越野车备胎架设计及挂钩结构优化

刘双燕，王高翔，杨少东，王新博

(泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000)



越野车备胎架设计及挂钩结构优化

刘双燕，王高翔，杨少东，王新博

(泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000)

越野车辆工作环境复杂，常常面对严峻的路况，轮胎会出现爆胎现象，需要装配备胎架。结合工程实际，对备胎架设计进行优化并利用软件建立易损件——挂钩的仿真模型进行强度分析，实现结构及性能的优化。

越野车备胎架；挂钩；有限元分析；结构优化

0 引言

重型越野车辆工作环境恶劣，路况复杂，载质量大，长期面临急造路面等极端工况，因此轮胎经常发生爆胎现象。为保证车辆正常工作，需要装配备胎架。

该举升装置在实际行车中经常应用，包含很多易损零部件[1]，需要做运动校核及强度分析。考虑实际工况，做结构优化以提高使用寿命是零部件设计者的主要任务。针对某越野车辆的备胎架设计优化过程，对易损部件作有限元计算，以提出改进的依据。

1 方案设计

汽车底盘备胎架设计方案通过集成阀及双油缸完成备胎装卸。过程为：

(1)车辆启动，发动机怠速运转，打开备胎电源开关；

(2)将固定钢管卸下，按下备胎升降开关，将备胎放至地面。

两悬挂钢钩之间钢丝绳长度的确定：根据备胎控制器位置、备胎架结构及位置确定钢丝绳长度为506mm。备胎架总成CAD图见图1。

2 油缸选择

举升油缸的大小根据其所需最大行程及最大工作压力确定。两种备选油缸，额定工作压力均为18MPa，行程L′均为580mm，安装尺寸L均为796mm，有缸径φ40mm、杆径φ22mm和缸径φ50mm、杆径φ28mm两种截面。

图1 备胎架安装CAD图

2.1 计算油缸所需的最大行程

根据整车要求，计算出备胎架距地面高度。翻转备胎翻转架，将备胎放至地面，此时，油缸的行程最大，如图2所示。图中L1为备胎落地时油缸长度，油缸能满足的最大行程L″=L1-L

图2 备胎翻转示意图

2.2 计算油缸所需的最大压力

图2中A为旋转点，L2为旋转点距备胎重力的垂直距离，L3为旋转点距油缸中心线的垂直距离，备胎刚离地时，油缸压强p′计算公式：

其中:G为备胎的重力，为2 560kN。

备胎旋转至地面的过程中，根据上述公式每隔5°作为一个记录点分别计算油缸压强。算得缸径φ50mm、杆径φ28mm时举升油缸的最大压强为10.9MPa；缸径φ40mm、杆径φ22mm时举升油缸的最大压强为16.77MPa。系统压强由转向系统确定，为13.5MPa。举升油缸压强最大值须小于0.9倍的系统压力，即12.15MPa。因此选取缸径φ50mm的油缸。

3 悬挂钢钩结构优化

两钢钩承受拉力为2 560kN。钢钩部件的初步设计方案为S型[2]，在试车实验中出现了屈服拉直的现象，需要对该结构进行校核及优化。分析S型钢钩受力，力线经过上下圆弧中心沿铅直方向，与钢钩中部直线部分呈较大夹角，该直线部分在长期受力情况下有与力线方向一致的趋势。经过建模及有限元计算[3]，S型钢钩工作状态最大应力为440MPa，在上部大圆弧折弯处，与实验情况一致。而钢钩所采用的材料为Q345，屈服极限δs为345MPa，抗拉极限δb为500MPa，工作应力已经超出屈服极限，所以容易发生屈服失效。S型钢钩实物及VonMises应力计算结果见图3。

根据受力规律考虑，钢钩中间直线部分应与拉力方向一致为佳。经过多次试算，选定最小应力结构形式G型。该结构在同种工况下最大应力只有97.8MPa，安全系数3.5。G型钢钩的实物及VonMises应力计算结果见图4。两种形式挂钩的备胎架见图5。

图4 G型钢钩实物及Von Mises应力图

图5 挂钩结构改进前后对比图

4 结论

改进后挂钩的可靠性大大提高，经实验取得了预期效果，没有出现屈服现象。

【1】王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010:30-34,47-50.

【2】刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社,2001:92-98,518-537.

【3】王元汉.有限元法基础与程序设计[M].广州：华南理工大学出版社,2001.

DesignofVehicleTypeRackandOptimizationoftheHook

LIUShuangyan,WANGGaoxiang,YANGShaodong,WANGXinbo

(TaianAerospaceSpecialVehicleCo.,Ltd.,TaianShandong271000,China)

Allterrainvehiclesoftenfaceonrigorroad,thetypesmaybedamagedsometimes.Itshouldbeequippedwithtyperack.Combinedwithengineeringpractice,thedesignofthetyperackwasoptimizedandthestrengthanalysisofthehookwascompletedtorealizestructureoptimizationandreliabilityimproving.

Typerackofallterrainvehicles;Hook;FEManalysis;Structureoptimization

2015-11-02

刘双燕(1986—)，女，学士，助理工程师，从事特种车辆设计。E-mail：efdg_862@163.com。

王新博，E-mail：w_xinbo@126.com。

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