輕型越野車硬牽引裝置的設計及應用

李超超 程細偉 郭東卿 趙智 郝學智

摘要：硬牽引裝置是越野車輛在行駛中突發(fā)故障無法正常行駛且沒有條件自救的狀況下而采用的一種應急互救結構。對軍用越野車而言，其對提高作戰(zhàn)機動性和整車可靠性，保障人員安全和降低裝備及車輛損失具有重要意義。文章以某輕型軍用越野車作為研究對象，根據(jù)實際使用需求，全新設計一種硬牽引結構，并且針對越野路硬牽引試驗中出現(xiàn)的安裝底座變形、牽引桿斷裂等失效問題，對硬牽引結構進行了改進和優(yōu)化。對改進后的硬牽引裝置進行CAE分析和越野路硬牽引試驗驗證，牽引效果良好，滿足實際使用需求。同時文章也提供了一種輕型越野車硬牽引裝置設計、仿真和試驗的參考方法。

關鍵詞：輕型越野車;硬牽引;應急互救

中圖分類號：U463.9 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0078-06 Design and Application of Hard Traction Device for Light Off-

Road Vehicle

LI Chao-chao， CHENG Xi-wei， GUO Dong-qing， ZHAO Zhi， HAO Xue-zhi

（ DongFeng Off-Road Vehicle Co. LTD， Shiyan 442000， China）

Abstract： The hard traction device is an emergency and mutual rescue structure adoptedwhen an off-road vehicle fails to drive normally and has no conditions for self-rescue. Formilitary off-road vehicles， it is of great significance for improving combat mobility and vehiclereliability， ensuring personnel safety， and reducing equipment and vehicle losses. The papertakes a light military off-road vehicle as the research object， and designs a new hard tractionstructure based on actual combat requirements. In addition， the hard traction structure hasbeen improved in view of the deformation of the mounting base and the fracture of the towbar in the off-road hard traction test. CAE analysis and off-road traction test verification werecarried out on the improved hard traction device. And the effect was good， meeting the actualoperational requirements. The article also provides a design， simulation and test referencemethod for a hard traction device.

Key Words： Light Off-road Vehicle; Hard Traction; Emergency And Mutual Rescue

輕型軍用越野車的特點是強越野性、高機動性，生存能力強，要求能夠在車輛拋錨的情況下實現(xiàn)快速的應急互救自救。文章正是針對某輕型軍用越野車的使用要求，設計一種可滿足隨行車輛之間應急互救的硬牽引裝置。相比于牽引繩、絞盤[1]等軟牽引應急互救裝置，硬牽引裝置能夠適應更加復雜的路面情況和使用環(huán)境，有更加快速穩(wěn)定的牽引效果;同時相比于單桿硬牽引裝置，文章的雙叉臂型式的硬牽引裝置具有受力更好，牽引更穩(wěn)定的效果。文章也為硬牽引裝置的設計、仿真和試驗提供了一種參考方法和思路。

1 結構設計

1.1使用工況分析

輕型越野車一方面要經(jīng)常在復雜的越野路面上行駛，另一方面還要面臨高寒、高溫、高原的惡劣環(huán)境，而輕型軍用越野車更要面對敵方火力攻擊的威脅。特殊的使用工況和使用要求造成軍用車輛一旦拋錨會因條件限制和時間緊迫而無法維修，因此為了保障車內(nèi)人員和設備的安全，提高車輛機動性和生存能力，需要隨行車輛將拋錨車輛快速拖回至維修區(qū)或安全區(qū)，這就需要一款結構可靠、隨車攜帶、使用方便的互救裝置。同時根據(jù)部隊實際使用情況，硬牽引裝置的結構強度、可靠性和牽引功能需滿足輕型軍用越野車普通路面和越野路硬牽引要求。

1.2受力工況分析

車輛正常牽引時的工況主要有水平工況、上下坡工況和轉(zhuǎn)彎工況。根據(jù)GB32087的規(guī)定，硬牽引時的最小水平靜載荷為D[2]，計算公式為：

式中：

D為牽引裝置承受的最小靜載荷，單位為kN;

m為牽引車輛最大允許總質(zhì)量，單位為t，mt≤lOt;

mg為被牽引車輛最大允許總質(zhì)量，單位為t，mg≤lOt;

g為重力加速度，9. 8lrri/s2。

考慮到越野路面行駛時產(chǎn)生的沖擊載荷，起伏路面造成的扭轉(zhuǎn)載荷以及急加速急減速情況[3]，需要為每種工況增加相應的安全系數(shù)。為了進一步確定每種工況的安全系數(shù)，進行了硬牽引裝置牽引工況下的應變測試試驗。應變測點包括硬牽引裝置5個應變測點，2個牽引固定點處應變測點，具體應變測點位置如圖1所示。

硬牽引應變測試試驗按水平路面加減速工況，上坡加速工況，下坡加速工況，左轉(zhuǎn)彎加減速工況，右轉(zhuǎn)彎加減速工況5個工況進行試驗，每個工況分別試驗3次，應變測試試驗如圖2所示：

結合理論公式和試驗結果分析，為每種工況增加相應的安全系數(shù)，車輛硬牽引的具體工況和載荷計算公式如表1所示：

1.3 結構設計

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)對硬牽引裝置使用工況和受力工況的分析，文章全新設計了一款雙叉臂結構型式的硬牽引裝置。其主要由安裝底座、硬牽引鉤、硬牽引桿和硬牽引環(huán)四部分組成，如圖3硬牽引結構示意圖所示。硬牽引裝置的隨車固定狀態(tài)和使用狀態(tài)分別如圖4（a）硬牽引吊裝示意圖和圖4 （b）硬牽引牽引示意圖所示：

安裝底座左右對稱安裝于前保險杠上，其主要作用是固定硬牽引桿和將牽引力傳遞至前保和車架上;硬牽引環(huán)是牽引車輛與硬牽引桿的連接機構;硬牽引桿本身為雙層桿結構，兩側(cè)有安裝支座用以連接硬牽引環(huán)和硬牽引鉤;內(nèi)桿為兩段式，每段上開有調(diào)節(jié)孑L，其露出長度可通過鎖銷和調(diào)節(jié)孔進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為Omm - 500mm。

如圖4（a）所示，在吊裝狀態(tài)下硬牽引桿一側(cè)安裝有硬牽引環(huán)，硬牽引桿和硬牽引環(huán)通過兩側(cè)的硬牽引鉤與安裝底座螺栓固定;如圖4（b）所示，硬牽引裝置使用時，將硬牽引桿和硬牽引環(huán)整體從硬牽引鉤上拆卸，硬牽引環(huán)與牽引車輛的后拖車鉤鉸接，兩根硬牽引桿與硬牽引鉤連接，形成雙叉臂結構型式實現(xiàn)雙桿牽引。

1.4 硬牽引試驗設計

為了驗證硬牽引裝置的結構強度、可靠性和牽引性能，設計了一套硬牽引試驗方法，分為硬牽引靜強度試驗和硬牽引拖掛試驗。

硬牽引靜強度試驗按圖4（b）硬牽引牽引狀態(tài)所示進行連接，按表1加載工況進行加載。用拖鉤與拉力傳感器將牽引車輛的后拖車鉤和硬牽引裝置的硬牽引環(huán)連接，通過拉力傳感器確定硬牽引裝置受到的拉力，以保證其準確的受力狀況。試驗要求每個工況施加載荷持續(xù)時間不小于lOs，試驗次數(shù)不小于5次，試驗結果要求硬牽引裝置及其固定件不得出現(xiàn)裂紋、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形等失效。

硬牽引拖掛試驗分為不小于150km的公路拖掛試驗和不小于50km的越野路拖掛試驗，具體試驗要求如表2所示。硬牽引拖掛試驗在襄陽汽車試驗場進行，其公路路況和越野路路況均符合汽車可靠性試驗的要求。

試驗結果要求硬牽引裝置及其固定件不得出現(xiàn)裂紋、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形等失效，安裝在硬牽引裝置附近的部件（如燈具、信號裝置）不得出現(xiàn)影響其正常功能的損壞[4]。

2 結構改進

2.1 問題及原因分析

硬牽引裝置在靜強度試驗和公路拖掛試驗中，結構強度、可靠性和牽引性能均滿足使用要求。然而當越野路硬牽引拖掛試驗進行到lOkm時，一側(cè)硬牽引桿發(fā)生斷裂，并伴有前拖鉤底座扭曲變形及前保險杠安裝位置開裂等失效問題，具體試驗故障如圖5所示：

為了確定硬牽引裝置發(fā)生失效的原因，對硬牽引裝置進行了CAE分析。仿真模型選取硬牽引裝置及與之連接的車架前段，如圖6所示。網(wǎng)格尺寸取2-3mm，按表1所示內(nèi)容施加工況載荷。硬牽引裝置仿真應力云圖如圖7所示，具體工況最大應力如表3所示：

從CAE分析結果可知，前保險杠無論在何種工況下安裝位置處應力遠超其屈服極限，會產(chǎn)生明顯的塑形變形;安裝底座和硬牽引鉤在Y向+25°拉壓工況時其應力過大遠超其屈服極限;硬牽引桿和硬牽引環(huán)的受力均勻且較小，但也都超過了其屈服極限。

結合CAE分析結果和試驗故障，明確了硬牽引裝置失效原因：1.安裝底座固定在前保險杠外表面上，硬牽引時前保險杠外表面受力過大，前保發(fā)生開裂;2.在兩車牽引過程中，加速工況使硬牽引桿受到的拉應力過大，硬牽引桿強度不足發(fā)生斷裂;3.在轉(zhuǎn)彎工況時，安裝底座受到的扭轉(zhuǎn)應力過大，發(fā)生扭曲變形[5-6]。

2.2 結構改進

依據(jù)2.1節(jié)得到的越野路硬牽引拖掛試驗的失效原因，結合CAE分析結果，對硬牽引裝置進行了結構改進和優(yōu)化，改進后的硬牽引裝置如圖8所示。其中安裝底座進行了優(yōu)化，由盒型結構優(yōu)化為實心結構，增加結構剛度;硬牽引鉤優(yōu)化了內(nèi)部結構;箱形前保險杠內(nèi)部增加支撐套管，安裝底座與前保后表面連接，增大前保險杠剛度;硬牽引內(nèi)桿由兩段式優(yōu)化為整體結構，內(nèi)外桿采用焊接連接。同時對硬牽引部分結構進行了材料升級，提升了其屈服極限

3 改進方案驗證

為了驗證改進后的硬牽引裝置的性能和結構強度，對其進行CAE分析和越野路拖掛試驗驗證，仿真結果如表4所示，越野路拖掛試驗如圖9所示。從CAE分析結果可知，改進后的前保險杠及整個硬牽引裝置在不同工況下的應力都有了明顯的下降且均小于其屈服強度。改進后的硬牽引越野路拖掛也滿足試驗要求。

結合CAE分析結果和試驗結果，改進后的硬牽引裝置在結構強度、使用性能上均滿足輕型軍用越野車的要求。

4 結論

文章分析了輕型軍用越野車硬牽引裝置的使用要求和受力情況，設計了硬牽引裝置的CAE方法和試驗方法，并通過CAE分析和試驗驗證設計了一款滿足其使用要求的硬牽引裝置。文章也為硬牽引裝置的設計、仿真和試驗提供了一種方法和思路。

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專家推薦語

李鴻飛

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）

汽車結構疲勞專業(yè)副總師 研究員級高級工程師

文章論述了使用硬牽引桿的必要性。分析了硬牽引桿使用工況和受力情況。設計了試驗方法。通過CAE分析和試驗比較，設計了一款滿足使用要求的硬牽引裝置。為硬牽引裝置的設計、仿真和試驗提供了一種方法和思路。文章實用性、可讀性較高，有一定的參考價值。

李超超

畢業(yè)于北京理工大學，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風越野車有限公司，任總成開發(fā)部系統(tǒng)設計工程師。