半挂车90#牵引座结构强度分析

于玉真，王亚州，赵博，邸海宽

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

半挂车指车头和车箱间用工具牵引的大型货车[1]，凭借其装载量大和运输快捷等优点，广泛应用于大批货物的公路运输[2]。而牵引座作为连接车头和车箱的重要部件[3]，不仅要传递牵引车和车箱之间的纵向力，还要承受牵引车带来的各种冲击[4]，因此牵引座的质量性能影响着整个车辆结构的稳定性。

近年来，一些国内院校的学者对半挂车牵引座进行研究，并围绕牵引座结构建模，进行有限元分析。蔡玉强使用有限元软件对牵引座进行动态分析[5]。何仁使用有限元软件进行模态分析，获得其振动强弱分布情况[6]。王洋洋使用有限元软件对牵引座的疲劳强度进行分析[7]。但目前对牵引座的研究仅局限于有限元模拟分析，并未将有限元分析数据与实际试验数据进行对比验证。

该研究以唐山某公司生产的牵引座为依据，运用有限元软件对其进行强度分析，并对牵引座进行变形试验研究，将试验数据与有限元分析数据进行对比，验证仿真分析的准确性。

1半挂车牵引座结构模型

牵引座从型号上区分，主要有50#，90#两大类[8]。50#牵引座通常用于牵引总质量较小且在公路运输的半挂车，而90#牵引座则多用于牵引总质量达100 t以上的工程机械运输半挂车上[9]。并且在相同的牵引车上安装不同的牵引座，会出现不同的工作效果[10]。牵引座模型如图1所示，其是由鞍体、支架、拉杆、斜铁及锁钩等部件组成。

图1 牵引车牵引座结构

2牵引座受力分析

GB-T_20069-2006_道路车辆牵引座强度试验中4节D值的计算公式为：

(1)

式中：

D—牵引车与半挂车之间产生的纵向力的计算值，kN；

T—用于牵引半挂车的牵引车的最大设计总质量，t；

R—由牵引座牵引的半挂车的最大设计总质量，t；

U—半挂车装载到其最大设计总质量时，垂直施加在牵引座上的质量，t；

g—重力加速度，为9.81 m/s2。

根据市场提供的数据，牵引座试验的U值为30 t，D值为200 kN。GB-T_20069-2006_道路车辆牵引座强度试验中5.3.1节中垂直试验载荷Fv，t取1.2×g×U，水平试验载荷Fh，t取0.6×D。其计算结果为：

Fv，t=1.2×g×U=353.16 kN

(2)

Fh，t=0.6×D=120 kN

(3)

3牵引座有限元分析

考虑到计算精度和规模的影响，使用Design Modeler模块对其进行相应的简化。简化运输过程中不起承载作用的微小零部件和模型中一些细节。对半挂车牵引座几何模型处理之后保留的构件包括：牵引座壳体、前支撑筋板、尾部筋板、尾部滑道盖板、斜铁、锁钩、斜铁压板、耐磨环、U型板、前开口框架板与左贴耳处筋板、支架总成和底板。在实际情况中，牵引座构件间的连接方式选用焊接或螺栓连接。而在有限元模型中，以上2种连接方式均采用绑定接触，即2个面是相对固定，并且相互没有间隙和滑动发生，视为刚性连接。简化后模型如图2所示。

图2 简化后90#牵引座三维模型

3.1 定义材料属性

半挂车牵引座材料由中碳钢 Q345 组成。材料参数如表1 所示。

表1 半挂车牵引座材料的参数

3.2 网格划分

建立牵引座几何模型，并对其进行网格划分。网格划分时选用带中间节点的高阶网格，并对关键区域进行网格细化，以保证计算精度，网格划分结果如图3所示。其总网格单元数约为84.2万，总网格节点数约为151万，网格平均质量为0.838，网格平均宽高比为1.83，网格平均斜率为0.228。

图3 90#牵引座网格划分

3.3 网格无关性验证

为了尽量减小网格密度对计算结果的影响，在相同的牵引座几何模型和边界条件下选择5种网格数进行计算，网格数量分别为：30.6万、50.5万、84.2万、104.5万和148.1万。将不同网格数量下的最大等效应力进行对比，如图4所示。从图4中可以看出，网格数量对计算结果有较大的影响，当网格数量超过84.2万后，计算结果波动较平稳，已小于1%。说明在网格数量超过84.2万，能满足其网格无关性的要求。

图4 最大等效应力随网格数量变化关系

3.4 施加边界条件

为了使半挂车牵引座分析结果更为精确，需对其施加边界条件。由于试验时牵引座上边存在刚性板，支架底板下边存在试验台，所以对牵引座壳体上表面施加无摩擦支撑，即面内可以自由移动，而面外的移动是受限的。对支架底板中的12个孔施加固定约束，即限制12个孔处的所有自由度。根据牵引座实际使用方式，对其进行如下约束和加载：框架贴耳中心圆孔处施加固定约束，锁钩处施加向后120 000 N的力，牵引座壳体上表面施加353 160 N的力，对牵引座整体模型施加向下的重力加速度，并添加一定的支撑条件，具体边界条件如图5所示。

图5 边界条件

3.5 结果分析

牵引座应力云图如图6所示，从6图中可以看出，牵引座应力主要集中在加强筋板处和壳体后部，其他大部分区域应力较小。牵引座最大等效应力位于后加强筋接触区域(具体在图中Max处)，最大等效应力值为318.55 Mpa。

图6 牵引座整体等效应力云图

牵引座总变形云图如图7所示，从图7中可以看出，牵引座的变形主要发生在壳体前后两部分，壳体中部和各加强筋板处基本未发生变形，牵引座最大变形位于壳体后顶部(具体在图中的Max处)，最大变形值为0.725 4 mm。

图7 牵引座总变形云图

3.6 牵引座的强度校核

牵引座材料是中碳钢Q345，屈服极限为 345 MPa，牵引座的最大等效应力为318.55 MPa，小于其屈服极限强度，最小安全系数为1.1，因此牵引座强度满足要求，不会发生强度破坏。牵引座最大变形值为0.725 4 mm，为其宽度的0.11%，小于牵引座强度试验的相关规定。

4牵引座变形的试验测量与分析

4.1 变形测量方案

对牵引座结构进行变形测量时，使用伺服作动器对牵引座结构施加载荷，然后通过电液伺服变形测量系统将各测点的变形数据传输到计算机，进行数据的分析处理。试验所采用的设备如图8所示，设备参数如表2所示。

图8 电液伺服器变形测量系统

表2 设备参数

4.2 变形分析结果与对比分析

变形试验结果如图9所示。在联结条件相同的情况下，对联结板施加沿牵引销的举升力为294.3 kN时，联结板的永久弯曲变形为0.81 mm，为其宽度的0.12%。有限元分析其最大变形量与试验变形结果相差8%，有限元分析结果与试验数据相接近，说明了分析过程的可靠性。

图9 变形试验结果

5结论

(1)牵引座最大等效应力位于后加强筋接触区域，最大等效应力值为318.55 MPa，小于Q345的屈服极限，所以牵引座结构是安全的。最大变形位于壳体后顶部，最大变形值为0.725 4 mm。壳体后部的应力和总变形较大，是牵引座最脆弱的位置。

(2)利用电液伺服器变形测量系统对牵引座的变形结果进行测量，并提取变形数据，将试验数据与有限元分析数据进行对比，有限元分析其最大变形量与试验变形量相差较小，且均小于牵引座强度试验的相关规定，证明有限元分析结果真实可靠，为半挂车牵引座的优化设计提供了依据。