由汽车车轮驱动的履带牵引装置*

□ 王凤鸣 □ 顾风雯 □ 张 帅 □ 王 哲 □ 王 杰 □ 肖玉玲

哈尔滨商业大学 轻工学院 哈尔滨 150028

1 研究背景

由于我国幅员辽阔,地理条件、气象条件复杂多变,因大雾、冰雪和暴雨等灾害性天气引起的道路交通事故时有发生,产生的后果严重。在复杂恶劣路况条件下,例如雪地、沙地、碎石路、泥地、冰面上,汽车虽有一定的通过性,但车辆的运动较难控制。

对于汽车车轮履带牵引装置的研究,国内外一直采用拆解式方案。目前市场上销售的都是多为拆解式的履带牵引装置,这类设备往往有粗重的承重梁,笨重且拆装困难,每次使用都需要将汽车车轮的轮毂卸下,难以实现即拆即用,往往需要专业人员事先进行安装,方可启动。当用户发现路况发生变化时,无法使车辆实现公路与雪地路况之间的灵活切换。

拆解式履带牵引装置装拆时需要很多专用设备,费时且费力。因此需要一个既能将轮式车轮变成履带式牵引动力又方便拆装的装备,省去将车轮与履带式牵引组件进行拆卸作业的过程。

为了解决现有技术中存在的问题,笔者提出了一种汽车车轮驱动的履带牵引装置。通过在履带座上设置轮胎固定架用于承载轮胎,并设置了带动件,当汽车轮胎驱动后通过带动件可驱动履带一起同向转动,完成在雪地或泥沙等路况的行驶,该装置结构简单,且无需拆装轮毂即可实现即拆即用的功能。

2 市场需求

在我国北方地区,例如哈尔滨、齐齐哈尔等城市,长期处在寒冷天气下。主城区道路在清雪部门的清扫下,对道路交通的影响较小,但是偏远地区则受雪地的影响较大,所以对于较偏远地区人们的生产生活有重大的影响。近年来,随着我国经济水平的提高,人民追求更高的生活质量,对出行要求也越来越高,出现了多种适合在雪地进行车辆通过性试验及创新产品的设计创造。

3 结构设计

笔者设计的一种由汽车车轮驱动的履带牵引装置包括履带行走机构、承载机构带动件、挡雪板及前导板等。履带行走机构的两侧设置有用于承载汽车轮胎的承载机构,履带行走机构上设置有与汽车车轮接触的带动件,带动件被汽车车轮带动转动后,驱动履带行走机构的行驶。

使用前,汽车通过外置的攀爬梯,将汽车轮胎搭设在承载机构上,汽车车轮被驱动后转动,从而驱动带动件带动履带转动,转动的履带驱动整个装置行驶。其中,履带行走机构为现有技术,包括两个导向轮、多个托带轮、多个承重轮、一条履带及履带座,导向轮、多个托带轮、多个承重轮及履带都位于履带座内。两个导向轮将履带撑起,承重轮与托带轮同轴设置于两个导向轮之间,且与履带的内侧壁接触。履带牵引装置结构如图1所示。

▲图1 履带牵引装置结构

承载机构中包括固定在履带座顶部侧壁上的轮胎固定架,轮胎固定架上连接有多个支撑且与汽车车轮接触的轮胎导轮,轮胎固定架用于定位汽车车轮,且通过履带座对汽车车轮进行限位,即汽车车轮下陷于履带座和轮胎固定架内,其中设置的轮胎导轮可避免汽车车轮转动时对履带座及轮胎固定架造成摩擦损坏。履带座的顶部固定连接有两个挡雪板,且两个挡雪板位于轮胎固定架的前后两侧,用于阻挡积雪进入履带座内。带动件连接履带座内的带动轮及带动轮的外侧壁上辊轴小侧板,辊轴小侧板与汽车车轮外侧壁接触,且与履带的外侧壁啮合,即汽车车轮与带动轮外侧壁上的辊轴小侧板接触,若汽车车轮转动,就会驱动辊轴小侧板转动,同时由于辊轴小侧板与履带啮合,进而转动的辊轴小侧板驱动履带转动。两个带动件分别位于汽车车轮的两侧,使汽车车轮的转动方向与履带的转动方向一致。履带座的一端固定连接有倾斜向上的前导板,通过前导板亦可起到挡雪的效果。

履带牵引装置渲染效果如图2所示,内部结构如图3所示。

▲图2 履带牵引装置渲染效果

▲图3 履带牵引装置内部结构

4 软件介绍

4.1 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)技术是指利用计算机辅助求解现实中遇到的工程问题,即计算机辅助工程技术。该技术起源于20世纪60年代,经过30多年的发展和完善,己经成为涉及土木、机械、流体、航天等广泛领域的成熟工程分析手段,在强度校核、应力应变分析、振动分析、模态分析、电磁分析、结构设计与优化等方面得到广泛应用和认可,彻底改变了以往的工程设计理念,使计算机技术与工程问题完美地结合在一起。常用的CAE软件包括SolidWorks、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用CAE软件及Dynaform、Moldflow、Autoform等专用CAE软件。

4.2 ABAQUS

在零部件校核中,笔者采用了ABAQUS有限元仿真软件。ABAQUS是功能强大的工程模拟有限元软件,解决问题的范围涵盖相对简单的线性分析乃至复杂的非线性问题,拥有能够模拟任意几何形状的单元库,以及各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,也可以模拟其它工程领域的许多专业问题。ABAQUS因其具有丰富的单元库与材料库以及在非线性求解中有着非常显著的优势等优点,被广泛应用至各个工程应用技术领域中。

5 导向轮轴校核

车辆在正常使用的情况下,轴系应力远小于其屈服极限,但是在实际运行过程中,可能出现诸多极端情况,如在崎岖的路面上、由于意外因素使劲加油门等,履带牵引装置的工况比较恶劣,此时的安全性能不可忽视。由于在履带牵引装置众多轴系中,前置的导向轮所在轴承受履带的拉力最大,因此笔者以导向轮轴为例,运用ABAQUS有限元分析软件,对导向轮轴的应力分布和变形进行分析,并根据所得结果,对设计参数进行优化。

5.1 模型导入

导向轮轴的三维模型如图4所示。

▲图4 导向轮轴三维模型

在SolidWorks软件中创建三维模型,将三维模型导入ABAQUS软件并进行参数化设计,参数化设计是一种保持图形拓扑约束关系不变的建模方法。

为了方便在之后的参数化设计中进行施加载荷、约束等操作,将轴承与导向轮轴接触的四处接触面切出深0.1 mm的槽,形成四个参考面。

5.2 材料属性设置

导向轮轴的材料选用45号钢,材料的弹性模量为1.90×105MPa,泊松比为0.3,密度为7.8×106kg/mm3。在属性模块中创建一个弹性材料模型,新建一个类型为实体、均质的截面,并将该截面应用至所有实体中,装配模块选择独立方式。在分析步模块中创建分析步,程序类型设置为静态分析。

5.3 边界条件与约束

对导向轮轴两端的螺纹孔面进行固定约束,施加载荷类型为集中载荷,分别施加至轴承与导向轮轴的接触面。集中载荷根据计算得到。履带的内力即汽车车轮最大驱动力Fq为502 kN,上下履带夹角为30°,则履带对每个导向轮轴的压力Fy为242 kN。

在导向轮轴的四个参考面所在位置依次建立四个参考点,并将这四个参考点与轴承接触面进行耦合约束。载荷施加如图5所示,约束条件施加如图6所示。

▲图5 载荷施加

5.4 划分网格

导向轮轴模型采用四面体结构网络划分,如图7所示。

▲图6 约束条件施加▲图7 网格划分

5.5 计算结果

经有限元分析,导向轮轴应力分析结果如图8所示,纵截面应力分析结果如图9所示,位移分析结果如图10所示。

▲图8 导向轮轴应力分析结果▲图9 纵截面应力分析结果

由图8、图9可以看出,在导向轮轴径突变处应力值较大,与理论计算相符合,在螺纹副约束面应力值大,符合圣维南原理。从图10可以看出,在导向轮轴中间处位移最大,因为轴径大。

导向轮轴变形前后对比如图11所示。

▲图10 位移分析图▲图11 导向轮轴变形前后对比

在极限条件下,导向轮轴本身的等效应力最大值仅为3.242×103Pa,远小于45号钢的屈服极限,因此导向轮轴本身结构强度安全。但是根据应力分布图发现,螺纹孔末端应力集中最明显,因此在汽车发动机功率较大时,导向轮轴虽不至于失效,但是螺纹孔牙形容易发生变形,需要进一步对螺栓与螺纹孔接触部分进行研究。

6 结束语

笔者根据市场需求,设计了一种由汽车车轮驱动的履带牵引装置。该装置结构简单,且无需拆装轮毂即可实现即拆即用的功能,且该履带式牵引装置适用性强,体积小,质量轻,经济实惠,能广泛应用于复杂的地面环境条件。笔者对该装置主要部件进行了有限元分析以优化设计结构,并验证了其合理性。