1 概述
車外后視鏡是汽車主動安全的重要裝置之一，是駕駛員獲取汽車兩側(cè)和后方等外部環(huán)境信息的工具，也是保證汽車行駛安全的重要工具。在汽車行駛過程中，路面激勵、發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的振動都會引起車身振動，可能造成后視鏡不同程度的抖動。嚴(yán)重的抖動會造成后方視野不清，導(dǎo)致駕駛員因判斷失誤進(jìn)而引發(fā)交通事故。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，我國因后視鏡設(shè)計制造缺陷造成的交通事故占交通事故總數(shù)的30%，而美國所占比例為20%，尤其在高速公路上，此比例高達(dá)70%。因此，后視鏡除了滿足有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，合理選擇曲率半徑、鏡面大小外、安裝位置外，必須注意后視鏡的動態(tài)特性。
2 問題的提出
在國內(nèi)某一款乘用車的道路實驗過程中發(fā)現(xiàn)：后視鏡不僅在怠速工況下發(fā)生嚴(yán)重抖動，并且在高速行駛和粗糙路面上行駛也有明顯的抖動。使駕駛員觀察視野模糊，不僅易造成駕駛員視力疲勞，而且無法及時準(zhǔn)確的判斷兩側(cè)和后方的情況，存在較大的安全隱患。本文針對此問題進(jìn)行了分析和改進(jìn)。
3 實驗?zāi)B(tài)分析
為了獲取后視鏡的真實工作狀況，在整車上進(jìn)行試驗，測試后視鏡的動態(tài)特性時采用錘擊激勵。實驗的數(shù)據(jù)采集前端采用LMS公司的SCADIII，力錘采用PCB公司的HEV200，傳感器采用PCB公司的三向加速度傳感器，數(shù)據(jù)分析處理軟件采用Test.LAB 9等進(jìn)行實驗。
傳感器的布置位置見圖1
圖1 后視鏡傳感器布置位置
數(shù)據(jù)采集截止頻率為512Hz，頻率分辨率為0.5Hz，通過分析可得到如下結(jié)果：
圖2 后視鏡模態(tài)計算結(jié)果
從試驗結(jié)果看出，后視鏡的模態(tài)頻率偏低，很容易被發(fā)動機、傳動系統(tǒng)以及路面所激勵，是導(dǎo)致后視鏡抖動的重要原因。
4 后視鏡數(shù)值模擬分析
針對本款車出現(xiàn)的后視鏡抖動的問題，如果單純采用試驗方法尋求問題的成因會困難、而且耗時。為了快速找出結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷并提出修改建議，本文采用仿真模擬方法，對后視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，檢查找出結(jié)構(gòu)中存在的問題，提出涉及更改建議。
4.1 有限元模型的建立
為了使后視鏡模態(tài)分析在接近于實際情況的條件下進(jìn)行，采用后視鏡安裝在前門的狀態(tài)下進(jìn)行分析，后視鏡及前門的有限元模型是在HyperMesh中完成的，在有限元模型中，采用四面體單元TETRA4，鈑金件的單元劃分以四邊形單元CQUAD4為主，過渡單元用三角形單元CTRIA3，并控制在3%內(nèi)，鉸鏈軸采用RBE2單元進(jìn)行模擬，焊點采用CWELD單元進(jìn)行模擬、膠采用實體單元進(jìn)行模擬。有限元模型如圖3所示：
圖4 后視鏡的模態(tài)有限元分析結(jié)果
有限元模型完成后，再分別賦予材料屬性，并對模型施加約束條件，約束按照車門的實際工作狀態(tài)處理，約束門鎖與鉸鏈處的三個方向的平動自由度，另外再約束側(cè)門與側(cè)圍接觸部位的Y向平動自由度，當(dāng)這些設(shè)置完成以后，然后提交RADIOSS進(jìn)行計算。計算結(jié)果如下圖4。
為了明確掌握有限元分析與試驗的符合情況，將兩者的結(jié)果進(jìn)行了對比，見下表1。通過表1可以看出：試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果差別很小，說明仿真分析結(jié)果有較高的可信度，因此可以通過有限元仿真的方法，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
4.2 設(shè)計修改及驗證分析
從上述試驗和分析可以看出：后視鏡抖動的主要原因在于垂直振動的頻率較低，提高該模態(tài)的頻率值是本次修改的重要目標(biāo)。利用Hyper study的優(yōu)化分析以及類似后視鏡的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，兩個因素對計算結(jié)果有重要影響[3]：第一，三角座(見圖5)的材料屬性對模態(tài)影響較大，該零件的材料為PA6，彈性模量較小，通過與供應(yīng)商聯(lián)系確認(rèn)，可通過增加玻璃纖維(GF)與金屬粉(MD)來提高材料的彈性模量，進(jìn)而提高后視鏡的模態(tài)頻率。
圖5 后視鏡三角架
圖6 后視鏡修改前后結(jié)構(gòu)對比
第二，后視鏡內(nèi)部玻璃支架結(jié)構(gòu)特點的影響，該支架僅與后視鏡外殼進(jìn)行連接(見圖6(a))，沒有與三角支架連接，而且該支架質(zhì)量較大造成后視鏡重心總體偏向外側(cè)，形成類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)，使后視鏡更易于發(fā)生振動。為此，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，修改后的結(jié)構(gòu)見圖6(b)。
完成上述修改，重新建模進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果見下表2。從表2中可以看出修改后的第一階上下振動頻率提高到了34.24Hz，而第二階前后振動頻率也增加到40.53Hz，有效避開了激勵源的共振頻率，基本滿足設(shè)計要求。該款車在隨后的路試中，后視鏡沒有出現(xiàn)抖動的情況，說明上述修改效果確實有效。
表2 修改前后的后視鏡有限元分析結(jié)果
5 分析與結(jié)論
針對國內(nèi)某款車出現(xiàn)后視鏡抖動的情況，通過試驗找到了抖動的原因。為了快速的找到結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷及改進(jìn)的方法，通過在Hypermesh中建立有限元模型，并通過RADIOSS進(jìn)行了多次分析，找到了后視鏡抖動的設(shè)計缺陷，并從修改零件材料和零件結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行了修改，修改后的后視鏡沒有出現(xiàn)抖動的情況，這為解決后視鏡抖動提供了一種解決方法。
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