某轿车牵引装置的有限元分析与结构优化

袁夏丽，刘俊红，刘丹，左乐

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心性能集成开发部，安徽 合肥 230009）

引言

汽车牵引装置是一种汽车安全保护装置，主要包括拖钩、拖钩套管及其固定装置等部件，当汽车陷入险境或者失去动力时，借助牵引装置可以帮助汽车脱离困境[1]。作为安全部件，如果强度设计不足，会导致车体部件的破坏，影响车辆的使用寿命，甚至会延误事故救援工作，危及乘员的生命安全。因此，在汽车牵引装置设计之初，就必须充分考虑其强度可靠性问题，保证客户在使用时牵引装置及其周边件不会产生破坏及影响下次使用的变形。

本文根据国家标准委2015年10月9日发布了《GB32087-2015 轻型汽车牵引装置》法规要求，对在研的某车型进行某轿车前端牵引装置进行了有限元强度分析，分析结果显示拖钩变形较大，在此基础上对牵引装置进行了结构优化，确保结构满足国标要求，最后该车型通过了法规试验，验证了有限元分析方法准确性。

1 牵引装置法规强度要求[2]

《GB32087-2015 轻型汽车牵引装置》法规适用于最大总质量不超过3500Kg的M类汽车和N1类汽车，要求车辆在其前部至少有固定或可安装一个牵引装置。试验过程：刚性固定车辆，对牵引装置分别施加图1所示的加载方向的拉伸和压缩静载荷 F，牵引装置及其固定件不应该失效、断裂或产生影响正常使用的变形，安装在牵引装置附件的其他部件（如灯具，前保险杆蒙皮，制动系统等）不能出现损坏，其中最小静载荷F的计算公式为：

式中：F牵引装置承受的最小静载荷，单位为牛（N）；

M最大允许总质量，单位为千克（Kg）；

g重力加速度，9.8m/s2。

图1 加载角度示意图

2 牵引装置有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文研究对象是安装在前防撞梁右侧吸能盒前端，拖钩套管焊接在防撞梁上，前防撞梁和吸能盒总成通过螺栓连接固定在车身纵梁上。考虑模型计算量，截断部分白车身建模。首先对几何模型进行简化处理，然后利用hypermesh软件对简化后的几何模型抽取中面，进行几何清理及网格划分，车体部分采用 8mm的网格进行离散，拖钩、套管、吸能盒及防撞梁局部细化到3mm网格，点焊采用acm单元模拟，螺栓连接及二保焊采用rigid刚性单位模拟。最后有限元分析模型如图2所示。

图2 有限元分析模型

2.2 强度分析

强度分析边界条件：全约束车身截断面自由度，在拖钩顶端处分别施加如图1所示方向的拉伸和压缩静载荷，拖钩和套管采用绑定约束，拖钩侧的防撞梁、吸能盒及套管定义通用接触[3]。使用ABAQUS对模型进行求解计算，分析结果统计如表 1所示，限于篇幅本文仅列出了+25°压缩工况最大变形和残余变形云图，如3所示。

表1 牵引装置强度分析结果

图3 左25°压缩工况结果

2.3 结构优化

从表3和图3可以看出，拖钩本体变形量比较大，将破坏前保蒙皮，并且防撞梁上套管安装孔出现明显变形，不满足法规要求。考虑到前防撞梁和吸能盒结构对碰撞性能影响较大，本文仅对拖钩本体进行优化，将拖钩缩短 20mm，同时将拖钩材料从45号钢提升至40Cr，对优化后的模型进行强度校核，优化结果如表2所示。对比优化前后的结果，优化后的结构强度性能提升明显。

表2 优化结果

3 牵引装置试验

样车在天津中汽研检测中心顺利通过了牵引装置强度法规试验[4]。试验中采用手刹加一个轮胎限位的固定方式，整车满载重量1550Kg，试验加载7595N，如图4所示试验选取了水平、+25°两个方向的拉伸和压缩工况，将试验所测的最大变形量和残余变形量与仿真结果进行对比如图5所示。

图4 牵引装置试验

图5 试验与仿真结果对比

从图5可以看出，最大变形量的试验值与仿真值偏差较大，主要是因为试验时采用轮胎限位，加载时轮胎产生了一定的形变，但从数据中可以看出结果的趋势具有很好的一致性，仿真结果是可以接受的，能真实的反映牵引装置的强度性能。

4 结论

（1）本文依据国家法规要求对轿车的牵引装置进行强度优化分析，试验结果表明优化后的结构满足法规要求，试验结果和仿真结果具有良好的一致性，证明CAE仿真分析能有效的指导牵引装置结构设计。

（2）通过提升拖钩本体的材质和缩短拖钩长度能有效的提升牵引装置的强度性能，为后续牵引装置设计提供了思路。