由汽車車輪驅(qū)動的履帶牽引裝置*

□ 王鳳鳴 □ 顧風(fēng)雯 □ 張 帥 □ 王 哲 □ 王 杰 □ 肖玉玲

哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院 哈爾濱 150028

1 研究背景

由于我國幅員遼闊,地理?xiàng)l件、氣象條件復(fù)雜多變,因大霧、冰雪和暴雨等災(zāi)害性天氣引起的道路交通事故時有發(fā)生,產(chǎn)生的后果嚴(yán)重。在復(fù)雜惡劣路況條件下,例如雪地、沙地、碎石路、泥地、冰面上,汽車雖有一定的通過性,但車輛的運(yùn)動較難控制。

對于汽車車輪履帶牽引裝置的研究,國內(nèi)外一直采用拆解式方案。目前市場上銷售的都是多為拆解式的履帶牽引裝置,這類設(shè)備往往有粗重的承重梁,笨重且拆裝困難,每次使用都需要將汽車車輪的輪轂卸下,難以實(shí)現(xiàn)即拆即用,往往需要專業(yè)人員事先進(jìn)行安裝,方可啟動。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)路況發(fā)生變化時,無法使車輛實(shí)現(xiàn)公路與雪地路況之間的靈活切換。

拆解式履帶牽引裝置裝拆時需要很多專用設(shè)備,費(fèi)時且費(fèi)力。因此需要一個既能將輪式車輪變成履帶式牽引動力又方便拆裝的裝備,省去將車輪與履帶式牽引組件進(jìn)行拆卸作業(yè)的過程。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,筆者提出了一種汽車車輪驅(qū)動的履帶牽引裝置。通過在履帶座上設(shè)置輪胎固定架用于承載輪胎,并設(shè)置了帶動件,當(dāng)汽車輪胎驅(qū)動后通過帶動件可驅(qū)動履帶一起同向轉(zhuǎn)動,完成在雪地或泥沙等路況的行駛,該裝置結(jié)構(gòu)簡單,且無需拆裝輪轂即可實(shí)現(xiàn)即拆即用的功能。

2 市場需求

在我國北方地區(qū),例如哈爾濱、齊齊哈爾等城市,長期處在寒冷天氣下。主城區(qū)道路在清雪部門的清掃下,對道路交通的影響較小,但是偏遠(yuǎn)地區(qū)則受雪地的影響較大,所以對于較偏遠(yuǎn)地區(qū)人們的生產(chǎn)生活有重大的影響。近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高,人民追求更高的生活質(zhì)量,對出行要求也越來越高,出現(xiàn)了多種適合在雪地進(jìn)行車輛通過性試驗(yàn)及創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)造。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的一種由汽車車輪驅(qū)動的履帶牽引裝置包括履帶行走機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)帶動件、擋雪板及前導(dǎo)板等。履帶行走機(jī)構(gòu)的兩側(cè)設(shè)置有用于承載汽車輪胎的承載機(jī)構(gòu),履帶行走機(jī)構(gòu)上設(shè)置有與汽車車輪接觸的帶動件,帶動件被汽車車輪帶動轉(zhuǎn)動后,驅(qū)動履帶行走機(jī)構(gòu)的行駛。

使用前,汽車通過外置的攀爬梯,將汽車輪胎搭設(shè)在承載機(jī)構(gòu)上,汽車車輪被驅(qū)動后轉(zhuǎn)動,從而驅(qū)動帶動件帶動履帶轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動的履帶驅(qū)動整個裝置行駛。其中,履帶行走機(jī)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù),包括兩個導(dǎo)向輪、多個托帶輪、多個承重輪、一條履帶及履帶座,導(dǎo)向輪、多個托帶輪、多個承重輪及履帶都位于履帶座內(nèi)。兩個導(dǎo)向輪將履帶撐起,承重輪與托帶輪同軸設(shè)置于兩個導(dǎo)向輪之間,且與履帶的內(nèi)側(cè)壁接觸。履帶牽引裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 履帶牽引裝置結(jié)構(gòu)

承載機(jī)構(gòu)中包括固定在履帶座頂部側(cè)壁上的輪胎固定架,輪胎固定架上連接有多個支撐且與汽車車輪接觸的輪胎導(dǎo)輪,輪胎固定架用于定位汽車車輪,且通過履帶座對汽車車輪進(jìn)行限位,即汽車車輪下陷于履帶座和輪胎固定架內(nèi),其中設(shè)置的輪胎導(dǎo)輪可避免汽車車輪轉(zhuǎn)動時對履帶座及輪胎固定架造成摩擦損壞。履帶座的頂部固定連接有兩個擋雪板,且兩個擋雪板位于輪胎固定架的前后兩側(cè),用于阻擋積雪進(jìn)入履帶座內(nèi)。帶動件連接履帶座內(nèi)的帶動輪及帶動輪的外側(cè)壁上輥軸小側(cè)板,輥軸小側(cè)板與汽車車輪外側(cè)壁接觸,且與履帶的外側(cè)壁嚙合,即汽車車輪與帶動輪外側(cè)壁上的輥軸小側(cè)板接觸,若汽車車輪轉(zhuǎn)動,就會驅(qū)動輥軸小側(cè)板轉(zhuǎn)動,同時由于輥軸小側(cè)板與履帶嚙合,進(jìn)而轉(zhuǎn)動的輥軸小側(cè)板驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動。兩個帶動件分別位于汽車車輪的兩側(cè),使汽車車輪的轉(zhuǎn)動方向與履帶的轉(zhuǎn)動方向一致。履帶座的一端固定連接有傾斜向上的前導(dǎo)板,通過前導(dǎo)板亦可起到擋雪的效果。

履帶牽引裝置渲染效果如圖2所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖2 履帶牽引裝置渲染效果

▲圖3 履帶牽引裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 軟件介紹

4.1 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)輔助求解現(xiàn)實(shí)中遇到的工程問題,即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。該技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代,經(jīng)過30多年的發(fā)展和完善,己經(jīng)成為涉及土木、機(jī)械、流體、航天等廣泛領(lǐng)域的成熟工程分析手段,在強(qiáng)度校核、應(yīng)力應(yīng)變分析、振動分析、模態(tài)分析、電磁分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可,徹底改變了以往的工程設(shè)計(jì)理念,使計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程問題完美地結(jié)合在一起。常用的CAE軟件包括SolidWorks、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用CAE軟件及Dynaform、Moldflow、Autoform等專用CAE軟件。

4.2 ABAQUS

在零部件校核中,筆者采用了ABAQUS有限元仿真軟件。ABAQUS是功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件,解決問題的范圍涵蓋相對簡單的線性分析乃至復(fù)雜的非線性問題,擁有能夠模擬任意幾何形狀的單元庫,以及各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,也可以模擬其它工程領(lǐng)域的許多專業(yè)問題。ABAQUS因其具有豐富的單元庫與材料庫以及在非線性求解中有著非常顯著的優(yōu)勢等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用至各個工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中。

5 導(dǎo)向輪軸校核

車輛在正常使用的情況下,軸系應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服極限,但是在實(shí)際運(yùn)行過程中,可能出現(xiàn)諸多極端情況,如在崎嶇的路面上、由于意外因素使勁加油門等,履帶牽引裝置的工況比較惡劣,此時的安全性能不可忽視。由于在履帶牽引裝置眾多軸系中,前置的導(dǎo)向輪所在軸承受履帶的拉力最大,因此筆者以導(dǎo)向輪軸為例,運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件,對導(dǎo)向輪軸的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析,并根據(jù)所得結(jié)果,對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 模型導(dǎo)入

導(dǎo)向輪軸的三維模型如圖4所示。

▲圖4 導(dǎo)向輪軸三維模型

在SolidWorks軟件中創(chuàng)建三維模型,將三維模型導(dǎo)入ABAQUS軟件并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種保持圖形拓?fù)浼s束關(guān)系不變的建模方法。

為了方便在之后的參數(shù)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行施加載荷、約束等操作,將軸承與導(dǎo)向輪軸接觸的四處接觸面切出深0.1 mm的槽,形成四個參考面。

5.2 材料屬性設(shè)置

導(dǎo)向輪軸的材料選用45號鋼,材料的彈性模量為1.90×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.8×106kg/mm3。在屬性模塊中創(chuàng)建一個彈性材料模型,新建一個類型為實(shí)體、均質(zhì)的截面,并將該截面應(yīng)用至所有實(shí)體中,裝配模塊選擇獨(dú)立方式。在分析步模塊中創(chuàng)建分析步,程序類型設(shè)置為靜態(tài)分析。

5.3 邊界條件與約束

對導(dǎo)向輪軸兩端的螺紋孔面進(jìn)行固定約束,施加載荷類型為集中載荷,分別施加至軸承與導(dǎo)向輪軸的接觸面。集中載荷根據(jù)計(jì)算得到。履帶的內(nèi)力即汽車車輪最大驅(qū)動力Fq為502 kN,上下履帶夾角為30°,則履帶對每個導(dǎo)向輪軸的壓力Fy為242 kN。

在導(dǎo)向輪軸的四個參考面所在位置依次建立四個參考點(diǎn),并將這四個參考點(diǎn)與軸承接觸面進(jìn)行耦合約束。載荷施加如圖5所示,約束條件施加如圖6所示。

▲圖5 載荷施加

5.4 劃分網(wǎng)格

導(dǎo)向輪軸模型采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)劃分,如圖7所示。

▲圖6 約束條件施加▲圖7 網(wǎng)格劃分

5.5 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元分析,導(dǎo)向輪軸應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示,縱截面應(yīng)力分析結(jié)果如圖9所示,位移分析結(jié)果如圖10所示。

▲圖8 導(dǎo)向輪軸應(yīng)力分析結(jié)果▲圖9 縱截面應(yīng)力分析結(jié)果

由圖8、圖9可以看出,在導(dǎo)向輪軸徑突變處應(yīng)力值較大,與理論計(jì)算相符合,在螺紋副約束面應(yīng)力值大,符合圣維南原理。從圖10可以看出,在導(dǎo)向輪軸中間處位移最大,因?yàn)檩S徑大。

導(dǎo)向輪軸變形前后對比如圖11所示。

▲圖10 位移分析圖▲圖11 導(dǎo)向輪軸變形前后對比

在極限條件下,導(dǎo)向輪軸本身的等效應(yīng)力最大值僅為3.242×103Pa,遠(yuǎn)小于45號鋼的屈服極限,因此導(dǎo)向輪軸本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。但是根據(jù)應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn),螺紋孔末端應(yīng)力集中最明顯,因此在汽車發(fā)動機(jī)功率較大時,導(dǎo)向輪軸雖不至于失效,但是螺紋孔牙形容易發(fā)生變形,需要進(jìn)一步對螺栓與螺紋孔接觸部分進(jìn)行研究。

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)市場需求,設(shè)計(jì)了一種由汽車車輪驅(qū)動的履帶牽引裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單,且無需拆裝輪轂即可實(shí)現(xiàn)即拆即用的功能,且該履帶式牽引裝置適用性強(qiáng),體積小,質(zhì)量輕,經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,能廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的地面環(huán)境條件。筆者對該裝置主要部件進(jìn)行了有限元分析以優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并驗(yàn)證了其合理性。