牽引座支腿優(yōu)化設計

任文濤，閆婷玉，艾 潔，李陽康，王 睿

（陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

半掛牽引車由于其運輸量大、方便快捷、高效經(jīng)濟等優(yōu)點，近年來一直是主機廠主要推進的產(chǎn)品開發(fā)方向。特別是在2021年上半年，半掛牽引車已經(jīng)占據(jù)我國公路運輸量的半壁江山，正逐漸引起各大主機廠的關注和重視。牽引座作為半掛車和掛車之間的重要連接裝置，其可靠性將直接影響半掛汽車的行駛安全性。

牽引座作為牽引車和半掛車之間的連接裝置，俗稱“鞍座”。支腿作為牽引座最重要的支撐部件，主要通過承立軸實現(xiàn)與牽引座的連接，牽引座通過波紋安裝板與車架大梁進行固定[1]。本文運用有限元分析理論和結構優(yōu)化設計理念，利用CATIA軟件對牽引座進行優(yōu)化設計，并運用HyperMesh有限元分析軟件建立相應的有限元模型完成強度仿真分析，效果較為理想，為后續(xù)的產(chǎn)品研究提供了一定的理論依據(jù)。

1 牽引座的主要組成及功能

1.1 牽引座的主要組成

牽引座是一種載貨牽引汽車用來牽拉半掛車的牽拉件。主要由鞍體、楔塊、鎖鉤、支腿、鎖緊機構等組成（見圖 1）。通過拉桿總成的橫向運動，帶動楔塊橫向運動，同時通過楔塊與鎖鉤的裝配方式實現(xiàn)鎖鉤與牽引銷的旋轉運動，實現(xiàn)牽引座鎖鉤和掛車牽引銷之間的開啟和閉合方式[2-4]。

圖1 牽引座主要部件

牽引座作為牽引車必不可少的關鍵零部件之一，其主要功能是通過拉桿總成的運動，實現(xiàn)牽引銷與鎖鉤的開啟和閉合功能。其中掛車上的牽引銷通過牽引座定位完成后，主要進行水平力和載荷力的傳遞，進而實現(xiàn)牽引車與掛車之間的牽引功能[5-6]。

1.2 牽引座支腿功能

牽引座支腿主要用來進行牽引座的固定。一般牽引座通過兩個支腿和波紋安裝板、車輛大梁進行連接，從而起到固定牽引座并支撐的作用[7]。

綜合各牽引座廠家支腿的主要結構形式，主要包含支腿焊接總成和支腿鑄件兩種狀態(tài)。對于焊合件而言，在焊接過程中產(chǎn)生內(nèi)應力較大，焊接剛開始時，焊縫處快速升溫，加之周圍環(huán)境較低，焊接完成后由于焊縫與周圍區(qū)域的冷卻速度不一致，此時焊縫處所受到的拉應力接近材料的屈服極限，如果后期消除內(nèi)應力不及時，焊合件后期勢必有產(chǎn)生開裂或變形的風險。相比而言，鑄鐵件內(nèi)部由鐵素體和大量的石墨構成，其內(nèi)應力比焊接件的內(nèi)應力要小，其后使用過程的變形也就小[8]。另外焊接件和鑄件在受力上會有明顯的差異。本文在這里僅對鑄件支腿進行三種不同工況下的分析比對，兩種方案通過材料替換和結構優(yōu)化后，方案一重量12.2 kg，方案二重量9.4 kg，具有結構優(yōu)化方式如圖2、圖3所示；通過建立有限元模型，施加邊界條件，進行方案比較。

圖2 方案一有限元模型

圖3 方案二有限元模型

1.3 有限元模型的建立

將建立的三維模型導入到HyperMesh中進行前處理，為了確保對牽引座支腿進行準確的應力分析，在網(wǎng)格劃分時受力變化不大的位置選擇較大的網(wǎng)格，應力集中位置選擇的四面體相對密集一些。所采用的材料密度為ρ=7.01×10-9T/mm3，楊氏彈性模量為E=1.61×105MPa，泊松比為μ=0.274。建立兩種方案的有限元模型，并通過添加約束對牽引座支腿、波紋安裝板和車身梁進行固定連接。

1.4 邊界條件及載荷

進行前處理之后對模型進行邊界條件的定義。為模擬牽引座實際工作狀況[5-6]，將牽引座和波紋安裝板固定在車梁上，按照國家標準《道路車輛牽引座強度試驗》（GB/T 20069—2006）和《道路車輛外輪廓尺寸、載荷及質量極限值》（GB 1589—2004）對牽引座進行靜態(tài)過載分析，及時對Fvt（施加在模擬半掛車滑板的剛性板上）和Fht（作用于牽引銷軸上）進行方向、角度和相關參數(shù)的定義和計算。如表1所示。

表1 牽引座試驗要求

2 牽引座支腿仿真結果及分析

2.1 工況一

圖4(a)(b)分別表示兩種方案工況一的牽引座支腿應力云圖。結果表明，方案一應力值為396.1 MPa，安全系數(shù)為0.99；方案二應力值為450.4 MPa，安全系數(shù)為1.33，新材料安全系數(shù)相較于舊材料提升了0.34。均小于材料的屈服極限，滿足設計要求。

圖4 工況一應力云圖

2.2 工況二

圖5(a)(b)分別表示兩種方案工況二的牽引座支腿應力云圖。結果表明，方案一應力值為389.9 MPa，安全系數(shù)為 1.025；方案二應力值為515.1 MPa，安全系數(shù)為1.28。新材料安全系數(shù)相較于舊材料提升了0.26，均小于材料的屈服極限，滿足設計要求。

圖5 工況二應力云圖

2.3 工況三

圖6(a)(b)分別表示兩種方案工況三牽引座支腿應力云圖。結果表明，方案一應力值為163.1 MPa，安全系數(shù)為2.45；方案二應力值為165.2 MPa，安全系數(shù)為 3.63，均小于材料的屈服極限，滿足設計要求。

圖6 工況三應力云圖

3 結論

通過對牽引座支腿三種不同工況的分析，不僅實現(xiàn)了牽引座結構輕量化，也對該結構件進行強度分析，效果較為理想[9-10]。

（1）優(yōu)化前，支腿的應力集中都出現(xiàn)在兩側圓弧處，最小安全系數(shù)都大于1，滿足強度要求；

（2）鑄件支腿進行了材質的替換，通過云圖分析各工況安全系數(shù)均比優(yōu)化前大，滿足設計要求；另結構設計主要優(yōu)化了支腿兩側圓弧過渡處，以及改進固定孔結構方式，不僅實現(xiàn)整體減重2.8 kg，為后續(xù)輕量化提供了可靠依據(jù)；

（3）通過對牽引座支腿的靜力學分析，驗證通過HyperMesh軟件對牽引座支腿的應力分析結果的可行性，分析結果表明，牽引座的結構強度滿足要求，能夠大大縮短研發(fā)設計周期，更好地節(jié)約設計成本，為后續(xù)的牽引座設計計算提供了較好的參照依據(jù)。