重型卡車牽引裝置結構優化

崔繼強，程頤，沈亞強

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

牽引裝置雖然是卡車上使用率非常低的零件，卻是必不可少的。卡車在自身發生故障、陷入泥潭等無法正常行駛的狀況下，需要其他車輛通過拖鉤進行牽引脫離困境[1]。現在市場上的牽引裝置多為拆卸式，需要進行拖車時才安裝，因此對于拖鉤的重量有了一定的限制。本文在不改變牽引裝置安裝位置的情況下，對牽引裝置進行優化，減少其重量、提高方便攜帶和易于安裝的性能。

1 優化方案

如圖所示，牽引裝置安裝在車架首橫梁上，保險杠格柵中間，由牽引底座、銷軸、開口銷等組成。從整體優化角度出發，可以通過減少牽引裝置的零件數達到減重的作用；從局部優化角度出發，可以通過改變某個零件的材料，增強其極限應力，從而減少體積，方便攜帶和易于安裝。

圖1 牽引裝置安裝位置

1.1 整體優化

整體優化是對牽引裝置的所有零件之間的受力關系進行改進，去除某些零件的同時要求保留牽引裝置的傳力路徑不變。改進后方案增加了上拉鉤和中間橫梁代替銷軸的作用，傳力路徑從銷軸-牽引底座-首橫梁變為牽引底座-首橫梁。

圖2 牽引裝置（改進前）

圖3 牽引裝置（改進后）

1.2 局部優化

牽引裝置主要的承力部件為牽引底座，幾乎所有重量體現在底座上，因此對其進行局部優化。通過選取強度更高的材料（見表1）和對圖3 方案薄弱位置進行局部加強，使其能滿足各種牽引工況要求。

表1 牽引裝置材料

2 仿真分析

2.1 分析流程

優化后的牽引裝置需要滿足強度要求，即能承受材料的極限應力[2]。本文通過有限元軟件對改進后方案進行仿真分析，驗證其可行性。如圖4 所示，首先建立改進后方案的初步模型，再進行網格劃分，施加不同的邊界條件，最后驗證最大應力部位是否滿足極限應力。

圖4 方案分析流程

2.2 有限元模型建立

圖5 約束端位置

有限元模型建立包括幾何模型建立、網格劃分和邊界條件施加[3]。由于牽引底座的曲面比較復雜，采用3D 四面體單元劃分，單元尺寸為2mm。車架首橫梁和螺栓強度都滿足各種工況，因此可以簡化分析過程，只分析牽引底座的強度，以四個螺栓孔位為約束端，采用RBE2 單元進行X、Y、Z 方向固定，如圖5 所示。

車輛在行駛過程中會遇到多種路況，不同的路況對應牽引工況也不一樣。牽引裝置需要滿足多個角度的牽引方向，而且保證牽引繩不脫落。如圖所示，設計的牽引裝置應該至少滿足6 個牽引工況（載荷大小為20t），如圖6 所示，其中a、b、c、d、e、f 適用于平穩的公路，d、e、f 適用于復雜的山區和礦區。

圖6 牽引工況

2.3 計算結果分析

牽引裝置的強度計算對結構不同角度、不同部位進行抗拉強度仿真，如圖7 所示。a、b、c 和e 工況下的牽引底座主要受力部位集中在結構兩側，d 和f 工況下的中間橫梁受力最大。

圖7 不同工況受力結果

表2 各工況安全因子

表2為6 種工況下的安全因子。從表中可以看出所有工況下的安全因子都大于1，均滿足強度要求。中間橫梁上作用的d、e、f 工況的安全因子均大于上拉鉤作用的a、b、c 工況的安全因子，因此建議在使用中多用中間橫梁進行牽引。

3 結論

本文在不改變原來牽引裝置安裝位置和安裝關系的情況下，通過整體和局部優化，牽引裝置重量由19.86kg 降到了10.23kg，零件數量減少2 個，更加方便攜帶和安裝。同時，通過仿真分析進行強度計算，驗證結構的可行性。本文的優化思路具有一定的工程參考性，類似的結構同樣適用。