■ 田富刚 张广秀 曹丽娟
（中国汽车技术研究中心有限公司）
摘 要：以50”牵引球为对象，比对了GB/T 25988、ISO 3853、UN R55与SAE J684等国内外相关标准法规，给出了现行标准法规对于牵引球试验方法的主要差异，从列车起步工况出发，推导了加载力的参考值的计算公式并解释了其物理意义。基于ANSYS软件对牵引球进行了动态和静态加载的仿真试验，并开展了验证试验，基于试验验证结果从作用力的角度给出了匹配牵引球及连接装置应考虑的因素。 关键词：牵引球，牵引能力，计算，试验方法
DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2021.03.030
Research on Towing Test Method of Coupling Ball
TIAN Fu-gang ZHANG Guang-xiu CAO Li-juan
（China Automotive Technology & Research Center Co., Ltd.）
Abstract: Taking the 50" coupling ball as the object, this paper compares GB/T 25988, ISO 3853, UN R55 and SAE J684 and gives the main differences between the standards for the coupling ball test methods. Taking the starting condition of the train as the research object, it deduces the calculation formula of D value and explains its physical significance. Based on the ANSYS software, it carries out the dynamic and static loading simulation test of the coupling ball as well as the actual verification test. Based on the test results, it gives the force factors that should be considered in matching the coupling ball and connecting device.
Keywords: coupling ball, towing capability, calculation, test method
检测认证
引言
旅居车因其舒适、快捷的特性，在国际市场已是休闲旅游甚至生活的重要组成部分，而国内旅居车产业以及旅居车旅游业仍处于起步阶段，具有巨大的发展潜力。按照《国务院关于印发“十三五”旅游业发展规划的通知》（国发〔2016〕70号），旅游业发展已上升到国家层面，成为国家重点专项规划。从使用的角度，牵引装置的结构、强度以及主挂匹配对于旅居车的推广和发展具有重要作用。但目前国家标准体系中对于牵引装置，尤其是牵引球的要求尚不完备，市场中牵引球以及牵引装置质量也参 差不齐。
本文以50”牵引球为研究对象，在比对国内外标准要求差别的基础上，对不同标准要求进行了验证分析。试验结果表明针对牵引球以及牵引装置的静态试验对于使用安全性的考察是必要的，本文的分析对于后续相关标准的制修订具有一定的参考意义。
田富刚，张广秀，曹丽娟：牵引球牵引试验方法研究
1 国内外标准法规分析
1.1 国内外标准法规要求对比
国内外标准法规体系中对于牵引球强度均有所规定，现行国家标准GB/T 25988—2010等同采用ISO 3853，技术要求上二者完全一致，规定了测试牵引球机械强度的动态试验方法；此外UN R55与SAE J684给出了静态的试验要求，具体如表1所示[1-3]：从上述比对可以看出，目前国家标准对牵引球的要求集中于动态试验，缺乏静态加载的要求以及相应的试验方法；UN R55在动态试验要求的基础上，增加了安装要求试验以及球套分离试验；而SAE 则提出了针对牵引球和铰链整体的静态强度试验。
牵引球在实际使用过程中，除受到正常的往复作用外，在特殊使用条件如加减速、颠簸等情况，会在
短时间内受到很大的冲击，通过动态试验不能够很好地模拟牵引球在冲击作用下的工作情况。为了保证牵引球使用过程的安全性，对于牵引球的试验要求应该覆盖短时间内的大作用力试验，即静态加载试验。
1.2 D值分析
前文比对了GB、ISO、ECE、SAE等标准体系下对于牵引球测试试验的不同要求，可以看到动态和静态试验中都出现了参考值D作为定义加载的基准值。然而D值的来由各项标准中都没有明确说明，本节探究D值与牵引车与挂车之间的纵向力的关系。塑料染
图1给出了汽车列车的受力状态，对于牵引车，有[4]
φm1g=F
DH
+F
f1
+F
瓶嘴w
+m
1
a （1）
对于挂车，有F
DH
=F
f2
+F
w
+m
2
a （2）
表1 国内外标准对比
GB/T 25988
ISO 3853
UN R55SAE J684
动态试验用近似正弦曲线的方式进行加载，频率不超过35Hz
试验合力的振幅为0.6D±3%，循环次数为2×106，
加载力的参考值：
—
静态试验
安装
强度
—
垂直方向：F
V
=D；方向垂直向上
水平方向：F
L
=2D（最大不能超过15kN）
纵向拉伸和压缩：1.5×M
R
横向推力：0.5×M
R
垂直拉伸和压缩：0.5×M
R
球套
分离
—
分离力应垂直作用在联结头的纵横向中
心线的方向上，并平稳和快速增加到：
g(M
R
+ F
DZ
/1000) kN
并保持10s
—
铰链
静态
加载
——
（1）施加规定的朝下垂直力，同时作用规定的压
缩纵向力：
F
V
=0.47M
R
+2.135
F
L
=0.47M
R
+2.135
（2）施加规定的拉伸或纵向压缩力，同时作用规
定的朝下垂直力:
F
V
=0.15M
R
F
火锅餐具L
=0.23M
R
+6.805
（3）施加规定的横向力:
F
T
=0.20M
R
+2.224
牵引球
静态
加载
——
纵向拉伸: 3×M
R
纵向压缩: 3×M
R
横向推力:M
R
垂直拉伸:1.3×M
R
垂直压缩:1.3×M
R
注：“—”表示标准中未给出该要求。
田富刚，张广秀，曹丽娟：
牵引球牵引试验方法研究
图1 汽车列车受力状态
针对起步状态的车辆可以作出如下假设：1）牵引车与挂车没有相对运动趋势，二者加速度相同；
2）牵引车与挂车均未发生运动，计算过程忽略空气阻力的影响；
3）车轮与地面的附着系数与最大静摩擦系数相同。
考虑上述假设，可以将上式简化为：φm1g =F DH +m 1a （3）F DH =φm 2g+m 2a （4）结合公式（3）（4），得
F DH =2φg （m 1·m 2）/（m 1+m 2） （5）因为D=g （m 1·m 2）/（m 1+m 2），有 F DH =2φD
通过以上分析可以看出，D值是与起步状态牵引车与挂车之间的纵向力F DH 关联的参考值，并不是F DH ，二者的差距在于车轮与地面的附着系数。对于一般公路，车轮与地面的附着系数最大为0.8～1.0，则起步工况牵引车与挂车之间的最大纵向力可以取为1.6D～2D。
考虑静态试验加载力与动态试验加载力区别，高周疲劳与低周疲劳机理和损伤的原因不同，不能通过简单的换算关系得到。文献[5]给出了针对45钢的高低周复合载荷对疲劳寿命的影响，参考给出的结论，99%存活率下S-N曲线的拟合方程为[5]：
合欢椅
σL =-116.12lgN P +946.56 （6）根据公式（6）将Np分别代入1与2*106，得到静态和循环动态试验的加载力分别为946.56MPa与
215.00MPa，二者之间的差别在4倍左右，与本节分析的试验加载力和最大纵向力之间的差别相近。
通过以上分析可以看出，UN R55中给出的静态试验纵向力是基于起步工况牵引车与挂车之间的最大纵向力给出的要求，而针对牵引球的动态加载，则是从材料疲劳寿命的角度考虑。
2 试验方法验证分析
理论分析一定程度上解决了动态加载试验与静态加载试验考察到牵引球的不同性能的问题，但并不能解决在实际情况下按照相应的试验方法对牵引球及连接装置产生的影响。为了充分验证不同试验方法
的合理性，进一步分析国标、联合国法规、美国SAE等不同体系对于牵引球验证试验考虑的角度，本文通过仿真计算以及试验验证的方式对前文所述的试验方法进行了逐项分析和验证。2.1 动态试验验证
前文对牵引球加载试验方法进行了汇总，对于动态加载试验，国家标准与ISO、ECE等国际标准法规基本一致，按照标准要求开展仿真及实际测试。2.1.1 仿真试验
按照标准尺寸要求对牵引球进行建模，牵引球材料选择常用的45Cr钢。对于牵引球支架的处理，由于没有标准化的要求，实际使用中和产品相关，建模过程中以某型支架的基本数据进行处理。牵引球仿真试验模型如图2所示。
图2 牵引球仿真模型
对牵引球按照+15°的方向施加如图3所示，幅值为0.6D的正弦载荷，循环2×106后应力云图如图4所示。从图4中可以看出，动态循环加载对于牵引球不会造成明显的损伤，牵引球无失效风险。
图3 动态循环加载
图4 动态循环加载仿真试验结果
2.1.2 实际测试
采用标准50”牵引球配合球套进行动态试验，试验装配及加载情况如图5、图6所示：
图5 动态试验装配及加载情况
图6 动态试验加载力
对循环试验后的牵引球进行检查，无明显损伤及变形。
2.2 静态试验
UN R55与SAE J684中分别给出了不同的静态试验加载方法，根据开展验证试验与仿真分析的可行性不同，本文分别对给出的试验要求进行验证及分析。
2.2.1 安装强度仿真试验
UN R55与SAE J684均给出了对安装强度的要求，二者对于加载力要求的基准不同，从加载数值上看UN R55的加载力更大。按照UN R55的要求对安全强度进行验证，考察牵引球与车辆之间的连接。标准中允许牵引球根据实际情况采取不同的方式与车辆组合，不同的连接方式会对试验结果有影响。为了了解该要求的考察情况，采用前文所述的仿真模型对该试验进行仿真分析，结果如图7所示。
服务器审计A)法向加载
图7 法向加载力示意图
对牵引球施加法向加载，加载力取为参考值D，试验结果如图8-图10所示。
田富刚，张广秀，曹丽娟：牵引球牵引试验方法研究封条锁
田富刚，张广秀，曹丽娟：
牵引球牵引试验方法研究
图8 法向加载仿真试验结果
B)纵向加载
图9 纵向加载力示意图
对牵引球施加法向加载，加载力取为参考值2D，试验结果如图10所示。
从仿真计算结果可以看到，根据UN R55的要求，在对球头安装强度进行分析的过程中发现，纵向加载情况下会有损伤隐患。根据理论分析可知，2D为球头在静态起动过程中受到的最大纵向力，该值可以作为反映牵引球在整个使用过程中的边界值。静态加载试验对于考察牵引球性能具有重要的意义。
2.2.2 球套分离试验
按照UN R55的要求施加垂向力，考察牵引球与球套之间的链接情况，试验装配及加载情况如图
11-图12所示。
图10 纵向加载仿真试验结果
图11 分离试验装配情况
图12 分离试验加载力
