轻型汽车拖钩强度

文章来源：模态空间   作者：王朋波

1 引言

几年前互联网上有一段拖车的视频非常火爆，某品牌SUV陷入泥潭导致无法自行开出，于是一辆三菱帕杰罗进行救助，用拖车绳拖曳SUV的后拖钩，最后一次大力拖拽，直接导致SUV尾部被扯断，后保险杠、后防撞梁、后围板等零件都被拉脱，场面惨不忍睹。

                                                                                图1 拖车导致SUV车体尾部破坏

发生此事的原因之一是拖车方式不合理，拖车在拉SUV的时候，猛的冲起进行拉拽，巨大的冲击导致SUV后拖钩周边结构严重损坏。另外SUV拖钩和周边件的结构强度和布置方式也有问题。SUV后拖钩本体的强度尚可，但拖钩底座与车身纵梁的缝焊距离过短，导致连接强度不足。并且SUV后拖钩不是水平布置，而是向下倾斜一定角度，水平拖车时拖钩不仅承受拉伸载荷，还承受一定的弯距。拖车时底座与纵梁的连接部位出现高应力，致使拖钩底座从车身纵梁上脱离。而且SUV后拖钩底座不仅与车身纵梁焊接，还与后围板螺栓连接，当底座与纵梁断开后，拖曳力就全部由后围板承担，于是将后围板从车身上拉脱。

所以，要保证汽车拖钩有足够的强度，不仅拖钩本体结构要足够粗壮，拖钩的位置和方向还要合理布置，拖钩周边部件和周边连接关系也要足够强。

                                                                                   图2 SUV后拖钩周边结构

2 国标解读

国标《GB32087-2015 轻型汽车牵引装置》实施后，最大允许总质量不大于3.5吨的M类和N1类汽车的牵引装置，正式纳入了国家强制性检验的范围。

国标GB32087-2015 对轻型汽车牵引装置的技术要求包括一般要求和强度要求。一般要求中，以下几个方面值得注意。

1)  汽车应在其前部固定或安装至少一个牵引装置，如果后部安装了牵引装置，则后部牵引装置也应符合国标的技术要求。

2)  牵引装置的最外端不应凸出车辆外部轮廓在水平面的垂直投影，处于牵引状态时除外。

3)  牵引装置所提供的供牵引所用的拖绳、拖揽或拖杆穿过的空间区域的内部最小尺寸不应小于 25mm。

强度要求方面，牵引装置应能承受的最小静载荷（包括拉伸静载荷和压缩静载荷）为：

F=m×g/2

其中：F为牵引装置承受的最小静载荷，单位为 N；m为最大允许总质量，单位为 kg；g为重力加速度，数值为9.8 m/s²。

试验结束后，安装在车上的每一个牵引装置都要符合以下要求：

1)  牵引装置及其固定件不应失效、断裂或产生影响正常使用的变形；

2)  安装在牵引装置附近的其他部件（如车辆的灯具、信号系统制动系统、转向系统等）不应出现影响正常工作的损坏。

3 有限元建模方案

按国标规定进行拖钩强度试验时，通常会发生较大的变形，并伴随局部塑性。所以用有限元方法模拟拖钩强度试验，需考虑大变形和材料弹塑性。推荐采用Abaqus/standard非线性求解器，材料卡片中包含塑性段，并且在inp文件中设置NLGeom=Yes语句，实施几何非线性分析。

如果拖钩安装在白车身上，有限元模型应包括截取的部分白车身及拖钩本体，车身前部截取至前门铰链轴线向后400mm，车身后部截取至沿后轮罩前端向前400mm，如图3所示。如果拖钩安装在副车架上，则有限元模型应包括副车架和拖钩本体。

                                                                                  图3 车身有限元模型截取方案

车身焊点采用FASTENER形式模拟，使用CONN3D2单元，设置BEAM属性。拖钩与车身或副车架焊接区域或者拖钩螺纹管与车身焊接区域的焊缝应采用壳单元模拟，其他区域的焊缝可简化为刚性单元连接。

螺纹式拖钩与拖钩管之间用TIE方式建立连接。拖钩本体根据其结构形式选择使用壳单元或者实体单元模拟。拖钩本体以及拖钩周边网格应细化。

在拖钩加载过程中容易出现穿透和干涉的地方应建立接触对，可忽略摩擦的影响，只考虑法向接触。例如图4的四个部件，拖钩受载荷时可能发生接触传力，应建立局部接触关系。

                                                                                 图4 拖钩周边可能发生接触的部件

4 工程设置和评价标准

拖钩强度试验是一个缓慢加载的过程，有限元仿真使用静力分析即可。约束模型截断面各节点的123自由度，然后对拖钩施加集中力载荷。载荷作用点应与实际拖钩试验的加载点一致。用RBE2连接加载点跟周边拖钩内侧表面20mm范围内的节点。

                                                                                 图5 拖钩国标试验中规定的加载方向

                                                                                图6 拖钩国标试验所用的加载装置

国标中规定的加载方向如图5，通常使用的加载装置如图6，试验方案描述如下：

1) 对拖钩施加水平拉伸和水平压缩的静载荷，静载荷F方向与车辆纵向中心线平行。

2) 过拖钩工作区域中心点且平行于车辆纵向垂直面的水平线，对拖钩沿垂直方向正负5度、水平方向正负25度分别施加拉伸和压缩静载荷F，选择任意一个角度进行。

也就是说，在试验中，首先进行一次X向的拉伸和压缩，然后再进行一次斜向的拉伸和压缩，斜向拉压是在4个方向中随机选取一个方向进行。

所以在有限元仿真中，我们需要按4种工况组合分别导出求解文件进行计算，每个工况组合包含4次加卸载（8个分析步）。

1) 轴向拉伸->轴向压缩->垂向+5度拉伸->垂向+5度压缩 ；

2) 轴向拉伸->轴向压缩->垂向-5度拉伸->垂向-5度压缩 ；

3) 轴向拉伸->轴向压缩->水平+25度拉伸->水平+25度压缩；

4) 轴向拉伸->轴向压缩->水平-25度拉伸->水平-25度压缩。

计算完毕后，输出加载到最大时等效塑性应变云图和卸载后的残余位移云图，然后对分析结果进行评价。

按国标要求，试验后牵引装置及其固定件不应失效、断裂或产生影响正常使用的变形。所以我们定义的有限元分析评价标准如下：

1) 对于每种工况组合，拖钩与车身部件最大等效塑性应变Peeq<0.1A(A为材料延伸率)；

2) 对于每种工况组合，除去拖钩本体后的车身残余变形<5mm。

上述4个工况组合一共涉及10种工况，通常斜向25度压缩工况最为恶劣，此时拖钩不仅承受轴向压缩，还承受弯矩，而且随着拖钩的变形，载荷作用力臂逐渐增大，拖钩根部承受的弯矩也逐渐增大，极易导致等效塑性应变和车身残余变形超标。 

5 建议优化方案

 对于拖钩强度，常见的优化方案有以下几种：

1)  在允许的范围内，尽量缩短拖钩长度，对于降低拖钩本体和周边部件的应力和变形都非常有效。

2)  将钣金焊接拖钩改为螺纹管安装的圆钢拖钩（如图7），强度性能会有明显提升。

3)  车身薄板件残余变形超标，可考虑薄板件增加加强筋。

4)  优化拖钩的布置方向和安装位置，可以明显改善周边部件的受力状态。

5)  如果拖钩本体强度不足，应进行结构改进，尽量不要提升材料牌号，过强的钢材反而有脆断风险。

                                                                                图7 钣金焊接拖钩和圆钢螺接拖钩

根据国标要求，轻型汽车必须配置前拖钩，后拖钩则没有强制要求。如果我们在车身后部找不到一个足够稳固的位置来布置后拖钩，必要时可取消后拖钩配置。当然取消后拖钩会严重影响用户使用感受，不到万不得已不能用此对策。

拖钩强度分析和试验，最不容易达标的工况是25度斜向压缩工况，此时拖钩承受很大的弯矩，易导致结构失效。针对斜向压缩工况，我们可以将拖钩上用于穿拖车绳（杆）的孔向内开大，使压缩载荷作用点向内移动，如图8。这样就可以使压缩载荷的作用力臂相应减少，拖钩所受弯矩自然也就减小。

                                                                                图8 修改拖钩孔以减小斜向压缩的力臂