半掛牽引車牽引座強度設計及整車穩定性分析

代輝

摘 要：文章以半掛牽引車牽引座強度設計及整車穩定性分析為研究對象，首先對半掛牽引車牽引座工作原理進行了簡單的介紹，隨后對半掛牽引車牽引座強度設計優化進行了系統的探討與分析，最后討論了影響半掛牽引車整車穩定性因素，以供參考。

關鍵詞：半掛牽引車 牽引座 優化設計 穩定性 分析

The Strength Design of the Tractor Seat and the Stability Analysis of the Whole Truck

Dai Hui

Abstract：This article takes the strength design of the tractor seat of a semi-trailer tractor and the analysis of the stability of the whole vehicle as the research object. First， the working principle of the tractor seat of the semi-trailer tractor is briefly introduced， and then the optimization of the strength design of the tractor seat of the semi-trailer tractor is systematically discussed and analyzed， and finally the factors affecting the stability of the semi-trailer tractor are discussed for reference.

Key words：semi-trailer tractor， traction seat， optimized design， stability， analysis

1 引言

牽引座作是牽引車和掛車之間重要的連接部件，在車輛行駛過程中，牽引座會因此承受一些荷載帶來的壓力，并且這些荷載種類也比較多，比較常見的有垂直載荷、沖擊載荷等，對于牽引座結構而言，如果本身沒有足夠的強度與剛度，容易產生變形，嚴重影響半掛牽引車安全。因此有必要從設計層面入手，做好半掛牽引車牽引座強度優化設計分析，并對整車穩定性進行分析探討，更好的保護半掛牽引車行駛安全。

2 半掛牽引車牽引座工作原理

半掛牽引車牽引座在實際工作時，主要依據的原理如下：首先，想要半掛車與牽引車分離，需要打開牽引座的保險銷，此時脫鉤才會分開，然后拉動拉環，在拉環的帶動下，牽引鉤會繞銷座方向進行轉動，從而改變牽引鉤的開口方向，原本牽引狀態下，開口方向朝里，現在需要分離，因此開口方向會朝外，牽引銷便得以直接從U形開口處脫鉤，自此半掛車與牽引車將會分離。當需要進行半掛車與牽引車連接時，重復上述步驟，即改變U牽引鉤的開口方向，能夠成功對接引銷，為了促進半掛車與牽引車兩節，需要驅動牽引車向后倒車，促使牽引銷與牽引鉤對撞在一起，在這一過程中，能夠順利將已經對準的牽引銷包住，牽引鉤也會固定死亡，成功將二者連接在一起。最后，再將外部保險銷歸位，全面保證半掛牽引車行駛安全[1]。

3 半掛牽引車牽引座強度設計優化

在本次半掛牽引車牽引座強度設計優化過程中，文章主要將牽引座鞍體優化設計作為研究對象，具體優化設計內容如下：

首先，需要優化設計數學問題模型。針對一個常規優化問題，標準表達式如下：在滿足相應的約束條件、情況下，求設計變量的最優解，在上述條件之中，D代表的是可行域，RN代表的是N維實空間，最終讓目標函數取得最值。在這一表述中，主要概述了以下三種設計要素：分別是設計變量、約束條件以及目標函數。

對于設計變量而言，簡單來說就是在設計過程中，由于需要一些方法支持，而這些方法的實施，離不開一些參數變量，這種參數變量實際上就是設計變量。全體設計變量可構成以下一個向量表達式：

對于目標函數而言，我們可以將其視為一個設計優化的具體表達式，通常計算該表達式，我們能夠根據結果來判斷優化的最終成效。目標函數能夠表示諸多內容，比如可以是體積最小、服役期限最小、應力值最大或最小、成本最高或最低等。如果一個目標函數中，只有一個指標能夠優化，那么可稱之為單目標優化函數。反之，則稱之為多目標優化函數。目標函數具體可用以下數學模型表示：

對于約束條件而言，透過現象看本質，實際上就是指一些優化的限制條。因此實際優化設計需要一個明確的界限，而約束條件就是該界限。且這些約束條件也有很多表達形式就，基于不同的約束條件形式，我們還可以對這些約束條件進行針對性的劃分，以便在實際設計時，我們能夠進行針對性選擇，在具體劃分方面，約束條件具體分為兩種，一是性能約束條件，二是幾何約束條件。從數學表達的角度來看，可以將約束條件分為以下兩種：

一是不等式約束：

二是等式約束：

在實際進行結構設計優化時，針對上述三種變量，一般需要進行綜合考慮，最終可以獲得以下數學模型：

在（5）式中，是目標函數的上限，是目標函數的下限。

在實際進行半掛牽引車牽引座鞍體結構優化分析時，目標函數為整個鞍體結構質量m的最小值，而在設計變量選擇時，則是將鞍體結構厚度作為主要對象，我們可以用b來表示，約束條件則是指，鞍體結構第一階模態頻率在實際變化時，不會超過一定范圍。那么更加上述模型，我們可以得出以下實際模型：

在軟件的幫助下，通過進行優化設計分析計算，在這一過程中，還需要采用針對的方法來提高計算效率。比如我們可以采用局部逼近方法，能夠從中獲得一個近似模型，促使計算效率得到有效提升。為了方便說明分析，我們可以將牽引車牽引座鞍體結構部分進行如下圖一所示的標記。在本次分析過程中，安裝上述設置的條件，將設計變量定義為離散值，遞增步距設置為0.1mm;最小鞍體結構為目標函數。約束條件則為：板 1、3、5、6、8的vonMises在300MPa以內，板2、4、7vonMises應力280MPa以內，結構一階模態在160Hz以上。以此為依據，通過進行迭代分析獲得最終設計優化結果。從最終結果來看，半掛牽引車牽引座鞍體結構在優化，第一階模態由原本的148.2Hz上升至到170.3Hz，上升了22.1Hz;而對于鞍體結構而言，原本的質量是85.21Kg，經過本次優化，質量降低了7.37kg，由此能夠說明，運用上述方法能夠達到優化結構質量的目的[2]。

為了對上述做出的優化合理性進行進一步的驗證，需要修改原本的限元模型，在約束條件相同的情況下，將載荷譜加載到鞍體表面，通過進行動載荷強度計算分析，在這一過程中，對于加載方式和約束條件而言，我們可以將其視為不變廊，但需要確定載荷譜作用時間，在本次驗證過程中，將時間控制在24s，積分時間步長為0.24s，總時間步數為100步。幫選擇5s、10s、15s三個時間節點，作為步時輸出結果參考，從最終結果我們能夠了解到，鞍體結構應力分布基本一致，它們分別為237.8MPa、286.3MPa、213.5MPa。為了對上述三個時間步中危險區域應力變化趨勢進行分析，需要借助上述計算結果，并在 Patran 軟件的幫助下完成計算。在經過軟件計算后我們能夠了解到，牽引車牽引座鞍體結構危險區域的應力變化范圍在150至250MPa之間，相較于原本的200至300Mpa，危險范圍也得到了明顯的縮小，同時結構應力值也得到了有效的縮小。從中我們能夠了解到，在本次半掛牽引車牽引座鞍體結構優化設計過程中，既達到了整體質量輕量化的目的，結構的應力值又得到了有效的縮減，說明本次優化設計顯著提升了結構性能，結構的使用壽命也會因此大大延長。

4 半掛牽引車整車穩定性分析

半掛牽引車穩定性是指當行駛狀態中的車輛受到外界干擾時，本身的一種抗干擾能力，這種能力的具體表現，便是行駛穩定性。在半掛牽引車整車穩定性分析過程中，文章采用了根軌跡分析方法，這種分析方法最大的優勢就在于不需要進行復雜的微分方程組的求解，并且實際分析過程也比較簡單，能夠有效提升分析效率。在具體分析過程中，需要借助特征方程特征根，來明確其在復數平面上的位置。一般情況下，實際位置不同，做出的響應也不同，因此能夠基于不同響應，了解最終的結果。對于特征根而言，具體響應結果由系統結構參數決定。從李雅普諾夫穩定性判斷定律我們能夠了解到，當在復平面虛軸左側，出現了特征根，說明系統處于穩定狀態;如果在虛軸之上，說明系統處于臨界狀態;如果在虛軸，說明系統處于失穩狀態。為了更好的分析，我們可以在 Matlab軟件的幫助下，做好程序編寫，完成小系統根軌跡的繪制，便于我們了解其具體的位置。

首先，關于車速變化操縱穩定的影響。半掛牽引車行駛速度是變化頻率最為明顯的一個參數。從我國當下行業標準來看，如果半掛牽引車在行駛時。速度變化范圍是10至35m/s，在該運行條件下，通過計算根軌跡，根據軌跡變化規律我們能夠了解到，隨著牽引車速度越大，實部絕對值則隨之減小，在這一情況下，根軌跡將會逐漸靠近虛軸，牽引車穩定性也會隨之下降。

另一方面，關于牽引車質量變化對操縱穩定性的影響。在實際運輸過程中，可以將半掛車與牽引車視為一個整體。在實際分析時，我們可以假設，半掛牽引車處于安全行駛的狀態下，不存在貨物超載的情況，此時半掛車質量變化范圍為13至20t，牽引車質量變化范圍為8至13t，以此條件進行軌跡圖計算分析，從中我們能夠了解到，牽引車質量與實部絕對值呈正比，因此此時根軌跡與虛軸將會“漸行漸遠”，半掛牽引車將會越來越穩定。而隨著半掛車質量增大，實部絕對值則逐漸減少，相應軌跡圖逐漸靠近虛軸，說明半掛牽引車的穩定性在逐漸減弱，同時半掛車質量變化帶來的影響遠遠大于牽引車質量變化帶來的影響，因此在實際行車時，為保證半掛牽引車穩定性，注意半掛車不要出現超載問題[3]。

5 結語

綜上所述，半掛牽引車牽引座強度是一項決定整體車輛安全的一項重要指標，因此有必要針對這一指標，在現有的基礎上，加強分析，再做進一步優化，同時為保證半掛牽引車整體行駛安全性，還需要對半掛牽引車穩定性要素進行分析探討，從而更好地維護半掛牽引車行駛安全。

參考文獻：

[1]蔡玉強，鞠康，李哲丞.半掛牽引車牽引座尺寸優化設計[J].機械設計與制造， 2016，023（010）：240-243，247.

[2]鞠康，蔡玉強.QD 9020牽引座多目標優化設計及疲勞分析[J].機械工程與自動化， 2017，012（001）：97-98，101.

[3]許凱.基于ADAMS/CAR半掛牽引車操縱穩定性的仿真與優化[D].2016.