基于模態(tài)分析的汽車后視鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉元春

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心）

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而引發(fā)交通事故。因此，后視鏡除了滿足有關(guān)法規(guī)和標準要求，合理選擇曲率半徑、鏡面大小及安裝位置外，必須注意后視鏡的動態(tài)特性。文章主要對后視鏡的結(jié)構(gòu)形式與振動模態(tài)分析結(jié)果進行研究。

1 后視鏡的分類及基本特性

汽車的后視鏡應(yīng)使駕駛員具有良好的后視野，能根據(jù)各種身高坐姿的駕駛員視野要求進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)[1]，并且不應(yīng)產(chǎn)生嚴重的影像失真。按安裝位置分為內(nèi)后視鏡和外后視鏡。

內(nèi)后視鏡安裝在駕駛員的上方位置，主要為駕駛員提供正后方的視野。內(nèi)后視鏡為鍍鋁平面鏡，其反射率＞80%，失真率＜3%。

外后視鏡一般安裝在左右前車門前部，主要為駕駛員提供左右后方的視野，為此外后視鏡的鏡片制成球面鏡。鏡面的曲率半徑為（1 400±200）mm，失真率＜3%。反射面鍍層有2種：一種為鍍鋁鏡，其反射率＞80%；另一種為鍍鉻鏡，其反射率為（50±5）%。

2 后視鏡的結(jié)構(gòu)特點

2.1 內(nèi)后視鏡的結(jié)構(gòu)特點

內(nèi)后視鏡主要由鏡殼本體和鏡桿兩部分構(gòu)成，鏡桿部分與前風擋玻璃或車身頂蓋前端連接。圖1和圖2分別示出安裝在前風擋玻璃上和安裝在頂蓋前端的內(nèi)后視鏡。

根據(jù)2種安裝位置可知，導(dǎo)致內(nèi)后視鏡振動的振動源就是風擋玻璃和車身頂蓋。安裝在風擋玻璃上的內(nèi)鏡更牢固，因為本身風擋玻璃傳遞的振動較小，而且安裝在風擋玻璃上的內(nèi)鏡在滿足視野法規(guī)的情況下鏡桿更短，振幅傳遞路徑更短，振動就更小。經(jīng)過振動試驗驗證，在同一汽車上安裝2種內(nèi)鏡，在怠速工況下，前風擋上粘貼的后視鏡在x和y方向上的振動明顯小于安裝在頂蓋前端的后視鏡的振動，而在z方向上的振動與安裝在頂蓋前端的后視鏡z方向上的振動差別不是很大；在緩加速工況下，前風擋上粘貼的后視鏡在x方向上的振動在1 000～6 000 r/min范圍內(nèi)均小于安裝在頂蓋前端的后視鏡的振動，而在y和z方向上的振動在1 000～6 000 r/min范圍內(nèi)與安裝在頂蓋前端的后視鏡y和z方向上的振動差別不大。

2.2 外后視鏡的結(jié)構(gòu)特點

外后視鏡與車身連接一般為三點式，螺柱與螺栓連接安裝，圖3示出外后視鏡上的三點式連接螺柱。

外后視鏡總成結(jié)構(gòu)，如圖4所示。鏡片分總成由鏡片和鏡托板組成，采用卡接和粘接連接，通過鏡托板連接到轉(zhuǎn)向器上，轉(zhuǎn)向器再通過螺釘安裝在基板上，基板固定于鏡殼上，鏡殼通過基板與轉(zhuǎn)軸連接帶動鏡殼的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸又通過螺釘連接在固定座分總成上，3個車身連接螺栓預(yù)埋或安裝在外后視鏡固定座分總成上，有的外后視鏡固定座分總成內(nèi)部帶金屬固定支架與車身連接。

決定外后視鏡振動模態(tài)的主要影響結(jié)構(gòu)是基板和固定座分總成的強度。有的固定座分總成內(nèi)部不帶金屬固定支架，采用塑料一體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。為提高固定座本體強度，一般采用內(nèi)部布置加強筋。

3 外后視鏡結(jié)構(gòu)的有限元模型描述

3.1 外后視鏡有限元分析概述

由于汽車行駛工況的復(fù)雜性及隨著車速變化引起的輪胎不平衡等因素，使得傳到后視鏡的激勵力在一個頻率范圍內(nèi)變化，為了保證外后視鏡的振動在國家及企業(yè)標準內(nèi)，要對其固有頻率進行控制，避免行駛中發(fā)生共振。企業(yè)對后視鏡的設(shè)計規(guī)范中，要求進行固有頻率測定。利用加速度傳感器布置在后視鏡及車身上，對后視鏡施加激振打擊，通過40通道模態(tài)信息采集器測定后視鏡的固有頻率。評定標準為：外后視鏡固有頻率必須≥40 Hz。

采用有限元分析的主要目的是在設(shè)計階段解決性能問題，縮短開發(fā)時間，節(jié)省試驗和后續(xù)設(shè)計變更帶來的費用。前處理軟件使用HyperMesh10.0，求解器使用Nastran，后處理軟件使用 HyperView10.0[2]。

3.2 帶金屬固定支架形式的外后視鏡模態(tài)

后視鏡使用2階實體單元模擬，基本單元尺寸為5 mm。鏡座護罩、轉(zhuǎn)向燈總成、轉(zhuǎn)向電機和彈簧采用集中質(zhì)量單元進行建模，螺栓等連接使用RBE2剛性單元模擬[3]。建成的后視鏡有限元模型，如圖6所示，后視鏡固定于車門有限元模型，如圖7所示。

后視鏡總質(zhì)量為1 175 g，其中彈簧30 g，電動轉(zhuǎn)向器110 g。模型中使用的材料參數(shù)，如表1所示[4]。

表1 外后視鏡有限元模型中使用材料參數(shù)

3.3 塑料一體固定座形式的外后視鏡模態(tài)

使用10節(jié)點四面體實體單元模擬，基本單元尺寸為3.5 mm。除了彈簧之外，結(jié)構(gòu)采用詳細模型描述，彈簧采用集中質(zhì)量單元進行建模，螺栓等連接使用RBE2剛性單元模擬。建立外后視鏡模態(tài)計算有限元模型，固定座加強筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后模型，如圖8所示。

塑料一體固定座形式外后視鏡與帶金屬固定支架形式外后視鏡有限元模型的材料參數(shù)基本一致，只有固定座的變化，表2示出2種形式固定座的參數(shù)對比。

表2 外后視鏡2種形式固定座的參數(shù)對比

4 外后視鏡模態(tài)結(jié)果分析

4.1 帶金屬固定支架形式的后視鏡模態(tài)結(jié)果分析

計算帶金屬固定支架形式的外后視鏡本體模態(tài)時，約束與車門連接處的3個螺栓孔；計算固定于車門的外后視鏡模態(tài)時，約束車門轉(zhuǎn)軸、門鎖和膠條。計算分析外后視鏡前100 Hz模態(tài)，重點關(guān)注垂向模態(tài)頻率。計算后得到：外后視鏡本體垂向模態(tài)頻率為82.45 Hz，固定于車門的外后視鏡垂向模態(tài)頻率為54.59 Hz。一般情況下，汽車的垂向模態(tài)頻率在22～30 Hz，當固定于車門的外后視鏡垂向模態(tài)頻率為54.59 Hz時，遠高于汽車的模態(tài)頻率，所以可以有效避免外后視鏡發(fā)生振動。后視鏡模態(tài)頻率較高的主要原因是鏡座支架采用鋁合金材料，鋁合金彈性模量較高。后視鏡垂向模態(tài)位移云圖，如圖9所示，紅色部分位移量最大。

4.2 塑料一體固定座形式的外后視鏡模態(tài)結(jié)果分析

主要計算了后視鏡的前5階模態(tài)，重點關(guān)注垂向模態(tài)。約束方式：固定于車門后視鏡垂向模態(tài)頻率。原結(jié)構(gòu)固定座加強筋模型的模態(tài)頻率為35.7 Hz，優(yōu)化筋結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)頻率為43.9 Hz。后視鏡連接板加強筋優(yōu)化之后垂向頻率有所提高，可見加強筋的優(yōu)化方案有效提高了模態(tài)頻率，由分析結(jié)果可知加強筋布置在后視鏡固定座下部區(qū)域更為有效，上部區(qū)域可去除加強筋，降低固定座本體質(zhì)量和節(jié)省模具成本。

5 結(jié)論

因為帶金屬固定支架形式的外后視鏡模態(tài)頻率比塑料一體固定座形式的外后視鏡模態(tài)頻率高，所以能更好地避免汽車行駛過程中的后視鏡振動。但帶金屬固定支架形式的外后視鏡成本比塑料一體固定座形式的外后視鏡高，塑料一體固定座形式的外后視鏡結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計也可以滿足一般車輛行駛要求?；谀B(tài)分析的外后視鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在成本與性能之間選擇最佳結(jié)合點，在新車型開發(fā)時，根據(jù)車型定位的要求，來選擇不同結(jié)構(gòu)形式的外后視鏡。汽車后視鏡屬于汽車上的安全件，GB 15084和ECE R46標準都對其性能進行了強制性要求，但強制性要求中只是對視野、安裝及反射率等進行要求，對于振動特性則需要企業(yè)依據(jù)自己的標準進行考核評價。外后視鏡作為汽車寬度方向上最外緣的產(chǎn)品，受車體振動影響最大，而且作為駕駛觀察工具，振動對后視鏡的影響直接涉及到行車安全，所以后視鏡的振動特性需要在新車開發(fā)階段特別重視。采用仿真分析的手段提前掌握不同結(jié)構(gòu)形式后視鏡的振動模態(tài)，可以在設(shè)計階段規(guī)避振動問題，提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省模具修改的費用，同時合理的結(jié)構(gòu)方案通過CAE手段得到驗證，使后視鏡開發(fā)周期得以縮短。后視鏡振動模態(tài)分析只是NVH大課題中的一部分，關(guān)于后視鏡在行車中的噪聲仿真分析等方面還需要做進一步探索。