某重型商用汽车前牵引装置优化设计

晏强，苗永，刘永博，董昭，刘申杰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

某重型商用汽车前牵引装置优化设计

晏强，苗永，刘永博，董昭，刘申杰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

一辆重型商用汽车在满载运行过程中，有时会遇到需要其它车辆来牵引的情况，且牵引力较大，这就对商用汽车前牵引装置的强度和可靠性提出了更高的要求。文章从市场产品质量及用户需求角度出发，通过结构优化设计、CAE仿真分析，对前牵引装置的强度和可靠性进行了全面提升。

前牵引装置；强度；可靠性；优化设计

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.039

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-122-03

引言

重型商用汽车在当代经济建设中有着举足轻重的作用，货物运送的时效性要求重型商用汽车在运行过程中遇到故障需要得到及时有效的解决。牵引装置作为汽车基本的自救设备，能够正常有效的发挥牵引作用，对节约时间成本、减少维修成本具有重要意义。

一辆满载货物的商用汽车陷入泥潭或低洼路坑，靠自身动力已无法前进时，就必须借助其它车辆的牵引来摆脱困境。为了节约时间成本，司机师傅不会卸载货物后再牵引，通常在维持货物原状态下直接挂缆绳牵引。此时，被困车辆处于载重状态，加上来自路面的阻力，前来营救的车辆只有提供足够大的牵引力才能使被困车辆前进。被困车辆所需的牵引力较大，就对其牵引装置的强度和可靠性提出了更高的要求。

1、前牵引装置结构设计

1.1 设计思路

某重型商用汽车现行使用的前牵引装置如图1所示，牵引销通过螺纹与牵引底座相连，牵引底座通过螺栓与保险杠托架相连，保险杠托架以螺栓方式安装于汽车底盘车架上。公路版商用汽车因其路况良好、轻载或标载运输的特点，通常只配备单侧牵引装置，并且能够满足用户使用需求。工程版商用汽车由于路况复杂、重载运输的特点，则需配备左右两侧双牵引装置。由于用户使用习惯，左右双牵引装置同时使用时带来的操作不便，工程版商用汽车在实际运行过程中，常常是单侧受拉。这就给现行的这套前牵引装置带来了压力，牵引销螺纹失效、牵引底座破坏和保险杠托架拉裂等市场问题时有发生。图2为某重型商用汽车现行使用的前牵引装置CAE仿真分析的结果，各零件安全因子普遍小于1。

考虑到单侧牵引时，受拉一侧的纵梁、保险杠托架等受力较大，局部区域应力集中，故转变设计思路，改侧向牵引为中置牵引。中置牵引装置可有效分散牵引力，将牵引力均分到车架两侧纵梁，实现左右受力平衡，同时单个牵引装置符合用户使用习惯，操作简单方便。优化后的某重型商用汽车中置牵引装置如图3。

1.2 详细设计

1.2.1 中置牵引装置

结合市场发生的牵引销螺纹失效问题，将中置牵引装置的设计思路确认为螺栓连接方式，即优化后的中置牵引装置不再使用螺纹与牵引底座连接。此结构的好处：一方面避免了牵引销使用时反复拧紧、松解过程带来的麻烦，仅需通过穿插牵引销轴即可实现缆绳的快速安装；另一方面中置牵引装置使用螺栓与套装支架连接，抗拉强度大，即使中置牵引装置失效，也能实现零件的快速更换安装，操作简单方便。中置牵引装置零件如图4所示。

中置牵引装置采用抗拉强度较高的铸钢材料，提高零件可靠性。在穿插牵引销轴与牵引缆绳接触一端，设计有翻边特征，避免缆绳磨坏保险杠，以达到保护保险杠的作用。另一端设计螺栓孔，通过螺栓与套装支架连接，如图5所示。中置牵引装置与保险杠之间协同设计，预留螺栓装配空间，方便螺栓安装、拆卸，使产品易于维修。

1.2.2 套装支架

套装支架连接着中置牵引装置与一横梁，起着连接牵引装置与汽车底盘车架的关键作用。通过套装支架，原本只能安装在平面上的中置牵引装置即可在圆形管梁上安装，因此套装支架还起着一个转换作用。如图6所示，主视图中，套装支架设计螺栓孔，通过螺栓螺母与中置牵引装置相连；左视图中，套装支架设计有配合圆柱面，与管状一横梁套装焊接，为保证零件之间面面接触效果良好，圆柱面为机加工面；俯视图中，为保证套装支架与管状一横梁之间的连接强度，b值应取较大值，但b值过大，配合圆柱面变长，带来工艺上加工的麻烦，机加工刀具伸入距离受到限制，故将套装支架的配合圆柱面设计为两段式，即a+a的形式，a值在机加工刀具伸入的有效距离内，保证了配合圆柱面的加工工艺性。

1.2.3 管状一横梁

某重型商用汽车吨位较大，载重状态下需要的牵引力大。中置牵引装置若安装于冲压槽型横梁上，牵引时，槽型横梁易开裂失效。考虑到管状横梁抗拉强度优于槽型横梁，故将一横梁设计为管状横梁，中置牵引装置通过套装支架与一横梁间接相连。管状一横梁总成如图7所示，由一件中间管梁和两件连接座组成，连接座设计圆形凸台特征，伸入管梁内部套装，并与管梁焊接。连接座铸件设计螺栓孔，管状一横梁总成通过螺栓与汽车底盘车架相连，将来自牵引装置的力直接传递到车架上。同时，在某重型商用汽车的应用上，将拼焊件保险杠托架设计为强度更大、可靠性更高的铸造前伸梁，整体提高了汽车底盘件的牵引工况强度。

2、前牵引装置CAE仿真分析

2.1 有限元模型

本模型以前牵引装置为对象，是基于HyperWorks工具的有限元强度分析。以HyperMesh为前处理工具，建立壳单元仿真钣金、四面体单元仿真铸件的有限元分析模型。求解器采用Radioss进行计算，后处理工具采用HyperView进行分析判断。

将前牵引装置与车架相连，车架尾端固定约束，根据GB/T 28948-2012标准，施加载荷，同时，加载力的大小和方向参考欧洲较先进的有限元分析方案，如图8所示。

2.1 CAE分析结果

通过有限元分析模型的建立，计算得出优化后的前牵引装置各零件应力云图，中置牵引装置、套装支架、管状一横梁以及前伸梁的强度分析结果如图9所示。

3、结论

通过仿真分析，得出优化设计的前牵引装置各零件最小安全因子如表1。

表1 前牵引装置各零件安全因子

表1数据说明优化设计后的前牵引装置在强度、可靠性方面较原产品有较大提升，满足产品设计需求。通过试制验证，该装置装配工艺性良好。 同时，优化设计后的产品重量与原产品基本持平，生产成本较原产品有适当降低。本次优化设计达到了预期效果，解决了市场难题。

[1] 商用车辆前端牵引装置.GB/T 28948-2012.

Optimization Design Of Front Towing Attachment For Heavy Commercial Vehicle

Yan Qiang, Miao Yong, Liu Yongbo, Dong Zhao, Liu Shenjie
( Shaanxi Heavy-duty truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

A heavy commercial vehicle in full load running, sometimes need other vehicles to pull with a huge force. It puts forward higher requirements for the strength and reliability of commercial vehicle front towing attachment. In this paper, from the perspective of product quality and customer demand, through structure optimization design and CAE analysis, the strength and reliability of front towing attachment are comprehensively promoted.

Front Towing Attachment; Strength; Reliability; Optimal Design

U462.1

A

1671-7988(2016)10-122-03

晏强（1986-），男，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，从事总布置设计工作。