某越野车绞盘选用及固定座轻量化设计

张晓强，刘慧芬，俞 飞，阎慧杰，李坦汀，王武魁

（山西航天清华装备有限责任公司 技术中心，山西 长治 046000）

0 引言

某越野车工作环境恶劣，为完成野战条件下对特定、大吨位车辆的伴随保障任务，需具备救援和自救的能力，其车载大牵引力绞盘就显得格外重要。

作为救援保障的关键设备，绞盘的性能指标、固定座强度及安装位置的合理性和科学性，均会影响其最大作业效能的发挥［1］。

绞盘救援保障对象一般都是在野外复杂的地带行驶，在牵引救援过程中绞盘会承受各种无法避免的冲击和振动载荷，所以绞盘和固定座结构必须具备较高的安全系数。

本文以绞盘及其固定座为研究对象，借助有限元分析技术，研究绞盘固定座在最大工作负载下的结构强度和变形情况，并验证在复杂工况下绞盘固定座结构设计的合理性，对固定座进行拓扑优化。

1 绞盘分类

车载大牵引力绞盘按动力源划分一般有3种：电动绞盘、机械绞盘、液压绞盘。

（1）电动绞盘。动力源为电机，容易操作，方便维护，但车辆自带的电力系统存在局限性，只能间歇工作，若长时间工作，电机发热影响使用效率。车载电动绞盘功率一般在2kW～5kW之间，这对底盘电瓶容量和整个电路系统提出较高的要求。

（2）机械绞盘。动力源为底盘分动箱，其作业时间长，发热少，是一般越野车绞盘首选。但若发动机抛锚或分动箱出现故障无法工作时，绞盘也将无法正常使用。另外，机械绞盘对综合功能集成程度高的越野车的整车布局和结构有一定的影响。

（3）液压绞盘。动力源为液压马达，设备通用化，可长时间工作，效率和可靠性均高，便于维护。液压绞盘牵引力介于电动绞盘和机械绞盘二者之间。液压绞盘需用底盘取力器系统作为源驱动力，这就要求发动机必须持续工作，若液压马达或者取力器系统等出现故障，绞盘也将无法使用［2］。

2 绞盘选用

某越野车抢救时限要求严格，必须保证绞盘性能可靠，可长时间连续工作，因此采用液压绞盘，另外，越野车自身配备的抢救用起重机可以和液压绞盘共用同一液压动力源。

3 绞盘安装位置及受力分析

3.1 安装位置

考虑越野车的车身长度和钢丝绳绕进或绕出绞盘卷筒时偏离螺旋槽两侧的角度不大于推荐值3.5°［3］，为防止钢丝绳回收时出现乱绳现象，大牵引力液压绞盘一般安装在越野车长度中间靠近驾驶室位置来保证足够的出绳角度。绞盘与固定座应可靠连接，连接用螺栓强度不小于10.9级。绞盘安装后应保证与前置抢救用起重机之间留有足够的安全距离，且保证绞盘的液压管路空间布置不受影响。

3.2 绞盘受力分析

考虑某越野车整车布局及结构形式，绞盘采用下出绳方式经导向轮进行施救，出绳方式如图1所示。

绞盘受力最大时，钢丝绳缠绕在卷筒最外层，绞盘收绳过程中会出现两个最大极限受力位置，如图2所示。

图2 绞盘受力极限位置

图1 绞盘出绳方式示意图

4 有限元分析

4.1 建立有限元模型

根据绞盘位置及其自身支架尺寸设计绞盘固定座。通过三维建模软件UG建立了绞盘固定座三维模型（包括部分副车架），如图3所示。

由于副车架采用HG785D高强度钢板，考虑其使用量和减少材料种类，绞盘固定座也采用HG785D钢板。对于≥0.7的钢材，基本许用应力［4］按式（1）计算：

其中：［σ］为钢材的基本许用应力；σs为钢材屈服极限；σb为钢材抗拉强度；n为强度安全系数。

HG785D钢板屈服极限为685MPa，抗拉强度极限为785MPa，考虑绞盘救援作业时受冲击和振动，强度安全系数取1.48。将以上参数代入式（1）计算得HG785D钢板基本许用应力［σ］为417MPa。

对固定座模型通过自动划分法进行了网格划分，获得113 104个节点、49 154个单元，固定座的网格划分结果如图4所示。

图3 绞盘固定座三维模型

图4 固定座网格划分

忽略钢丝绳在绞盘卷筒绳槽接触面上产生的滑动摩擦力，不计钢丝绳在绳槽内偏移的影响及钢丝绳的卷绕阻力［5］，对固定座有限元模型添加约束边界和施加载荷后进行仿真分析。

4.2 仿真分析

利用Workbench仿真软件对钢丝绳处于位置1时进行仿真计算，求解完成后得到绞盘固定座等效应力云图和总变形云图，如图5、图6所示。从图5、图6中可看出，其最大应力为150.22MPa，绞盘固定座最大变形为0.32mm。安全系数为2.78，安全系数较大，存在优化的空间，可以通过拓扑优化来去除对固定座整体结构强度不产生负面影响的区域，减少结构质量［6］，使其符合精益设计理念。

图5 固定座等效应力云图

图6 固定座总变形云图

5 拓扑优化

在Shape Optimization中将优化减重目标设置为35%，对绞盘固定座进行拓扑优化，固定座优化结果如图7所示。

完成固定座拓扑优化后，根据拓扑优化结果对绞盘固定座进行三维模型修改，优化后固定座质量减小了28%，改进后固定座模型如图8所示。

对固定座拓扑优化后的模型通过自动划分法进行网格划分，获得节点数为106 622个，单元数为45 789个，优化后固定座的网格划分结果如图9所示。

图7 固定座拓扑优化结果

图8 优化后固定座模型

图9 拓扑优化后固定座网格划分

利用Workbench仿真软件对钢丝绳处于位置1时进行仿真计算，对更新后模型添加同样约束和载荷再次进行仿真分析，拓扑优化后固定座应力云图与总变形云图分别如图10、图11所示，最大应力为120.33 MPa，最大变形为0.41mm。

图10 优化后固定座等效应力云图（钢丝绳在位置1）

图11 优化后固定座总变形云图（钢丝绳在位置1）

利用Workbench仿真软件对钢丝绳处于位置2时进行计算，对更新后模型添加约束和载荷再次进行仿真分析，固定座应力云图、总变形云图分别如图12、图13所示，最大应力为199.76MPa，最大变形为0.617mm，安全系数为2.08。通过分析比较可以得出绞盘固定座在钢丝绳处于位置2时受力最大，考虑冲击和振动，结构强度已满足轻量化设计要求。

图12 优化后固定座等效应力云图（钢丝绳在位置2）

图13 优化后固定座等效 应力云图（钢丝绳在位置2）

6 结论

（1）确定了大牵引力车载绞盘选用原则和绞盘固定座安装位置。

（2）对绞盘固定座进行轻量化设计，使绞盘固定座质量减小了28%，降低了生产成本。

（3）通过后期现场试验，结果表明，绞盘固定座能够满足使用要求。