一款牵引车踏梯结构优化

梁博文，刘静，潘星，刘欢，付育超，高一博

（1.陕西万方汽车零部件有限公司，陕西 西安 710200；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

近年来，伴随着社会经济飞速发展以及“中国梦”宏伟蓝图的大力推动，百业待兴，国内重型卡车市场更是迎来了第二春，同时伴随着互联网时代的全面覆盖，物流运输行业以及能源运输行业都展现出爆炸式增长，这对于国内所有的重型卡车制造企业而言既是机遇亦是挑战。目前国内重型卡车制造企业多不胜数，产品更是琳琅满目，面对市场发展趋势，以客户为中心，不断创新，实现新产品开发及结构该件，打造出最具竞争力的产品。

通过对国内重型卡车售后市场调查，一款牵引车上车踏梯的使用过程中，尤其是在港口运输车辆的使用工况下，一辆车供多名驾驶员使用，且每一位驾驶员身高、体重均不相同，现有的单层上车踏梯并未充分考虑到不同身高驾驶员的使用舒适性和日常维护便利性。经客户反馈，强烈建议在该零部件版块增加更为人性化的结构设计，符合产品自身定位的同时，更要符合客户适用性。

因此，基于现有产品成本、结构及质量，对此款车上车踏梯进行结构优化，以提升结构改进和适用性。

1 研究对象

图1为国内某重型汽车操作平台上车踏梯现有结构，主要构成部件：①和②均为Q345B材质的冲压件安装板；件③为冷拔管20钢，规格为Φ25；件④为脚踏防滑板，其结构如图2所示，有效使用面积为160 mm²，宽度为86 mm，结构防滑作用主要依赖于材料冲孔翻边，共有12个翻边凸台，每个翻边凸台高度约为 4 mm。该上车踏梯整体结构简单，安装固定后离地间隔约550 mm。

图1 现有踏梯结构

图2 防滑板结构

2 结构改进方案设计

根据客户反馈，目前在国内外同类车型上使用较为舒适的踏梯结构，离地间隙基本控制500 mm范围以内，如果是两级踏梯结构，最舒适的级差范围为200-350 mm之间。

因此，根据前期研究和相关验证支持工作，本次改进方案设计包含以下两个方向：（1）降低踏梯离地间隙；（2）采用两级踏板设计理念。

图3 优化后踏梯结构

图3为结构优化后的方案图示。件①为Q345B材质的加强板，件②和件④均为Q345B的矩形管，件③为牌号为5052的铝板。与原有机构相比，优化后的上车踏梯在脚踏部分分为两个台阶，其中最下端的脚踏平面离地间隔约 450 mm，两级踏梯之间的落差为240 mm。图4为件③防滑板的结构示意图，与原方案防护板相比，有效长度增加至 230 mm，宽度缩减为 50 mm，在原有依靠冲孔翻边的防滑原理上新增加了侧面防滑结构。防滑原理同样是材料翻边，冲裁成型后均匀分布的墙垛结构，有效避免了雨雪天气脚底易打滑现象，增强上车安全性。

图4 防滑板结构

3 结果及分析

3.1 上车状态模拟分析

对优化前后两种方案的上车状态分别进行模拟，图5为原结构的登车状态，图6为结构优化后的登车状态。原始结构上车工况下，腿部提升角度较为明显，大腿部分基本与地面呈平行状态，消耗体力也较大；新结构的上车状态相较于原始结构，有了明显的动作变化，腿部提升角度较小，上车过程更为轻松，体力消耗明显更小。

图5 现有产品登车状态

图6 优化后结构登车状态

3.2 结构轻量化分析

目前重型汽车对于车辆自重的控制较为严格，在结构优化的过程中必须秉承不超重、不增加成本的原则，因此在材质的选择上尤为重要。

在乘用车和商用车领域，铝合金是应用最多的轻量化材料。铝的密度仅有钢材的 1/3，同种结构下的产品，理论降重比例可达到33 %。目前关于铝合金的研究主要集中与合金添加材料和成型工艺两个方向。武小娟[1]等人研究了微量Ag在T4状态下对6022合金的性能影响。通过模拟实验发现，在6022材质中适量添加一定比例的Ag，可以有效提升6022材质的强度。田妮[2]等人对添加了不同合金的薄板进行了固溶处理，研究表明在加热到500～550 ℃的温度范围内，此时铝合金的材料延伸率和屈服强度会随着温度的升高而增强，在540 ℃的环境温度下，如果保温30 min可以大幅提升合金的成形性。

汽车行业使用的铝合金主要是形变铝合金，形变铝合金是经熔炼铸成铝锭后，再经过热挤压形成的各种型材和板材[3]。形变铝合金根据其合金元素成分不同又具体划分为1000～7000几个系列。在铝板的系列中，5000系列的铝板最为常用，镁元素含量为3～5 %之间，又称为铝镁合金，其中5052是目前最常用的合金铝板之一，主要用于制造车辆油箱、大型钣金件和五金制品等。

本次所研究的上车踏梯结构优化方案采用以下两个方面减重：（1）用矩形管替代原有的圆管结构。经分析验证，采用壁厚较薄规格矩形管可达到同样的结构强度，最终实现管材降重 10%；（2）在防滑板材质上选择 5052铝板，主要原因是5052铝板比重轻、抗拉强度好、较高的材料延伸率以及较好的防腐防锈能力，整体重量比原有结构的不锈钢防滑板减少了60 %，踏梯总成的降重效果较为显著。

3.3 结构强度分析

为了验证优化后踏梯的结构强度，分别对两种结构的上车踏梯建立有限元模型进行CAE分析[4]。将建立的三维模型导入Hypermesh进行几何清理、网格划分、单元检查、赋材料参数，然后提交求解器运算求解，再运用后处理工具Hyperview查看结果，并对优化前和优化后两种结构踏梯在上车工况下的分析结果进行对比。

牵引车踏梯结构主要功能部件为薄板冲压件，薄板的变形与所受载荷的方向和大小有关。当薄板平行受力时，属于平面应力分析的范畴；如果载荷是垂直于薄板，则会造成弯曲变形。

视平分薄板厚度的平面为x-y平面，垂直于平面的轴为z轴，在平面应力分析的范畴内只存在三个应力分量，且均平行于 x-y 平面：σxy、σyz和τxy=τyz。

这三个应力分量仅代表x和y之间的函数关系，其余分量为0。平面应力的物理方程为：

上车踏步的使用工况属于薄板弯曲的小挠度问题，应力和零件变形的物理方程为：

牵引车上车踏梯防滑板属于薄板，在使用中既会产生平面应力，也存在弯曲变形，因此在模拟分析中，需要综合考虑到两个方面作用。因此在建立有限元模型时，采用板壳单元来建模，可以充分展示出两种特性下的力学特征[5]。图7和图8分别为现有踏梯和优化后方案的网格模型。

图7 现有踏梯网格模型

图8 优化后踏梯网格模型

图9为现有状态踏梯上车工况下的分析结果。上车工况下支撑圆管的受力状态，整体结构强度较好，各组成部分均满足强度要求，未表现出较为明显地风险隐患。

图9 现有踏梯上车工况分析

图10和图11分别为优化后踏梯结构上下踏板上车工况状态的分析结果。通过与优化前踏梯工况分析结果对比发现：一级和二级踏梯各自的安全因子系数相较于优化前状态均有明显提升。

图10 优化后踏梯上踏板工况分析

图11 优化后踏梯下踏板工况分析

表1为CAE分析计算结果汇总表。经对比发现，结构优化后产品整体强度提升较为明显， 也更具有优势。

表1 CAE分析计算结果汇总表

4 结论

在不改变现有连接方式的前提下，通过对踏梯结构进行优化，实现60%降重；优化后踏梯舒适性和安全性均得到了有效提升；利用有限元分析软件，验证了优化后的踏梯安全因子均大于现有结构，为新方案的推广应用提供了可靠的依据。