點試驗測試值為231.4MPa，CAE 值為244.1MPa，差異約為5.5%；中測點試驗測試值為245.6MPa，CAE 值為256.0MPa，差異約為4.2%；右測點試驗測試值為234.5MPa，CAE 值為244.1MPa，差異約為4.1%。縱向拉伸力超過10T 后，隨著拉伸力增大CAE 值與試驗測試值的差異逐漸增大，其中15.5T 時左測點試驗測試值為331.8MPa，CAE 值為378.3MPa，差異約為14.0%；中測點試驗測試值為350.7MPa，CAE 值為396.8MPa，差異約為13.1%；右測點試驗測試值為333.3MPa，CAE 值為378.3MPa，差異約為13.5%。

本文CAE 模型按照線性材料建模，其中圓管橫梁材料為20 鋼，屈服強度約為245MPa。然而，實際材料應力-應變為非線性，包括彈性變形階段和彈-塑性階段，彈性變形階段應力-應變呈線性關系，進入彈-塑性階段后，開始發生塑性變形，這個點即屈服點，屈服以后的變形包括彈性變形和塑性變形。

在縱向拉伸力達到10T 及以前時，圓管橫梁的測點應力沒有達到20 鋼材料的屈服強度，處于彈性變形階段，應力-應變呈線性關系，因此CAE 值和試驗測試值差異較小。

當縱向拉伸力加載到10T 左右時，圓管橫梁的測點應力約為20 鋼材料的屈服強度，達到屈服后材料的力學響應由彈性變形階段進入塑性變形階段，開始塑性變形后，彈性變形速率降低，應力增加速率減慢，應力-應變偏離線性關系，這就導致縱向拉伸力超過10T 后，隨著拉伸力增大CAE 值與試驗測試值的差異逐漸增大。

由此可得出，CAE 分析時采用線性材料建模，在未達到材料屈服強度前，得出的CAE 應力值可以較準確的預測零件結構的應力，達到材料屈服強度后，得出的CAE 應力值比實際應力值稍大，且隨著載荷增大CAE 值與試驗測試值的差異逐漸增大，但仍可以作為零件設計時的參考，該結論可以推廣到其它CAE 分析中，具有較高的參考價值。

圖9 縱向拉伸時圓管CAE 和試驗應力結果

4 結論

（1）本文設計了將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結構集成在一起的前牽引支座，使結構更加緊湊。

（2）基于重型商用車前端牽引裝置的相關標準及法規，并結合實際使用情況，進行了扭轉和牽引工況的CAE 分析，設計出滿足新產品開發所需的重型商用車前牽引支座，水平±25°方向牽引工況（包括拉伸和壓縮）比其它工況惡劣。

（3）確定了本文所建CAE 分析模型與試驗結果的差異，得出CAE 分析時采用線性材料建模，在未達到材料屈服強度前，CAE 應力值可以較準確的預測零件結構的應力，達到材料屈服強度后，CAE 應力值比測試應力值稍大，且隨著載荷增大CAE 值與試驗測試值的差異逐漸增大，該結論可以推廣到其它CAE 分析中，具有較高的參考價值。