某重型汽車前端牽引裝置受力分析及驗證

夏彥曉 龐建中 史全勝 文/圖

概要：重型汽車在滿載需應(yīng)急牽引時，其牽引裝置需要按照國標(biāo)GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》推薦的性能要求設(shè)計。本文通過測試、建模CAE 分析、再測試，研究了車輛在使用“柔性”牽引并滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，牽引車應(yīng)選擇合適的牽引速度，才能有效避免牽引裝置失效。

關(guān)鍵詞：前牽引裝置； 牽引；速度

重型汽車在滿載運輸過程中，如突遇車輛自身發(fā)生失去動力、陷入泥潭等狀況需要其他車輛應(yīng)急牽引，或者其他車輛受困需要本車去應(yīng)急牽引時[1]，牽引裝置結(jié)構(gòu)合理、能夠可靠地發(fā)揮牽引作用，對節(jié)約時間成本、減少維修成本具有重要意義。

根據(jù)商用車前端牽引裝置國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》要求，貨車牽引裝置能承受的最小靜載荷為車輛最大允許總質(zhì)量的1/2[2]。某些特殊情況下，被牽引車輛的貨物無法卸載或者卸載貨物困難，剛性裝置不利于或不方便操作時，需直接在前端牽引裝置上掛鋼絲繩或者尼龍繩牽引。這種情況下，被牽引車輛的滾動阻力、坡度阻力相對較大，營救車輛在不同牽引速度下，對被牽引車輛前端牽引裝置的瞬間沖擊力不同。因此，只有可靠的牽引結(jié)構(gòu)和限制牽引車輛的行駛速度，才可有效避免牽引裝置的失效。

1 前部牽引裝置受力分析

1.1 牽引模擬過程

牽引車和被牽引車在水平瀝青或混凝土路面，通過牽引繩進(jìn)行牽引。牽引車從零以一定的加速度前進(jìn)，當(dāng)牽引繩拉直后，牽引繩的力傳遞到被牽引車的前牽引鉤上，后車隨前車行駛，在短期內(nèi)牽引車和被牽引車達(dá)到同速，完成牽引動作(如圖1所示）。

1.2 前端牽引裝置理論力學(xué)分析

通過在某試驗場的牽引試驗，牽引車質(zhì)量為35 000 kg，被牽引車質(zhì)量為40 000 kg，現(xiàn)場測量多組牽引試驗數(shù)據(jù)，牽引車行駛所用時間4 s，牽引車行駛距離約2.3 m，峰值拉力約為12.6 t，推算系統(tǒng)沖擊的作用時間為0.15 s。

模擬運動過程：牽引車掛上牽引繩后，開始以一定的加速度前進(jìn)，見式(1)；在牽引繩開始受力到繃直的瞬間，運用動量守恒，近似推算出被牽引車輛在繩子繃直后的速度，見式（2）；把被牽引車輛作為研究對象，利用沖量定律計算沖擊值，見式（3）。

動力學(xué)計算模型:

式中：

V1—牽引繩繃直前牽引車速度;

S—牽引繩繃直前牽引車行駛距離;

a1—牽引繩繃直前牽引車加速度;

M1—牽引車質(zhì)量(M1取35 000 kg);

M2—被牽引車質(zhì)量(M2取40 000 kg);

V2—牽引繩繃直后被牽引車速度;

t—牽引繩繃直時間(或系統(tǒng)變形時間);

F—牽引繩瞬間作用力。

根據(jù)（1）、（2）、（3），分別取值，可得到表1 結(jié)果。

圖1 牽引模擬過程示意圖

表1 速度與力對應(yīng)表

1.3 前端牽引裝置的汽車?yán)碚摿W(xué)分析

根據(jù)力的相互作用，F(xiàn)(牽引繩瞬間作用力)等于被牽引車輛的行駛阻力。通過被牽引車輛的行駛阻力來計算其加速度以及速度，反向驗證理論力學(xué)計算結(jié)果的可信度。

汽車行駛總阻力公式如下：

式中：Ff為滾動阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)j為加速阻力。

1.3.1 滾動阻力

滾動阻力Ff=Wf=m2gf[3](f 按照一般的瀝青路面取最大值0.02，見表2) (5)

表2 滾動阻力系數(shù)f 的數(shù)值

表3 汽車的空氣阻力系數(shù)與迎風(fēng)面積

1.3.2 空氣阻力

式中：CD為空氣阻力系數(shù)，見表3；

A 為迎風(fēng)面積，被牽引車的迎風(fēng)面積取4 m2；

μa為車輛相對空氣速度，在6 級強(qiáng)風(fēng)條件下，空氣流動速度為10 m/s，故起步時，被牽引車輛相對空氣的速度μa為10 m/s；

CD為貨車的最大空氣阻力系數(shù)，取值1.0。

代入式(6)得：Fw=1×4×102/21.15=18.9 N(相對其他阻力，F(xiàn)w=18.9N，可忽略不計) 。

1.3.3 坡度阻力

Fi=Gsinɑ[3](G 為被牽引車的重力，ɑ為夾角) (7)

其中道路坡度是以坡高與底長之比來表示，即

根據(jù)我國公路路線設(shè)計規(guī)范，高速公路平原微丘區(qū)最大坡度為3%，一級汽車專用公路平原微丘區(qū)最大坡度為4%，一般四級公路平原微丘區(qū)最大坡度為5%。所以，一般道路的坡度均較小，此時，sinɑ≈tanɑ= i 代入式(7)計算得：

表4 力與速度對應(yīng)表

表5 速度相差百分比

圖2 前端牽引裝置結(jié)構(gòu)

（i 按照一級汽車專用公路平原微丘區(qū)最大坡度取值為4%）

1.3.4 加速阻力

Fj=ma2[3](m2為被牽引車質(zhì)量40 000 kg，a2為啟動時瞬時加速度） (8)

根據(jù)（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）計算結(jié)果，可得到表4 相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.4 不同參照物下牽引車速度對比

以牽引車為參照物，設(shè)定行車距離以及加速度的情況下，計算出牽引繩繃直前牽引車速度為V1以及牽引繩瞬時作用力F；以被牽引車為參照物，設(shè)定相同的牽引繩瞬時作用力F 的情況下，計算出牽引繩繃直前牽引車速度為V1′，二者速度相差百分比見表5。

在不同參照物下，牽引繩繃直前牽引車速度相差百分比的平均值為5.4%，說明在試驗推算的作用時間下，牽引繩繃直前牽引車的速度與牽引繩的瞬間作用力之間的關(guān)系可采信。

2 前端牽引裝置CAE 仿真分析

2.1 某重型汽車前端牽引裝置結(jié)構(gòu)

某重型汽車的前端牽引裝置，如圖2 所示，由汽車牽引銷1、首梁2、牽引盒3 組成。

2.2 牽引銷材料力學(xué)性能

根據(jù)實際使用情況，在使用該類型前端牽引裝置時，牽引裝置的牽引銷相比其他部分較薄弱，故以牽引銷為研究對象。牽引銷的材料為40Cr，根據(jù)國標(biāo)GB/T 3077 要求,經(jīng)熱處理后，其抗拉強(qiáng)度≥980 MPa，屈服強(qiáng)度≥785 MPa。表6 示出了牽引銷力學(xué)性能。

3.3 牽引銷CAE 仿真分析

首先，建立完整車架的有限元模型，將前牽引裝置與車架相連，車架尾端固定約束,根據(jù)實際使用工況，對牽引銷逐步施加不同的載荷，直至載荷加載到22 t 時，牽引銷部分區(qū)域所受的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，滿足被牽引車總質(zhì)量40 t 的牽引要求，如圖3 所示。

3 前端牽引銷試驗

3.1 設(shè)定試驗條件

3.1.1 試驗場地

試驗場地為緊固平整的水平面[2]。

3.1.2 試驗車輛質(zhì)量

牽引車質(zhì)量為35 000 kg，被牽引車輛質(zhì)量40 000 kg(處于最大允許總質(zhì)量狀態(tài)）。

3.1.3 試驗車輛固定

被牽引車輛剛性地固定在帶牽引裝置試驗裝備的試驗場地上[2]。

表6 牽引銷力學(xué)性能

圖3 牽引銷等效應(yīng)力云圖

3.1.4 試驗程序

牽引車與被牽引車采用柔性連接牽引。

牽引車以2 km/h 的速度開始逐漸增加，直至被牽引車的牽引裝置發(fā)生失效。

3.2 試驗結(jié)果

牽引車以不同速度去拉被牽引車，得到的結(jié)果如表7 所示。

從試驗結(jié)果來看，牽引車以6 km/h(1.67 m/s) 拖拽被牽引車時，牽引裝置牽引銷發(fā)生屈服變形，對比表5，此時的牽引銷沖擊力約為215 544 N；CAE 仿真分析，在22 t(22 000×9.8=215 600 N)拉力作用下，牽引銷所受應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度。以上結(jié)果可見，CAE 仿真分析牽引銷承受的最大拉力與試驗測試結(jié)果基本相符。

4 試驗總結(jié)

通過上述試驗驗證，采用軟連接牽引滿載車輛時，牽引車的牽引速度對被牽引車的牽引裝置有直接影響，應(yīng)該嚴(yán)格控制牽引車速度。所以，牽引重載車輛時，牽引裝置在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28948-2012《商用車輛前端牽引裝置》要求的基礎(chǔ)上，需根據(jù)前后車輛牽引裝置所能承受的最大拉力，選擇合適的牽引速度，如此可有效避免牽引裝置的失效。

表7 試驗結(jié)果