无杆飞机牵引车车架设计与强度计算

设计·计算

Design and Calculation

表1整车尺寸参数

整车尺寸

（长×宽×高）/（mm ×mm ×mm ）8000×3790×1975

整备质量/kg 12900轴距/mm

4500夹持举升装置最大承载能力/kg

25000

无杆飞机牵引车车架设计与强度计算

王强，郄松涛，胡艳如，马永权天津工程机械研究院有限公司

摘要｜车架是无杆飞机牵引车的关键受力部件，结构形式特殊，需要具备足够的强度。概述某型无杆飞机牵引车车架设

计的过程，

对车架纵梁结构、横梁结构与布置、纵梁与横梁连接形式进行设计分析，对车架的应力进行计算，找出了车架受力和弯矩最大位置，对车架强度进行校核。关键词：无杆飞机牵引车；车架；结构设计；强度；应力计算

作者简介：王强（1985—），男，河北唐山人，工程师，硕士，研究方向：机械设计及有限元分析。

无杆飞机牵引车是牵引飞机的机场设备。国外飞机牵引车产品兼具智能化和功能多样化特点[1-2]，我国在相关领域研发起步较晚，研究成果较少。车架是无杆飞机牵引车整车关键结构件，对整车安全性和稳定性具有重要作用。孙书蕾等人[3]

对无杆飞机牵引车车架进行了静力学分

析，但未给出详细设计过程。本文以某型无杆飞机牵引车车架为研究对象，对车架结构设计进行分析，对强度进行校核。

1

车架结构尺寸

1.1

整车尺寸参数

某型无杆飞机牵引车整车的尺寸参数如表1所示，

外观如图1所示。

1.2车架外廓尺寸

某型无杆飞机牵引车长度为8000mm ，宽度为3790

mm ，其车架结构尺寸如图2所示，车架最前端为前保险杠牵引钩，牵引钩最前端到前横梁最前端距离为195mm ，后保险杠到车架尾部距离为90mm 。车架总长确定为7715mm 。车架前悬为2450mm ，轴距为4500mm ，车

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50548表2各部件质量及质心横坐标载荷名称质量/kg 质心横坐标/mm

飞机前轮25000+5450驾驶室（含驾驶员）780+800燃油箱（含柴油）405+1250发动机（含变速器）780+2000液压油箱（含液压油）

455+2700车架自身质量

8600

—

图2车架外廓尺寸

架后悬为765mm 。根据驾驶室、发动机罩及燃油箱三者宽度，确定车架前端宽度为3650mm 。为避免前轮在最大转向角度时与车架相碰，同时为满足液压油箱安装空间要求，两前轮间宽度设定为1300mm 。为保证横向稳定性和夹持举升装置布置空间，U 形开口宽度设定为3650mm 。1.3

车架结构设计

车架钢板材料选用Q345，弹性模量2.1e+5MPa ，泊

松比0.3，屈服强度345MPa ，抗拉强度470MPa 。车架前

图1某型无杆飞机牵引车外观

端用工字形纵梁和槽钢焊接成框架结构，后部U 形开口用钢板焊接成箱形结构。采用胶焊工艺，胶焊工艺接头焊点和胶层共同承担载荷，强度高于点焊接头，且疲劳强度提高，冲击韧性和振动阻尼增大[4-5]。前端纵梁截面尺寸为300mm ×130mm ×12mm 。车架前后端刚度较大，大部分变形集中在中部，

故将前轮之间纵梁截面尺寸加大为360mm ×140mm ×14mm ，以增加车架总体抗弯能力。横梁截面尺寸为280mm ×90mm ×8mm ，前端布置两根横梁固定驾驶室。U 形开口安装夹持举升装置，截面尺寸为450mm ×100mm ×12mm 。

2载荷的处理

根据静力等效原则，车架承受的载荷主要为飞机前

轮、发动机、变速器、燃油箱及驾驶室等的质量。这些质量都按集中载荷处理，按其质心位置作用在车架上，具体质量及质心坐标列于表2。车架自身质量按均布载荷处理，平均分配在车架纵梁。

3车架的弯曲静力分析

将纵梁简化为支撑在前后轮的简支梁，建立车架受

力分析图如图3

所示。设横坐标X 向右（车架尾部）为正。图3中，q 为车架均布载荷；P 1、P 2、P 3、P 4、P 5分别为驾驶室、燃油箱、发动机（含变速器）、液压油箱及飞机前轮的载

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荷；D、E、F、G、H、J分别为上述5个集中载荷相对于车架前支撑的距离；F RA和F RB为前后支撑反力。A为车架前悬尺寸；B为轴距；C为车架后悬距离。

图3中均布载荷q=11.15kN/m，由静力平衡方程和弯矩方程：

P1+P2+P3+P4+q·L+P5=F RA+F RB（1）P1×D+P2×E+P3×F-P4×G-q·L×H-

P5×J+F RB×B=0（2）根据相关参数，求得支反力F RA=171.29kN，F RB= 188.91kN。在ab段、bc段、cd段、de段、ef段、fg段、gh段和hj段分别列写剪力方程和弯矩方程。

ab段的剪力和弯矩：

F ab=-qx，M ab=1

2qx2；（0≤x≤0.8）（3）

bc段的剪力和弯矩：

F bc=-P1-qx，M bc=-P1（x-0.8）-1

2

qx2；（0.8≤x≤1.25）

（4）

其余各段的剪力和弯矩计算以此类推，本文不再赘述。

求得前后支撑处的弯矩M e=-54.71MPa，M h=-3.26

MPa。5个集中力作用截面上的弯矩分别为M b=-3.57

MPa，M c=-12.22MPa，M d=-34.70MPa，M f=-23.92MPa，

M g=255.57MPa。根据以上计算结果可画出车架的剪力图

（见图4）和弯矩图（见图5）。从图4、图5可以看出，在

x=5450的截面上，弯矩为最大值。对应实际结构，此处是

夹持举升装置液压缸和车架连接部位，在设计时应加以

改进和优化。

图3车架计算简图

图4车架剪力图

4车架弯曲强度的校核

车架纵梁沿长度方向为变截面结构，需校核危险截面应力值。初步设计车架纵梁疲劳安全系数为1.4，则许用应力[σ]=246.43MPa。取动载荷系数为2.5，动载荷下最大弯矩M d max为：

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50548表3应力计算结果

M d max =nk d M max

（5）式中：n 为疲劳安全系数；M max 为危险截面弯矩值；k d 为动

载荷系数。

求得最大弯矩后，弯曲强度条件为：

σmax =M d max W

≤[σ]

（6）

式中：W 为抗弯截面系数；[σ]=σs /n ，σs 为材料屈服极限。

计算并校核车架弯矩值较大处的应力值，结果如表3所示。由表3可以看出，最大应力均小于许用应力，车架强度满足要求。

图5车架弯矩图

M m ax /（kN ·m ）M dmax /（kN ·m ）W /m 3σm ax /M Pa ［σ］/M Pa -54.71-191.4850.000962199.04246.43-34.70-121.4500.000677179.29246.43+255.57

4.495

0.004068

219.86

246.43

5结束语

本文介绍某型无杆飞机牵引车车架结构和尺寸，对

车架载荷进行处理，依据力学公式进行简化计算，根据计算结果对危险截面进行校核，验证了车架设计的合理性。本文所作研究对于无杆飞机牵引车车架的设计具有一定参考价值。

参考文献

[1]王志.无杆飞机牵引车的现状与发展[J].专用汽车，2006（6）：80-82.

[2]兰

·布莱尔，阿里·佩里，以色列宇航工业有限公司.无牵引杆的飞机牵引车：中国，101918277A [P].2010-12-15.

[3]孙书蕾，

雷玉勇，汤积仁，等.飞机牵引车车架三维有限元静态分析[J].机械设计与制造，2010（4）：119-121.

[4]张彦华，

夏凡，段小雪.焊接结构合于使用评定技术[J].航空制造技术，

2011（11）：54-56.[5]王华锋，

王宏雁，陈君毅.胶接、胶焊与点焊接头剪切拉伸疲劳行为[J].同济大学学报（自然科学版），2011，39（3）：423-425.

通信地址：天津市北辰科技园区华实道91号天津工程机械研究院有限公司整机所

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