基于瞬態(tài)沖擊的汽車前照燈調(diào)光電機優(yōu)化設(shè)計

馮洋，李慶忠，裴羅特， 錢善華

(1. 江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 艾默林汽車活動照明組件(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214000)

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基于瞬態(tài)沖擊的汽車前照燈調(diào)光電機優(yōu)化設(shè)計

馮洋1，李慶忠1，裴羅特2， 錢善華1

(1. 江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 艾默林汽車活動照明組件(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214000)

摘要：以汽車前照燈調(diào)光電機為研究對象，通過ANSYSWorkbench軟件建立有限元模型。對調(diào)光電機部件進行非線性接觸設(shè)置，采用完全法對其進行瞬態(tài)沖擊分析，并對主要部件球頭桿進行優(yōu)化設(shè)計。計算結(jié)果表明，該方法有效、可行，優(yōu)化后模型的主要部件球頭桿的應(yīng)力降低了24.75%，提高了調(diào)光電機球頭桿的機械強度。

關(guān)鍵詞：汽車；照明；調(diào)光電機；瞬態(tài)沖擊；非線性；優(yōu)化設(shè)計

0引言

汽車前照燈被國家列為汽車的安全部件之一，而調(diào)光電機作為汽車前照燈的一部分，是前照燈滿足照明要求，確保夜間車輛行駛安全的重要部件之一。根據(jù)強制性標(biāo)準(zhǔn)GB4785-2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定》的要求，近光前照燈必須安裝調(diào)光裝置，并明確了調(diào)光電機在燈具上必須強制安裝[1]。

目前，國內(nèi)對汽車前照燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性研究較少，國外對汽車前照燈系統(tǒng)靜動態(tài)特性有所研究。Schrader[2]對前照燈外殼的振動試驗進行了仿真研究，提出了對大燈外殼單個部件應(yīng)力的動態(tài)分析方法。Yeon[3]等對隨向轉(zhuǎn)動前照燈的連接耦合部件的動態(tài)特性進行了仿真研究，研究表明建立前照燈的柔性模型可以模型出非線性連接部件的振動疲勞壽命，但是對前照燈系統(tǒng)內(nèi)調(diào)光電機結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性及優(yōu)化設(shè)計研究較少。調(diào)光電機通過球頭卡扣與近光反光鏡連接，在車輛行駛過程和產(chǎn)品運輸過程中受到來自路面不平度的激勵時，受到瞬態(tài)沖擊力，有可能導(dǎo)致調(diào)光電機傳動部件球頭桿的斷裂，因此增加調(diào)光電機的球頭桿強度尤為重要。

實際汽車部件的動力學(xué)系統(tǒng)多數(shù)屬于非線性系統(tǒng)[4],要考慮零件之間的非線性接觸，才能準(zhǔn)確的求解出大變形條件下零件在裝配體中的受力。本文建立了調(diào)光電機的有限元模型，以球頭桿的實際所受瞬態(tài)沖擊力作為載荷邊界條件，根據(jù)實際情況為調(diào)光電機添加了約束邊界，設(shè)置調(diào)光電機部件之間的非線性接觸，對其進行了基于瞬態(tài)動力學(xué)的多目標(biāo)多尺寸的優(yōu)化設(shè)計。

1建立調(diào)光電機三維實體模型

利用CATIA軟件，對調(diào)光電機組件按照實際尺寸進行三維實體參數(shù)化建模。調(diào)光電機由外殼、電動機、二階齒輪、大齒輪、球頭桿、PCB板等部件組成。在車輛行駛過程和產(chǎn)品運輸過程中，調(diào)光電機內(nèi)電動機、二階齒輪、PCB板等部件對球頭桿的受力影響較小，為提高計算效率，將以這些部件省略，調(diào)光電機三維實體模型如圖1所示。

1—外殼；2—大齒輪；3—球頭桿圖1　調(diào)光電機實體模型

2建立調(diào)光電機有限元模型

根據(jù)實際情況對調(diào)光電機部件之間的接觸進行設(shè)置。調(diào)光電機外殼之間通過卡扣連接在一起，設(shè)置為綁定接觸。大齒輪與球頭桿之間是內(nèi)外螺紋連接，為方便求解，簡化成綁定接觸。大齒輪與外殼之間存在間隙，在受力過程中部分接觸外殼，設(shè)置為無摩擦非線性接觸。球頭桿與外殼之間設(shè)置為無摩擦非線性接觸。有限元法能夠很好的模擬沖擊力學(xué)特性，網(wǎng)格細化、細節(jié)模擬有助于深化研究[5]。對外殼主體部分采用自由網(wǎng)格劃分。球頭桿是載荷施加部件，與球頭桿接觸的外殼凸臺和大齒輪的應(yīng)力較大，因此要對球頭桿、外殼凸臺、大齒輪及它們之間的接觸進行網(wǎng)格細化，單位大小為0.2mm，以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元網(wǎng)格劃分單元數(shù)和節(jié)點數(shù)分別為1335667和1915821。

調(diào)光電機凸出的前端通過支架與前照燈外殼固定，上下表面與外殼直接配合固定。因此，將調(diào)光電機與支架、外殼連接的表面固定。外部載荷根據(jù)企業(yè)瞬態(tài)沖擊力試驗標(biāo)準(zhǔn)，在球頭桿的球頭處施加10N的力，方向垂直于調(diào)光電機上平面向下。調(diào)光電機約束方式和瞬態(tài)沖擊力加載方式如圖2所示。

圖2　調(diào)光電機約束邊界條件和載荷邊界條件

3調(diào)光電機瞬態(tài)動力學(xué)分析

完成調(diào)光電機的邊界條件設(shè)置，載荷施加后，設(shè)置時長為0.1s，步長為50步，最小子步為5步，最大子步為500步，對調(diào)光電機進行瞬態(tài)沖擊分析，如圖3所示瞬態(tài)沖擊迭代可以收斂。

圖3　迭代計算收斂圖

調(diào)光電機是有限元分析的主體。調(diào)光電機外殼凸臺倒角處是容易發(fā)生應(yīng)力集中的地方。球頭桿是有限元分析的主要部件，在外部載荷作用下產(chǎn)生彎曲形變，在實際過程中發(fā)生螺紋末端應(yīng)力集中斷裂。如圖4所示，最大應(yīng)力處于外殼的卡扣處，球頭桿與外殼接觸，受載荷作用力的方向偏移，力傳遞到外殼上，導(dǎo)致外殼卡扣處的最大應(yīng)力為45.64MPa。外殼凸臺倒角處應(yīng)力為15.4MPa。球頭桿最大等效應(yīng)力為13.21MPa。球頭桿斷裂處最大軸向正應(yīng)力為4.31MPa。

圖4　調(diào)光電機應(yīng)力云圖

4球頭桿的優(yōu)化設(shè)計

4.1　優(yōu)化尺寸選擇

針對球頭桿選取如圖5所示的兩個尺寸,P1為導(dǎo)向肋的縮短長度，P2為導(dǎo)向肋下柱體的長度。改變這些優(yōu)化尺寸只對中間結(jié)構(gòu)進行局部修改，不會改變整體尺寸，因此符合設(shè)計的思路。另一方面，這些尺寸是相對獨立的，優(yōu)化過程中不會導(dǎo)致再生失敗，因此可以實現(xiàn)尺寸優(yōu)化[6]。優(yōu)化尺寸的初始值和變化范圍如表1所示。

圖5　優(yōu)化設(shè)計變量

表1　設(shè)計變量參數(shù)表　　　　mm

4.2　優(yōu)化目標(biāo)選擇

優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是以不增加調(diào)光電機外殼卡扣處應(yīng)力為前提，降低球頭桿對外殼凸臺倒角處的應(yīng)力和球頭桿斷裂處的應(yīng)力，增強球頭桿的強度。因此選擇調(diào)光電機應(yīng)力、外殼凸臺倒角處的應(yīng)力、球頭桿的等效應(yīng)力和球頭桿斷裂處軸向正應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)。

4.3　優(yōu)化尺寸靈敏度分析

優(yōu)化尺寸靈敏度分析是通過一定的數(shù)學(xué)方法和手段，計算出各個目標(biāo)應(yīng)力隨優(yōu)化尺寸變化的靈敏度，從而選擇對應(yīng)力影響較大的尺寸?；赟ix Sigma的判定原則，利用全局變量法來確定哪些尺寸對調(diào)光電機的應(yīng)力有較大影響，以便完成全局靈敏度分析。通過迭代，2個尺寸對目標(biāo)應(yīng)力的影響因子如圖6所示[7]。

圖6　優(yōu)化尺寸靈敏度分析

圖6中優(yōu)化尺寸的靈敏度為正值，表示當(dāng)這個尺寸增大時，目標(biāo)函數(shù)的值會響應(yīng)的增大。同樣的，尺寸的靈敏度為負(fù)值，表示當(dāng)這個尺寸減小時，目標(biāo)函數(shù)的值會相應(yīng)的減小。通過對圖的分析，可以看出P1、P2對目標(biāo)函數(shù)的影響因子都比較大，因此選用這兩個尺寸對調(diào)光電機進行最終的尺寸優(yōu)化。

4.4　尺寸優(yōu)化及結(jié)果分析

在調(diào)光電機外殼卡扣處的應(yīng)力≤45.642MPa作為約束的前提下對球頭桿進行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后的尺寸P1為1.8，P2為1.3。按照優(yōu)化尺寸對模型進行再生，對模型進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)的應(yīng)力值對比如表2所示。

圖7　優(yōu)化后的調(diào)光電機應(yīng)力云圖

表2　優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果對比　　　MPa

從表2可以看出，優(yōu)化后的外殼凸臺倒角處的應(yīng)力、球頭桿的等效應(yīng)力和球頭桿斷裂處軸向正應(yīng)力均有所降低，優(yōu)化后調(diào)光電機的球頭桿機械強度性能得到了顯著提高。

5結(jié)語

為解決汽車前照燈調(diào)光電機在車輛行駛過程和產(chǎn)品運輸過程中受到來自路面不平度的激勵導(dǎo)致傳動部件球頭桿斷裂的問題，對調(diào)光電機進行瞬態(tài)沖擊動力學(xué)分析，并對其傳動部件球頭桿結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，主要結(jié)論如下：1) 建立調(diào)光電機的非線性有限元分析模型，采用完全法能夠模擬調(diào)光電機所受的瞬態(tài)沖擊力，計算能夠收斂求解出部件的動力學(xué)響應(yīng)。2) 基于瞬態(tài)沖擊對球頭桿尺寸進行優(yōu)化，得到了最優(yōu)解。優(yōu)化后的模型在保證不增加調(diào)光電機卡扣應(yīng)力的前提下，提高了調(diào)光電機的球頭桿機械強度性能，達到了預(yù)期效果。

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Optimization Design of Leveler of Headlamp Based on Transient Shock

FENG Yang1, LI Qing-zhong1,PEI Luo-te2, QIAN Shan-hua1

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;

2. AML Automotive Active Modules Lighting (Wuxi) Co.,Ltd., Wuxi 214000, China)

Abstract:Finite element model of leveler of front headlamp is established in ANSYSWorkbench. The nonlinear contact between components of leveler is set, transient shock is simulated via full method and the main components are optimized. The result verifies the effectiveness and feasibility of this method and shows that the stress of optimized shaft is reduced by 24.75% and the strength of the leveler is improved.

Keywords:outomlbile; lighting; leveler; transient shock; nonlinear; optimization design

中圖分類號：O347.3;TP391.9

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0082-04

作者簡介：馮洋(1990-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：機械動力學(xué)及機械優(yōu)化設(shè)計。

收稿日期：2014-11-04 2014-12-05