牵引座支腿优化设计

任文涛，闫婷玉，艾 洁，李阳康，王 睿

（陕西德仕汽车部件（集团）有限责任公司，陕西 西安 710200）

半挂牵引车由于其运输量大、方便快捷、高效经济等优点，近年来一直是主机厂主要推进的产品开发方向。特别是在2021年上半年，半挂牵引车已经占据我国公路运输量的半壁江山，正逐渐引起各大主机厂的关注和重视。牵引座作为半挂车和挂车之间的重要连接装置，其可靠性将直接影响半挂汽车的行驶安全性。

牵引座作为牵引车和半挂车之间的连接装置，俗称“鞍座”。支腿作为牵引座最重要的支撑部件，主要通过承立轴实现与牵引座的连接，牵引座通过波纹安装板与车架大梁进行固定[1]。本文运用有限元分析理论和结构优化设计理念，利用CATIA软件对牵引座进行优化设计，并运用HyperMesh有限元分析软件建立相应的有限元模型完成强度仿真分析，效果较为理想，为后续的产品研究提供了一定的理论依据。

1 牵引座的主要组成及功能

1.1 牵引座的主要组成

牵引座是一种载货牵引汽车用来牵拉半挂车的牵拉件。主要由鞍体、楔块、锁钩、支腿、锁紧机构等组成（见图 1）。通过拉杆总成的横向运动，带动楔块横向运动，同时通过楔块与锁钩的装配方式实现锁钩与牵引销的旋转运动，实现牵引座锁钩和挂车牵引销之间的开启和闭合方式[2-4]。

图1 牵引座主要部件

牵引座作为牵引车必不可少的关键零部件之一，其主要功能是通过拉杆总成的运动，实现牵引销与锁钩的开启和闭合功能。其中挂车上的牵引销通过牵引座定位完成后，主要进行水平力和载荷力的传递，进而实现牵引车与挂车之间的牵引功能[5-6]。

1.2 牵引座支腿功能

牵引座支腿主要用来进行牵引座的固定。一般牵引座通过两个支腿和波纹安装板、车辆大梁进行连接，从而起到固定牵引座并支撑的作用[7]。

综合各牵引座厂家支腿的主要结构形式，主要包含支腿焊接总成和支腿铸件两种状态。对于焊合件而言，在焊接过程中产生内应力较大，焊接刚开始时，焊缝处快速升温，加之周围环境较低，焊接完成后由于焊缝与周围区域的冷却速度不一致，此时焊缝处所受到的拉应力接近材料的屈服极限，如果后期消除内应力不及时，焊合件后期势必有产生开裂或变形的风险。相比而言，铸铁件内部由铁素体和大量的石墨构成，其内应力比焊接件的内应力要小，其后使用过程的变形也就小[8]。另外焊接件和铸件在受力上会有明显的差异。本文在这里仅对铸件支腿进行三种不同工况下的分析比对，两种方案通过材料替换和结构优化后，方案一重量12.2 kg，方案二重量9.4 kg，具有结构优化方式如图2、图3所示；通过建立有限元模型，施加边界条件，进行方案比较。

图2 方案一有限元模型

图3 方案二有限元模型

1.3 有限元模型的建立

将建立的三维模型导入到HyperMesh中进行前处理，为了确保对牵引座支腿进行准确的应力分析，在网格划分时受力变化不大的位置选择较大的网格，应力集中位置选择的四面体相对密集一些。所采用的材料密度为ρ=7.01×10-9T/mm3，杨氏弹性模量为E=1.61×105MPa，泊松比为μ=0.274。建立两种方案的有限元模型，并通过添加约束对牵引座支腿、波纹安装板和车身梁进行固定连接。

1.4 边界条件及载荷

进行前处理之后对模型进行边界条件的定义。为模拟牵引座实际工作状况[5-6]，将牵引座和波纹安装板固定在车梁上，按照国家标准《道路车辆牵引座强度试验》（GB/T 20069—2006）和《道路车辆外轮廓尺寸、载荷及质量极限值》（GB 1589—2004）对牵引座进行静态过载分析，及时对Fvt（施加在模拟半挂车滑板的刚性板上）和Fht（作用于牵引销轴上）进行方向、角度和相关参数的定义和计算。如表1所示。

表1 牵引座试验要求

2 牵引座支腿仿真结果及分析

2.1 工况一

图4(a)(b)分别表示两种方案工况一的牵引座支腿应力云图。结果表明，方案一应力值为396.1 MPa，安全系数为0.99；方案二应力值为450.4 MPa，安全系数为1.33，新材料安全系数相较于旧材料提升了0.34。均小于材料的屈服极限，满足设计要求。

图4 工况一应力云图

2.2 工况二

图5(a)(b)分别表示两种方案工况二的牵引座支腿应力云图。结果表明，方案一应力值为389.9 MPa，安全系数为 1.025；方案二应力值为515.1 MPa，安全系数为1.28。新材料安全系数相较于旧材料提升了0.26，均小于材料的屈服极限，满足设计要求。

图5 工况二应力云图

2.3 工况三

图6(a)(b)分别表示两种方案工况三牵引座支腿应力云图。结果表明，方案一应力值为163.1 MPa，安全系数为2.45；方案二应力值为165.2 MPa，安全系数为 3.63，均小于材料的屈服极限，满足设计要求。

图6 工况三应力云图

3 结论

通过对牵引座支腿三种不同工况的分析，不仅实现了牵引座结构轻量化，也对该结构件进行强度分析，效果较为理想[9-10]。

（1）优化前，支腿的应力集中都出现在两侧圆弧处，最小安全系数都大于1，满足强度要求；

（2）铸件支腿进行了材质的替换，通过云图分析各工况安全系数均比优化前大，满足设计要求；另结构设计主要优化了支腿两侧圆弧过渡处，以及改进固定孔结构方式，不仅实现整体减重2.8 kg，为后续轻量化提供了可靠依据；

（3）通过对牵引座支腿的静力学分析，验证通过HyperMesh软件对牵引座支腿的应力分析结果的可行性，分析结果表明，牵引座的结构强度满足要求，能够大大缩短研发设计周期，更好地节约设计成本，为后续的牵引座设计计算提供了较好的参照依据。