重卡用遮陽罩改型設(shè)計分析

郝琪，陳宏煌

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程系，湖北十堰442002）

0 引 言

隨著國家基建項目的不斷增加和城市間貨物運輸量的增大，重型卡車近幾年市場銷量穩(wěn)步增長，如東風(fēng)公司的前4后8的天龍系列，重汽HOWO系列等。由于重卡車型較大，駕駛室前風(fēng)窗玻璃面積可達2m×1.5m?？紤]日光照射影響駕駛員正常駕駛，通常乘用車在駕駛室內(nèi)部設(shè)有遮陽板，根據(jù)需要駕駛員手動轉(zhuǎn)動放下或收回。但是由于重型卡車前擋風(fēng)尺寸寬，陽光入射角度大，反光區(qū)域?qū)?；同時，重卡駕駛室高度高，駕駛員伸手難以夠到頂棚安裝處，因此重型卡車的遮陽罩通常設(shè)在駕駛室外，安裝在車頂可固定處，不影響駕駛員視野，其外形多樣，主要滿足遮陽、除霜的要求。

國家對乘用車遮陽板有相應(yīng)的性能指標的國標要求，但重卡用遮陽罩暫無相應(yīng)國標，參考乘用車國標，滿足視野和設(shè)計要求，某重卡用原遮陽罩尺寸為2.3m×0.3m。產(chǎn)品中間均布4個支座，通過8個螺栓孔和左右兩側(cè)各1個支撐與車頂棚連接，支座中安裝有支撐桿保證支撐強度和剛度。由于使用方要求輕量化設(shè)計，同時要求去除兩邊的支撐安裝。原結(jié)構(gòu)改型設(shè)計如圖1所示。改型方案去除了安裝支座之間的連接桿，去除了左右兩端安裝孔位置和支撐桿，同時改變了安裝支座之間的距離。由于整體剛度有較大調(diào)整，因此開模前進行數(shù)值模擬分析，研究改型設(shè)計的可行性。

1 有限元分析模型的建立

遮陽罩本體結(jié)構(gòu)較為簡單，抽取中面以殼單元建立模型，原方案厚度為4mm，改型模型厚度為4.5mm。材料均為ABS材料，彈性模量為2.4GPa，泊松比為0.4，密度為1.2kg/m3，材料的屈服極限近似為45MPa。螺栓連接孔中心與周圍節(jié)點建立剛性連接單元，模擬螺栓，約束連接中心所有自由度。原方案不計兩側(cè)支撐桿、安裝連接桿及4個支座，遮陽罩本體質(zhì)量為3.83kg。改型方案不計4個支座，遮陽罩本體質(zhì)量為3.05kg。根據(jù)車輛使用工況，主要考慮2種情況下改型產(chǎn)品的性能指標：一是車輛高速行駛工況，風(fēng)載對遮陽罩的影響（自重影響較小，忽略不計）；二是考慮車輛高速行駛時，遮陽罩是否有可能產(chǎn)生共振，振動引起的振幅是否在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

2 風(fēng)載作用下性能分析

式中：P為風(fēng)載壓強，Pa；CW為風(fēng)阻系數(shù)，通常取0.3～0.4，文中取0.4；V為相對車速，km·h-1，文中取80km·h-1，為無風(fēng)計算。

風(fēng)對遮陽罩產(chǎn)生載荷視為均布壓強，與前進方向反向，其大小為[1]

計算結(jié)果如表1、圖2所示。2種方案的風(fēng)載產(chǎn)生的應(yīng)力值均遠小于材料的屈服極限，強度設(shè)計安全。產(chǎn)生位移，改型設(shè)計由于去除兩端支撐，最大位移出現(xiàn)在兩端，改進方案為5mm，超出為原設(shè)計方案的400%，但在設(shè)計允許范圍內(nèi)。即使車速提高至120km·h-1，經(jīng)計算遮陽罩的強度、剛度仍在許用范圍內(nèi)，該工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

表1 風(fēng)載工況結(jié)算結(jié)果

圖2 風(fēng)載工況的應(yīng)力與位移云圖

3 約束模態(tài)分析

計算約束模態(tài)，原方案約束中間4對螺栓孔和兩端2個螺栓孔剛性連接中心的全部自由度。改型方案約束4對螺栓孔剛性連接中心的全部自由度。原方案 1～3階頻率為34.54Hz、34.83Hz、57.21Hz，振型見圖3，均為安裝螺栓間不同形式的彎曲變形。改型方案前9階頻率分別為11.765Hz、11.766Hz、29.46Hz、31.57Hz、31.59Hz、38.96Hz、48.87Hz、56.08Hz、56.09Hz，左右兩側(cè)振型對稱，振型如圖4所示。

圖3 原方案前3階約束振型

從模態(tài)分析可以看到，改型方案會出現(xiàn)共振的頻率范圍加大，尤其是低頻區(qū)出現(xiàn)新的共振頻率，如1～5階。原方案也會有一些改型方案沒有的共振頻率，但發(fā)生的頻率相對要高一些。由于結(jié)構(gòu)的改變，整體振型發(fā)生較大改變。其中改型方案的1、2、4、5、8、9階振型都是因為遮陽罩兩端去除安裝支撐、兩側(cè)剛度較低引起的不同振型。3、6、7階振型是由于中間2組螺栓間距離較大激發(fā)的1階彎曲、1階扭轉(zhuǎn)和2階彎曲。由于改型方案的共振激發(fā)頻率較低，而重型卡車駕駛室的激勵主要有路面激勵、車輪激勵、車架激勵和發(fā)動機激勵，傳動軸激勵等[2]。路面激勵一般由道路條件決定，目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵頻率多為1～3Hz，對低頻振動影響較大。車輪激勵通常在1～30Hz之間，一般低于11Hz，該激勵分量較小。城市中一般車速控制在50～80km·h-1，車速小于150km·h-1時動軸不平激勵頻率低于21Hz，此激勵分量較小。6缸4沖程發(fā)動機的怠速激勵頻率為35Hz，正常行駛發(fā)動機2200r·min-1時激振頻率為110Hz。因此，改型設(shè)計的低頻共振頻率存在一定的激發(fā)可能，而模態(tài)分析所得的特征向量并不是共振時的真實振幅，只是在求解有限元方程歸一化時對應(yīng)特征值的一組特征解，它只是一個相對值，因此要分析清楚共振時的振幅大小，需要進一步做頻率響應(yīng)分析。

圖4 改進方案前9階振型

4 頻響分析

由于遮陽罩所受激振力只可能通過支座從駕駛室傳來，頻響的激振點選在支座附近。由于結(jié)構(gòu)對稱，分析在1/2范圍內(nèi)進行。原方案中一側(cè)多出一個單邊支撐，考慮單點激勵，激勵方案有5種，如圖5所示，同時考慮10個螺栓連接處同時產(chǎn)生激勵，為激勵方案6。改型方案的單點激勵方案為4種，同時考慮8個連接點同時激勵，為激勵方案5，如圖6所示。觀察點點位的選取根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果2種方案選取危險位置均為7個，由于結(jié)構(gòu)改變，危險點的位置略有區(qū)別，如圖5所示。激勵力大小為X、Y、Z方向同時激勵1N的單位力，實際情況隨激勵力的增加位移可以正比增加。根據(jù)實際工況的激勵情況，分析激勵頻率為0～200Hz。頻響分析結(jié)果見表2～3，原方案點1在激勵方案1中的振幅響應(yīng)幅值曲線見圖6a，該點在69Hz的激振頻率下振幅振幅為0.23mm，在略低的58Hz和高頻158Hz時的振幅相對其他頻率時略高，但均在0.1mm以下。改進方案點7在激勵方案1中的振幅響應(yīng)幅值曲線如圖6b所示，該點在39Hz的激振頻率下振幅出現(xiàn)最大振幅為1.62mm，在92Hz和高頻162Hz時的振幅相對其他頻率時略高，達到0.36mm和0.27mm，但相比39Hz時較小，因此該方案下39Hz工況為重點考察內(nèi)容。其他曲線不再一一列舉。

圖5 頻響分析方案

表2 原方案頻率響應(yīng)結(jié)果

表3 改型方案頻率響應(yīng)結(jié)果

圖6 激勵方案1下的振幅響應(yīng)幅值曲線

從原方案頻響分析結(jié)果看，各激勵方案下引起最大響應(yīng)振幅的激振頻率整體較高，均在56Hz以上。如前所述基本超過外界激勵頻率，且與發(fā)動機正常行駛激勵錯開，加之懸置隔振，引起共振的幾率極小。進一步研究最大激振響應(yīng)振幅，出現(xiàn)在激振方案1的觀察點1的位置，在三向單位力共同激振下，共振幅值為0.23mm，由于駕駛室隔振上傳至車頂棚的激振力較小，按廠方提供數(shù)據(jù)，不超過50N，引起的激振振幅小于5.2mm，在設(shè)計允許范圍內(nèi)。其它激振位移均小于此值，不存共振引發(fā)的振動剛度問題。同時整體激勵同時作用，由于彼此的約束限制，在原模型中各點最大振幅未超過激勵方案1中的點1振幅。

而改型方案中最危險的情況發(fā)生在激勵由激勵點1處傳入的工況，該工況下點7位置處的響應(yīng)振幅最大。最大影響共振頻率為39Hz，響應(yīng)幅值達到1.6mm。觀察模態(tài)分析與該頻率對應(yīng)的振型圖可以看出，該階振動為改型方案的第6階頻率，表現(xiàn)為中間2組螺栓之間遮陽罩發(fā)生扭曲。按50N激振力核算，位移達36mm。其次激勵由激勵點4處傳入的工況，也在該階頻率（39Hz）點7位置處引起較大振幅，按50N激振力核算，位移為14.7mm。這2處均為遮陽罩中點。此外在激勵方案3的工況時引起點4最大振幅為0.62mm，按50N核算，共振振幅為13.8mm；同時該點在組合激勵作用的激勵方案5中56Hz的激振振幅為0.567mm，按50 N核算，共振振幅為12.7mm。該工況是由于取消兩側(cè)安裝而產(chǎn)生，但相對而言激發(fā)所需的激勵頻率較高，激發(fā)幾率較小?？紤]安全因素，建議保留兩端的安裝孔位置。

綜合以上分析，改型方案在中、低頻區(qū)的共振振幅較大，存在共振的可能性。惡劣情況出現(xiàn)在遮陽罩中點，兩側(cè)取消安裝支撐的共振振幅在允許范圍內(nèi)。因此改型設(shè)計可以取消兩端的安裝支撐，但中間兩對螺栓之間距離過大，需調(diào)整支座安裝位或增加遮陽板整體剛度，增設(shè)加強筋。廠方根據(jù)計算分析結(jié)果，重新改型設(shè)計，增設(shè)加強筋預(yù)留第五安裝支座位置，同時保留了兩端安裝孔的位置，如圖8所示，避免模具一次成型后帶來經(jīng)濟損失。改型后的遮陽罩本體質(zhì)量為3.1kg。

圖8 最終設(shè)計重物

5 結(jié) 論

通過對遮陽罩改型設(shè)計方案的風(fēng)載校核、模態(tài)分析和頻響分析其引起的最大位移，實際道路激勵通過車輪傳至車架及車身，激勵頻率在頻響研究的范圍內(nèi)，所引起的位移不會超過本文中研究得到的振幅幅值，因此頻響分析覆含了路譜分析的極限情況。通過以上分析找到改型設(shè)計中存在的設(shè)計問題，提出解決方案，不計由于去除四對螺栓安裝連接桿產(chǎn)生的大幅減重，遮陽罩本體質(zhì)量仍減少19%，改型結(jié)構(gòu)滿足風(fēng)載和振動特性的要求，避免了經(jīng)濟損失。

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