某微車牽引鉤螺母連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

韋利寧 林秋華 陳宇安

【摘 要】某微車前牽引鉤裝置的連接結(jié)構(gòu)，其強度不能滿足最新國家標(biāo)準(zhǔn)強度要求。因此，文章通過改變該車前牽引鉤螺母的連接結(jié)構(gòu)，改變載荷力的分散形式，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，提高強度。應(yīng)用CAE輔助分析手段進行力學(xué)仿真驗證，得出滿足強度需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】牽引鉤裝置；連接結(jié)構(gòu)；強度分析

【中圖分類號】U469.51 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）02-0084-04

0 前言

隨著人們生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ?。近年來，我國汽車保有量迅猛增長，故障車、事故車等車輛阻礙交通的現(xiàn)象頻發(fā)；汽車牽引裝置作為車輛的安全結(jié)構(gòu)件，在車輛救援及售后維修中起著關(guān)鍵的作用；牽引裝置的規(guī)格、強度等差異很大，給車輛救援及售后維修帶來困難。國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會針對汽車牽引裝置制定出適合中國汽車行業(yè)需求的強制性標(biāo)準(zhǔn)。

本文在國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，利用CAE輔助分析手段，對某微車牽引鉤螺母連接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后得出滿足國家標(biāo)準(zhǔn)強度要求的結(jié)構(gòu)，為今后前牽引鉤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 背景

某微車前牽引鉤裝置的連接結(jié)構(gòu)包括牽引鉤螺母、前防撞梁焊合件、車架縱梁等，牽引鉤螺母通過CO2保護焊與防撞梁內(nèi)外板連接，前防撞梁焊合件與車架縱梁翻邊通過電阻電焊形成Y方向上的連接，在車架縱梁內(nèi)部，再通過一個“L”形的加強板將前防撞梁焊合件與車架縱梁連接，利用加強板的翻邊與車架縱梁內(nèi)壁焊接（如圖1所示）。

1.1 CAE分析加載條件

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求，牽引裝置應(yīng)能承受的最小靜載荷F：

F=m×g/2

其中，F(xiàn)為牽引裝置承受的最小靜載荷，N；m為最大允許總質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2。

為了給予一定的安全裕度，CAE分析中加載力均是在法規(guī)要求的基礎(chǔ)上乘以1.2。該車型在拖鉤處的加載力如下：

F=12 830×1.2=15 400 N

CAE分析過程中，對該車型車身截斷處6個自由度進行約束，對牽引裝置分別沿水平方向（與車輛縱向中心線平行）、垂直方向±5°及水平方向±25°施加拉伸和壓縮靜載荷（如圖2所示）。

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)要求：安裝在車輛上的每一個牽引裝置在完成試驗后，牽引裝置及其固定件不應(yīng)損壞、失效、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形；安裝在牽引裝置附近的其他部件（如車輛的燈具、信號裝置、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）不應(yīng)損壞或無法正常工作。

卸載后永久變形及塑性應(yīng)變沒有明確要求，在CAE分析中，一般要求永久變形量小于經(jīng)驗值（10 mm），最大塑性應(yīng)變應(yīng)小于0.2。

1.3 分析結(jié)果

在水平方向±25°的工況下，該車型實際永久變形量達16 mm，大于經(jīng)驗值（10 mm）（如圖3所示）。最大應(yīng)變在水平方向右偏25°的工況下，產(chǎn)生在防撞梁上，值為0.038，小于0.2（如圖4所示）。

綜上2個評價標(biāo)準(zhǔn)，該車型牽引裝置在水平方向±25°工況下，永久變形較大，存在斷裂風(fēng)險，影響牽引裝置及其固定件的正常使用，不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對強度的要求。

2 原因分析

該車型的牽引裝置中，車架縱梁采用的材料為B280VK，厚度為1.8 mm；防撞梁內(nèi)、外板材料均為BLD，厚度為1.0 mm；“L”形加強板的材料為SAPH370酸洗，厚度為1.8 mm。牽引鉤裝置受到載荷力時，通過牽引鉤螺母傳遞到防撞梁，再通過防撞梁傳遞到車架縱梁，車架縱梁將力傳到車身。而防撞梁焊合件與車架縱梁翻邊的連接剛度和強度不足，不能有效地將載荷力傳遞給縱梁，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力集中，隨著載荷力加大，防撞梁與縱梁連接區(qū)域發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致牽引裝置永久變形量不達標(biāo)。如果設(shè)計出合理的連接結(jié)構(gòu)，將所受載荷有效地分擔(dān)到車架縱梁，降低防撞梁處的應(yīng)力，則有望解決牽引裝置永久變形大的問題。

3 解決方案的制訂和確認(rèn)

3.1 方案的制訂

為解決以上問題，需要針對連接牽引鉤螺母的加強板設(shè)計出新的結(jié)構(gòu)，方案如下。

方案一：縱梁內(nèi)部新增一個“幾”字形支架代替原來的加強板，利用支架翻邊與縱梁內(nèi)壁通過電阻點焊連接，牽引鉤螺母內(nèi)外徑保持不變，長度由45 mm改為95 mm。牽引鉤螺母通過CO2保護焊固定在支架上，并與前防撞梁焊合件連接。其中，加強板采用SAPH370酸洗材料，厚度為2.0 mm（如圖5所示）。

方案二：縱梁內(nèi)部增加2個加強板，形成一個閉合的腔體結(jié)構(gòu)，通過CO2保護焊及電阻點焊將加強板焊接在縱梁側(cè)面及底面，牽引鉤螺母內(nèi)外徑保持不變，長度由45 mm改為60 mm，利用CO2保護焊焊接。其中，加強板均采用SAPH370酸洗材料，厚度為2.0 mm（如圖6所示）。

方案三：縱梁內(nèi)部新增一個“U”形加強板，與縱梁側(cè)面通過電阻點焊連接。該加強板在牽引鉤螺母至大梁側(cè)壁的過渡面增加橫向筋條，提高連接剛度及強度。更改牽引鉤螺母外徑為直筒圓，并將長度由原來的45 mm改為85 mm，內(nèi)徑由φ14 mm改成φ18 mm。用CO2保護焊將牽引鉤螺母固定在加強板上。加強板采用SAPH370酸洗材料，厚度為2.0 mm（如圖7所示）。

3.2 方案的確定

在零件結(jié)構(gòu)及工藝上，方案一及方案三的結(jié)構(gòu)簡單，與車架縱梁采用電阻點焊連接，工藝易于實現(xiàn)；方案二中的2個加強板需通過CO2保護焊連接形成閉合腔體，與車架縱梁也需要通過CO2保護焊進行焊接，工藝復(fù)雜。

通過運用CAE分析軟件對以上3個方案在水平方向、垂直方向±5°及水平方向±25°5種工況下進行仿真分析，從永久變形量和最大應(yīng)變量2個角度進行對比，分析結(jié)果見表1、表2。

從表1中發(fā)現(xiàn)，方案一在水平左偏25°的工況下，實際永久變形量達21 mm，水平右偏25°時達12 mm，塑性變形均大于10 mm，存在斷裂風(fēng)險；方案二在水平左偏25°及水平右偏25°工況下，實際永久變形量均在10 mm左右，剛好達到標(biāo)準(zhǔn)臨界值，但安全裕度不足；方案三在5種工況中，最大實際變形量為6 mm，小于10 mm，認(rèn)為材料安全，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從表2中，3個方案的實際應(yīng)變量在5種工況中均小于0.2，認(rèn)為材料安全，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 方案驗證

結(jié)合結(jié)構(gòu)、工藝分析及CAE仿真分析結(jié)果，最終采取方案三：在縱梁內(nèi)側(cè)增加一個“U”形支架，采用的材料為SAPH370，材料厚度為2.0 mm，同時在牽引鉤螺母至大梁側(cè)壁的過渡面上增加加強筋強化零件結(jié)構(gòu)。牽引鉤螺母加大內(nèi)外徑且增加長度，增大與牽引鉤的接觸面積。該方案經(jīng)實車驗證后，牽引裝置及其固定件未出現(xiàn)損壞、失效、斷裂及產(chǎn)生影響正常使用的變形，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

在牽引裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需有效利用力學(xué)原理，根據(jù)零件邊界條件及材料強度等，合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)，將牽引裝置所受載荷有效地分擔(dān)到車身本體，有效地減少牽引裝置的永久變形量，從而減少破壞變形。對設(shè)計者來說，充分借助CAE分析軟件進行理論分析，是設(shè)計中的一個重要手段，有效地解決設(shè)計中的問題，找到結(jié)構(gòu)與成本的最佳結(jié)合點，從而輸出更高質(zhì)量的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參 考 文 獻

[1]黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]張小虞.汽車工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]成艾國，沈陽，姚佐平.汽車車身先進設(shè)計方法和流程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4]GB 32087—2015，輕型汽車牽引裝置[S].

[責(zé)任編輯：陳澤琦]