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【摘 要】某微车前牵引钩装置的连接结构，其强度不能满足最新国家标准强度要求。因此，文章通过改变该车前牵引钩螺母的连接结构，改变载荷力的分散形式，提出结构优化方案，提高强度。应用CAE辅助分析手段进行力学仿真验证，得出满足强度需求的结构设计。
【关键词】牵引钩装置；连接结构；强度分析
【中图分类号】U469.51 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0084-04
0 前言
随着人们生活水平的提高，汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。近年来，我国汽车保有量迅猛增长，故障车、事故车等车辆阻碍交通的现象频发；汽车牵引装置作为车辆的安全结构件，在车辆救援及售后维修中起着关键的作用；牵引装置的规格、强度等差异很大，给车辆救援及售后维修带来困难。国家标准化管理委员会针对汽车牵引装置制定出适合中国汽车行业需求的强制性标准。
本文在国家标准的前提下，利用CAE辅助分析手段，对某微车牵引钩螺母连接结构进行优化设计，优化后得出满足国家标准强度要求的结构，为今后前牵引钩装置的结构设计提供参考。
1 背景
某微车前牵引钩装置的连接结构包括牵引钩螺母、前防撞梁焊合件、车架纵梁等，牵引钩螺母通过CO2保护焊与防撞梁内外板连接，前防撞梁焊合件与车架纵梁翻边通过电阻电焊形成Y方向上的连接，在车架纵梁内部，再通过一个“L”形的加强板将前防撞梁焊合件与车架纵梁连接，利用加强板的翻边与车架纵梁内壁焊接（如图1所示）。
1.1 CAE分析加载条件
按照国家标准要求，牵引装置应能承受的最小静载荷F：
F=m×g/2
其中，F为牵引装置承受的最小静载荷，N；m为最大允许总质量，kg；g为重力加速度，9.8 m/s2。
为了给予一定的安全裕度，CAE分析中加载力均是在法规要求的基础上乘以1.2。该车型在拖钩处的加载力如下：
F=12 830×1.2=15 400 N
CAE分析过程中，对该车型车身截断处6个自由度进行约束，对牵引装置分别沿水平方向（与车辆纵向中心线平行）、垂直方向±5°及水平方向±25°施加拉伸和压缩静载荷（如图2所示）。
1.2 评价标准
国家标准要求：安装在车辆上的每一个牵引装置在完成试验后，牵引装置及其固定件不应损坏、失效、断裂或产生影响正常使用的变形；安装在牵引装置附近的其他部件（如车辆的灯具、信号装置、制动系统、转向系统等）不应损坏或无法正常工作。
卸载后永久变形及塑性应变没有明确要求，在CAE分析中，一般要求永久变形量小于经验值（10 mm），最大塑性应变应小于0.2。
1.3 分析结果
在水平方向±25°的工况下，该车型实际永久变形量达16 mm，大于经验值（10 mm）（如图3所示）。最大应变在水平方向右偏25°的工况下，产生在防撞梁上，值为0.038，小于0.2（如图4所示）。
综上2个评价标准，该车型牵引装置在水平方向±25°工况下，永久变形较大，存在断裂风险，影响牵引装置及其固定件的正常使用，不能满足国家标准中对强度的要求。
2 原因分析
该车型的牵引装置中，车架纵梁采用的材料为B280VK，厚度为1.8 mm；防撞梁内、外板材料均為BLD，厚度为1.0 mm；“L”形加强板的材料为SAPH370酸洗，厚度为1.8 mm。牵引钩装置受到载荷力时，通过牵引钩螺母传递到防撞梁，再通过防撞梁传递到车架纵梁，车架纵梁将力传到车身。而防撞梁焊合件与车架纵梁翻边的连接刚度和强度不足，不能有效地将载荷力传递给纵梁，导致该区域应力集中，随着载荷力加大，防撞梁与纵梁连接区域发生塑性变形，导致牵引装置永久变形量不达标。如果设计出合理的连接结构，将所受载荷有效地分担到车架纵梁，降低防撞梁处的应力，则有望解决牵引装置永久变形大的问题。
3 解决方案的制订和确认
3.1 方案的制订
为解决以上问题，需要针对连接牵引钩螺母的加强板设计出新的结构，方案如下。
方案一：纵梁内部新增一个“几”字形支架代替原来的加强板，利用支架翻边与纵梁内壁通过电阻点焊连接，牵引钩螺母内外径保持不变，长度由45 mm改为95 mm。牵引钩螺母通过CO2保护焊固定在支架上，并与前防撞梁焊合件连接。其中，加强板采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图5所示）。
方案二：纵梁内部增加2个加强板，形成一个闭合的腔体结构，通过CO2保护焊及电阻点焊将加强板焊接在纵梁侧面及底面，牵引钩螺母内外径保持不变，长度由45 mm改为60 mm，利用CO2保护焊焊接。其中，加强板均采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图6所示）。
方案三：纵梁内部新增一个“U”形加强板，与纵梁侧面通过电阻点焊连接。该加强板在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面增加横向筋条，提高连接刚度及强度。更改牵引钩螺母外径为直筒圆，并将长度由原来的45 mm改为85 mm，内径由φ14 mm改成φ18 mm。用CO2保护焊将牵引钩螺母固定在加强板上。加强板采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图7所示）。
3.2 方案的确定
在零件结构及工艺上，方案一及方案三的结构简单，与车架纵梁采用电阻点焊连接，工艺易于实现；方案二中的2个加强板需通过CO2保护焊连接形成闭合腔体，与车架纵梁也需要通过CO2保护焊进行焊接，工艺复杂。
通过运用CAE分析软件对以上3个方案在水平方向、垂直方向±5°及水平方向±25°5种工况下进行仿真分析，从永久变形量和最大应变量2个角度进行对比，分析结果见表1、表2。
从表1中发现，方案一在水平左偏25°的工况下，实际永久变形量达21 mm，水平右偏25°时达12 mm，塑性变形均大于10 mm，存在断裂风险；方案二在水平左偏25°及水平右偏25°工况下，实际永久变形量均在10 mm左右，刚好达到标准临界值，但安全裕度不足；方案三在5种工况中，最大实际变形量为6 mm，小于10 mm，认为材料安全，满足标准要求。从表2中，3个方案的实际应变量在5种工况中均小于0.2，认为材料安全，满足标准要求。
4 方案验证
结合结构、工艺分析及CAE仿真分析结果，最终采取方案三：在纵梁内侧增加一个“U”形支架，采用的材料为SAPH370，材料厚度为2.0 mm，同时在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面上增加加强筋强化零件结构。牵引钩螺母加大内外径且增加长度，增大与牵引钩的接触面积。该方案经实车验证后，牵引装置及其固定件未出现损坏、失效、断裂及产生影响正常使用的变形，满足标准要求。
5 结论
在牵引装置结构设计中，需有效利用力学原理，根据零件边界条件及材料强度等，合理地设计结构，将牵引装置所受载荷有效地分担到车身本体，有效地减少牵引装置的永久变形量，从而减少破坏变形。对设计者来说，充分借助CAE分析软件进行理论分析，是设计中的一个重要手段，有效地解决设计中的问题，找到结构与成本的最佳结合点，从而输出更高质量的车身结构设计。
参 考 文 献
[1]黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]张小虞.汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法和流程[M].北京：机械工业出版社，2011.
[4]GB 32087—2015，轻型汽车牵引装置[S].
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】牵引钩装置；连接结构；强度分析
【中图分类号】U469.51 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0084-04
0 前言
随着人们生活水平的提高，汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。近年来，我国汽车保有量迅猛增长，故障车、事故车等车辆阻碍交通的现象频发；汽车牵引装置作为车辆的安全结构件，在车辆救援及售后维修中起着关键的作用；牵引装置的规格、强度等差异很大，给车辆救援及售后维修带来困难。国家标准化管理委员会针对汽车牵引装置制定出适合中国汽车行业需求的强制性标准。
本文在国家标准的前提下，利用CAE辅助分析手段，对某微车牵引钩螺母连接结构进行优化设计，优化后得出满足国家标准强度要求的结构，为今后前牵引钩装置的结构设计提供参考。
1 背景
某微车前牵引钩装置的连接结构包括牵引钩螺母、前防撞梁焊合件、车架纵梁等，牵引钩螺母通过CO2保护焊与防撞梁内外板连接，前防撞梁焊合件与车架纵梁翻边通过电阻电焊形成Y方向上的连接，在车架纵梁内部，再通过一个“L”形的加强板将前防撞梁焊合件与车架纵梁连接，利用加强板的翻边与车架纵梁内壁焊接（如图1所示）。
1.1 CAE分析加载条件
按照国家标准要求，牵引装置应能承受的最小静载荷F：
F=m×g/2
其中，F为牵引装置承受的最小静载荷，N；m为最大允许总质量，kg；g为重力加速度，9.8 m/s2。
为了给予一定的安全裕度，CAE分析中加载力均是在法规要求的基础上乘以1.2。该车型在拖钩处的加载力如下：
F=12 830×1.2=15 400 N
CAE分析过程中，对该车型车身截断处6个自由度进行约束，对牵引装置分别沿水平方向（与车辆纵向中心线平行）、垂直方向±5°及水平方向±25°施加拉伸和压缩静载荷（如图2所示）。
1.2 评价标准
国家标准要求：安装在车辆上的每一个牵引装置在完成试验后，牵引装置及其固定件不应损坏、失效、断裂或产生影响正常使用的变形；安装在牵引装置附近的其他部件（如车辆的灯具、信号装置、制动系统、转向系统等）不应损坏或无法正常工作。
卸载后永久变形及塑性应变没有明确要求，在CAE分析中，一般要求永久变形量小于经验值（10 mm），最大塑性应变应小于0.2。
1.3 分析结果
在水平方向±25°的工况下，该车型实际永久变形量达16 mm，大于经验值（10 mm）（如图3所示）。最大应变在水平方向右偏25°的工况下，产生在防撞梁上，值为0.038，小于0.2（如图4所示）。
综上2个评价标准，该车型牵引装置在水平方向±25°工况下，永久变形较大，存在断裂风险，影响牵引装置及其固定件的正常使用，不能满足国家标准中对强度的要求。
2 原因分析
该车型的牵引装置中，车架纵梁采用的材料为B280VK，厚度为1.8 mm；防撞梁内、外板材料均為BLD，厚度为1.0 mm；“L”形加强板的材料为SAPH370酸洗，厚度为1.8 mm。牵引钩装置受到载荷力时，通过牵引钩螺母传递到防撞梁，再通过防撞梁传递到车架纵梁，车架纵梁将力传到车身。而防撞梁焊合件与车架纵梁翻边的连接刚度和强度不足，不能有效地将载荷力传递给纵梁，导致该区域应力集中，随着载荷力加大，防撞梁与纵梁连接区域发生塑性变形，导致牵引装置永久变形量不达标。如果设计出合理的连接结构，将所受载荷有效地分担到车架纵梁，降低防撞梁处的应力，则有望解决牵引装置永久变形大的问题。
3 解决方案的制订和确认
3.1 方案的制订
为解决以上问题，需要针对连接牵引钩螺母的加强板设计出新的结构，方案如下。
方案一：纵梁内部新增一个“几”字形支架代替原来的加强板，利用支架翻边与纵梁内壁通过电阻点焊连接，牵引钩螺母内外径保持不变，长度由45 mm改为95 mm。牵引钩螺母通过CO2保护焊固定在支架上，并与前防撞梁焊合件连接。其中，加强板采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图5所示）。
方案二：纵梁内部增加2个加强板，形成一个闭合的腔体结构，通过CO2保护焊及电阻点焊将加强板焊接在纵梁侧面及底面，牵引钩螺母内外径保持不变，长度由45 mm改为60 mm，利用CO2保护焊焊接。其中，加强板均采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图6所示）。
方案三：纵梁内部新增一个“U”形加强板，与纵梁侧面通过电阻点焊连接。该加强板在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面增加横向筋条，提高连接刚度及强度。更改牵引钩螺母外径为直筒圆，并将长度由原来的45 mm改为85 mm，内径由φ14 mm改成φ18 mm。用CO2保护焊将牵引钩螺母固定在加强板上。加强板采用SAPH370酸洗材料，厚度为2.0 mm（如图7所示）。
3.2 方案的确定
在零件结构及工艺上，方案一及方案三的结构简单，与车架纵梁采用电阻点焊连接，工艺易于实现；方案二中的2个加强板需通过CO2保护焊连接形成闭合腔体，与车架纵梁也需要通过CO2保护焊进行焊接，工艺复杂。
通过运用CAE分析软件对以上3个方案在水平方向、垂直方向±5°及水平方向±25°5种工况下进行仿真分析，从永久变形量和最大应变量2个角度进行对比，分析结果见表1、表2。
从表1中发现，方案一在水平左偏25°的工况下，实际永久变形量达21 mm，水平右偏25°时达12 mm，塑性变形均大于10 mm，存在断裂风险；方案二在水平左偏25°及水平右偏25°工况下，实际永久变形量均在10 mm左右，刚好达到标准临界值，但安全裕度不足；方案三在5种工况中，最大实际变形量为6 mm，小于10 mm，认为材料安全，满足标准要求。从表2中，3个方案的实际应变量在5种工况中均小于0.2，认为材料安全，满足标准要求。
4 方案验证
结合结构、工艺分析及CAE仿真分析结果，最终采取方案三：在纵梁内侧增加一个“U”形支架，采用的材料为SAPH370，材料厚度为2.0 mm，同时在牵引钩螺母至大梁侧壁的过渡面上增加加强筋强化零件结构。牵引钩螺母加大内外径且增加长度，增大与牵引钩的接触面积。该方案经实车验证后，牵引装置及其固定件未出现损坏、失效、断裂及产生影响正常使用的变形，满足标准要求。
5 结论
在牵引装置结构设计中，需有效利用力学原理，根据零件边界条件及材料强度等，合理地设计结构，将牵引装置所受载荷有效地分担到车身本体，有效地减少牵引装置的永久变形量，从而减少破坏变形。对设计者来说，充分借助CAE分析软件进行理论分析，是设计中的一个重要手段，有效地解决设计中的问题，找到结构与成本的最佳结合点，从而输出更高质量的车身结构设计。
参 考 文 献
[1]黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]张小虞.汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法和流程[M].北京：机械工业出版社，2011.
[4]GB 32087—2015，轻型汽车牵引装置[S].
[责任编辑：陈泽琦]