AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
半挂牵引车牵引座强度设计及整车稳定性分析
代辉
中国石油运输有限公司新疆配送分公司　新疆喀什地区　844000
摘 要： 文章以半挂牵引车牵引座强度设计及整车稳定性分析为研究对象，首先对半挂牵引车牵引座工作原理进行了简单的介绍，随后对半挂牵引车牵引座强度设计优化进行了系统的探讨与分析，最后讨论了影响半挂牵引车整车稳定性因素，以供参考。
关键词：半挂牵引车　牵引座　优化设计　稳定性　分析
1　引言
牵引座作是牵引车和挂车之间重要的连接部件，在车辆行驶过程中，牵引座会因此承受一些荷载带来的压力，并且这些荷载种类也比较多，比较常见的有垂直载荷、冲击载荷等，对于牵引座结构而言，如果本身没有足够的强度与刚度，容易产生变形，严重影响半挂牵引车安全。因此有必要从设计层面入手，做好半挂牵引车牵引座强度优化设计分析，并对整车稳定性进行分析探讨，更好的保护半挂牵引车行驶安全。
2　半挂牵引车牵引座工作原理
半挂牵引车牵引座在实际工作时，主要依据的原理如下：首先，想要半挂车与牵引车分离，需要打开牵引座的保险销，此时脱钩才会分开，然后拉动拉环，在拉环的带动下，牵引钩会绕销座方向进行转动，从而改变牵引钩的开口方向，原本牵引状态下，开口方向朝里，现在需要分离，因此开口方向会朝外，牵引销便得以直接从U形开口处脱钩，自此半挂车与牵引车将会分离。当需要进行半挂车与牵引车连接时，重复上述步骤，即改变U牵引钩的开口方向，能够成功对接引销，为了促进半挂车与牵引车两节，需要驱动牵引车向后倒车，促使牵引销与牵引钩对撞在一起，在这一过程中，能够顺利将已经对准的牵引销包住，牵引钩也会固定死亡，
成功将二者连接在一起。最后，再将外部保险
销归位，全面保证半挂牵引车行驶安全[1]。
3　半挂牵引车牵引座强度设计优化
在本次半挂牵引车牵引座强度设计优化
过程中，文章主要将牵引座鞍体优化设计作
为研究对象，具体优化设计内容如下：
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首先，需要优化设计数学问题模型。针
对一个常规优化问题，标准表达式如下：在
满足相应的约束条件)
,...
2,1
(0
)(m
u
x
g
u
=
≥、
)
,...,
2,1
(0
)(l
v
x
h
v
=
=情况下，求设计变量
N
T
n
R
D
x
x
x
x
X⊂
∈
=,)
,...,
,
(
2
1
的最优解∗x，在上
述条件之中，D代表的是可行域，R N代表的是
N维实空间，最终让目标函数)
(x
f取得最值。
在这一表述中，主要概述了以下三种设计要素：
分别是设计变量、约束条件以及目标函数。
对于设计变量而言，简单来说就是在设
计过程中，由于需要一些方法支持，而这些
方法的实施，离不开一些参数变量，这种参
数变量实际上就是设计变量。全体设计变量
可构成以下一个向量表达式：
N
n
R
D
x
x
x
x
X⊂
∈
=),
,...,
,
(
2
1
  　（1）
对于目标函数而言，我们可以将其视为
一个设计优化的具体表达式，通常计算该表
达式，我们能够根据结果来判断优化的最终
成效。目标函数能够表示诸多内容，比如可
以是体积最小、服役期限最小、应力值最大或
最小、成本最高或最低等。如果一个目标函数
中，只有一个指标能够优化，那么可称之为单
目标优化函数。反之，则称之为多目标优化函
数。目标函数具体可用以下数学模型表示：
)
,...,
,
(
)
(
2
1n
x
x
x
f
X
f=    （2）
对于约束条件而言，透过现象看本质，实
际上就是指一些优化的限制条。因此实际优化
设计需要一个明确的界限，而约束条件就是该
界限。且这些约束条件也有很多表达形式就，
基于不同的约束条件形式，我们还可以对这些
约束条件进行针对性的划分，以便在实际设计
时，我们能够进行针对性选择，在具体划分方
面，约束条件具体分为两种，一是性能约束条
件，二是几何约束条件。从数学表达的角度来
看，可以将约束条件分为以下两种：
一是不等式约束：
)
,...,
2,1
(0
)
,...,
,
(
2
1
m
u
x
x
x
g
n
u
=
≥      （3）
二是等式约束：
（4）
在实际进行结构设计优化时，针对上述
三种变量，一般需要进行综合考虑，最终可
以获得以下数学模型：
=
≤
≤
=
=
=
≥
⊂
∈
=
)
,...,
2,1
(
)
(
)
,...,
2,1
(0
)
,...,
,
(
)
,...,
2,1
(0
)
,...,
,
(
.
)
(
max
)
(
min
,)
,...,
,
(
2
1
2
1
2
1
q
l
F
F
X
f
F
p
v
n
x
x
h
m
u
n
x
x
g
t s
X
f
X
f
R
D
x
n
x
x
X
L
l
U
l
l
L
l
v
u
N
T
或
（5）
在（5）式中，L l F是目标函数的上限，U l F
The Strength Design of the Tractor Seat and the Stability Analysis of the Whole Truck
Dai Hui
Abstract： T his article takes the strength design of the tractor seat of a semi-trailer tractor and the analysis of the stability of the whole vehicle as the research object. First, the working principle of the tractor seat of the semi-trailer tractor is briefly introduced, and then the optimization of the strength design of the tractor seat of the semi-trailer tractor is systematically discussed and analyzed, and finally the factors affecting the stability of the semi-trailer tractor are discussed for reference.
Key words： s emi-trailer tractor, traction seat, optimized design, stability, analysis
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是目标函数的下限。
在实际进行半挂牵引车牵引座鞍体结构优化分析时，目标函数为整个鞍体结构质量
m 的最小值，而在设计变量选择时，则是将鞍体结构厚度作为主要对象，我们可以用b 来表示，约束条件则是指，鞍体结构第一阶模态频率在实际变化时，不会超过一定范围。那么更加上述模型，我们可以得出以下实际模型：
≤≤≤≤=U
L U L f f f t s X m b X 111111.)(min σσσ                  （6）在软件的帮助下，通过进行优化设计分析计算，在这一过程中，还需要采用针对的方法来提高计算效率。比如我们可以采用局部逼近方法，能够从中获得一个近似模型，促使计算效率得到有效提升。为了方便说明分析，我们可以将牵引车牵引座鞍体结构部分进行如下图一所示的标记。在本次分析过程中，安装上述设置的条件，将设计变量定义为离散值，递增步距设置为0.1mm；最小鞍体结构为目标函数。约束条件则为：板 1、3、5、6、8的vonMises在300MPa以内，板2、4、7vonMises应力280MPa以内，结构一阶模态在160Hz以上。以此为依据，通
过进行迭代分析获得最终设计优化结果。从最终结果来看，半挂牵引车牵引座鞍体结构在优化，第一阶模态由原本的148.2Hz上升至到170.3Hz，上升了22.1Hz；而对于鞍体结构而言，原本的质量是85.21Kg，经过本次优化，质量降低了7.37kg，由此能够说明，运用上述方法能够达到优化结构质量的目的[2]。
为了对上述做出的优化合理性进行进一步的验证，需要修改原本的限元模型，在约束条件相同的情况下，将载荷谱加载到鞍体表面，通过进行动载荷强度计算分析，在这一过程中，对于加载方式和约束条件而言，我们可以将其视为不变廊，但需要确定载荷谱作用时间，在本次验证过程中，将时间控制在24s，积分时间步长为0.24s，总时间步数为100步。帮选择5s、10s、15s三个时间节点，作为步时输出结果参考，从最终结果我们能够了解到，鞍体结构应力分布基本一致，它们分别为237.8MPa、286.3MPa、213.5MPa。为了对上述三个时间步中危险区
域应力变化趋势进行分析，需要借助上述计算结果，并在 Patran 软件的帮助下完成计算。在经过软件计算后我们能够了解到，牵引车牵引座鞍体结构危险区域的应力变化范围在150至250MPa之间，相较于原本的200至300Mpa，危险范围也得到了明显的缩小，同时结构应力值也得到了有效的缩小。从中我们能够了解到，在本次半挂牵引车牵引座鞍体结构优化设计过程中，既达到了整体质量轻量化的目的，结构的应力值又得到了有效的缩减，说明本次优化设计显著提升了结构性能，结构的使用寿命也会因此大大延长。
图1　鞍体结构简化标记说明图
板5
板4
板7
板8
板1
板6板3板2约束
4　半挂牵引车整车稳定性分析
半挂牵引车稳定性是指当行驶状态中的车辆受到外界干扰时，本身的一种抗干扰能力，这种能力的具体表现，便是行驶稳定性。在半挂牵引车整车稳定性分析过程中，文章采用了根轨迹分析方法，这种分析方法最大的优势就在于不需要进行复杂的微分方程组的求解，并且实际分析过程也比较简单，能够有效提升分析效率。在具体分析过程中，需要借助特征方程特征根，来明确其在复数平面上的位置。一般情
况下，实际位置不同，做出的响应也不同，因此能够基于不同响应，了解最终的结果。对于特征根而言，具体响应结果由系统结构参数决定。从李雅普诺夫稳定性判断定律我们能够了解到，当在复平面虚轴左侧，出现了特征根，说明系统处于稳定状态；如果在虚轴之上，说明系统处于临界状态；如果在虚轴，说明系统处于失稳状态。为了更好的分析，我们可以在 Matlab软件的帮助下，做好程序编写，完成小系统根轨迹的绘制，便于我们了
解其具体的位置。
首先，关于车速变化操纵稳定的影响。半挂牵引车行驶速度是变化频率最为明显的一个参数。从我国当下行业标准来看，如果半挂牵引车在行驶时。速度变化范围是10至35m/s，在该运行条件下，通过计算根轨迹，根据轨迹变化规律我们能够了解到，随着牵引车速度越大，实部绝对值则随之减小，在这一情况下，根轨迹将会逐渐靠近虚轴，牵引车稳定性也会随之下降。
另一方面，关于牵引车质量变化对操纵稳定性的影响。在实际运输过程中，可以将半挂车与牵引车视为一个整体。在实际分析
时，我们可以假设，半挂牵引车处于安全行驶的状态下，不存在货物超载的情况，此时半挂车质量变化范围为13至20t，牵引车质量变化范围为8至13t，以此条件进行轨迹图计算分析，从中我们能够了解到，牵引车质量与实部绝对值呈正比，因此此时根轨迹与虚轴将会“渐行渐远”，半挂牵引车将会越来越稳定。
而随着半挂车质量增大，实部绝对值则逐渐减少，相应轨迹图逐渐靠近虚轴，说明半挂牵引车的稳定性在逐渐减弱，同时半挂车质量变化带来的影响远远大于牵引车
质量变化带来的影响，因此在实际行车时，为保证半挂牵引车稳定性，注意半挂车不要出现超载问题[3]。
5　结语
综上所述，半挂牵引车牵引座强度是一项决定整体车辆安全的一项重要指标，因此有必要针对这一指标，在现有的基础上，加强分析，再做进一步优化，同时为保证半挂牵引车整体行驶安全性，还需要对半挂牵引车稳定性要素进行分析探讨，从而更好地维护半挂牵引车行驶安全。
参考文献：
[1]蔡玉强，鞠康，李哲丞.半挂牵引车牵引座尺寸优化设计[J].机械设计与制造， 2016，023（010）：240-243，247.[2]鞠康，蔡玉强.QD 9020牵引座多目标优化设计及疲劳分析[J].机械工程与自动化， 2017，012（001）：97-98，101.
[3]许凯.基于ADAMS/CAR 半挂牵引车操纵稳定性的仿真与优化[D].2016.