汽車防撞雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計

王志勇++尚偉科++李釗++陸景松++王田++楊林

摘 要

汽車防撞雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)兼顧重量、體積、工藝、環(huán)境適應(yīng)性等多方面要求，需要進行統(tǒng)籌和細致的考慮。以某汽車防撞雷達為例，針對雷達使用的環(huán)境要求，簡述了該雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，并重點介紹了其結(jié)構(gòu)組成、力學載荷分析和熱設(shè)計等，對類似的汽車防撞雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】汽車防撞雷達 結(jié)構(gòu)設(shè)計 載荷分析

1 雷達系統(tǒng)設(shè)計

汽車防撞雷達（以下簡稱雷達）安裝在車輛側(cè)后部骨架上，車輛在天線陣面前方安裝有高分子材料制成的保險杠，雷達布局時需避開汽車尾燈和其他強反射的金屬物等，和保險杠也應(yīng)保留足夠的變形空間和安全距離，在有限的車體空間內(nèi)，防撞雷達的“適裝性”設(shè)計尤為重要，系統(tǒng)設(shè)計時必須突破雷達常規(guī)的結(jié)構(gòu)功能單元劃分概念。

該雷達從系統(tǒng)架構(gòu)上分為了微帶天線、射頻前端、中頻模擬、數(shù)字處理和系統(tǒng)電源等部分，隨著電子器件封裝密度不斷提高和集成電路的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)將天線和射頻前端等模擬電路和信號處理數(shù)字電路集成到一張電路板（圖1），宏觀上由單張電路板實現(xiàn)完整的雷達功能，最大限度的實現(xiàn)了雷達的集成設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

基于雷達工作需單面透波的特點，除包含多層電路板和連接器的電訊器材外，其他雷達結(jié)構(gòu)件簡化為天線罩、盒體兩部分，天線罩采用工程塑料注塑成型，盒體選用鋁合金制造，二者通過螺釘固定，方便拆裝和維護，同時也需方便結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工，降低制造成本。

2.1 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線罩安裝于雷達陣面前方，單層罩結(jié)構(gòu)形式，外表面為等厚度的平面，離天線的距離值恒定，用于保護雷達天線免受惡劣環(huán)境的影響。但天線罩同時自身也影響了天線的電性能，因此選用的原材料應(yīng)具備良好的透波性，需重點關(guān)注“介電常數(shù)”和“介電損耗角正切”等參數(shù)值，經(jīng)過調(diào)研使用（PPO）材料通過模具熱注塑成型，該天線罩具備優(yōu)良的綜合性能，剛度高、重量輕、制造工藝性好和環(huán)境適應(yīng)性強。天線罩安裝時需要使用螺紋孔，基于聚苯醚材料不易加工有應(yīng)力開裂傾向的特點，在螺紋孔處安裝相應(yīng)的鋼絲螺套，增強構(gòu)件螺紋的強度和耐用性。如圖1所示。

2.2 盒體結(jié)構(gòu)設(shè)計

盒體是雷達的結(jié)構(gòu)主體，除了安裝和固定雷達電訊器材外，同時需要快速將雷達工作產(chǎn)生熱量傳出雷達，并且可以將輕微彎曲變形的天線陣面進行校直。盒體采用鋁合金加工，設(shè)計時保證盒體端面的平面度和粗糙度要求，安裝雷達多層壓制電路板時通過螺釘?shù)木o固力使多層電路板緊密貼合接觸面，保證雷達微帶天線的平面度要求；盒體內(nèi)腔設(shè)置凸臺，結(jié)合橡膠導熱襯墊緊密貼合多層電路板上的發(fā)熱器件和芯片，將雷達產(chǎn)生的熱量傳導至外側(cè)的翅片中，改善雷達的工作環(huán)境。如圖2所示。

2.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于汽車涉水行進的要求，雷達結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相應(yīng)的防水等級，不受惡劣環(huán)境中的水、鹽霧等對元器件的影響，決定將防水等級定為IP67（GB4208-2008），即水下一米持續(xù)半小時不泄露。除了選用符合要求的連接器外，對結(jié)構(gòu)件連接處的密封尤為重要，因此對雷達密封可能的密封圈方案和膠封方案進行比較選擇，其中密封圈方案檢測方便、易于拆裝，但是需要配合溝槽結(jié)構(gòu)形式，以及較多緊固件，同時需要密封的接觸面是連續(xù)的空間布局，空間尺寸和實現(xiàn)難度均較大，最終選擇膠封方案，通過將天線罩、盒體和連接器之間設(shè)計為嵌入式接觸，端面連接處預留一定的縫隙，液態(tài)密封膠通過灌封牢固附著于結(jié)合面上，形成均勻穩(wěn)定的皮膜，填充結(jié)合面的微小凹凸部后，達到對油、氣、水密封的作用。對于貫穿盒體和電路板的螺釘緊固件，通過封膠達到密封效果是最簡單和便捷的辦法。如圖3所示。

2.4 透氣閥設(shè)計

雷達周圍環(huán)境氣溫會伴隨季節(jié)起伏和晝夜更迭而循環(huán)變化，以及雷達伴隨車輛啟停而反復開關(guān)機而帶來的發(fā)熱和冷卻，將帶來雷達盒體內(nèi)腔氣體反復膨脹和收縮，引起結(jié)構(gòu)件應(yīng)力變形，削弱密封效果，產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”導致內(nèi)腔積水，造成設(shè)備安全隱患，雷達通過安裝透氣閥來解決該問題。透氣閥內(nèi)的膨體聚四氟乙烯薄膜內(nèi)部為三維立體網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu)，可有效過濾空氣的微粒，加上聚四氟乙烯材料自身的疏水性特征，達到防塵防水的效果，因此可有效解決平衡腔體內(nèi)外的氣體壓差，避免結(jié)構(gòu)密封失效，改善雷達內(nèi)腔的工作環(huán)境。

3 雷達結(jié)構(gòu)力學分析

雷達安裝于汽車后部，必須滿足車輛載臺的力學環(huán)境要求。依據(jù)某汽車載臺的技術(shù)條件，使用有限元計算方法，利用計算機軟件對雷達的數(shù)字模型進行仿真分析，為雷達的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供驗證和優(yōu)化的依據(jù)，也為后期試驗提供了理論基礎(chǔ)。

3.1 分析內(nèi)容

要求雷達在指定的載荷作用下，保持足夠的剛強度，減少雷達天線的應(yīng)力和應(yīng)變，滿足電訊指標中的精度要求。

（1）工況1：邊界條件約束狀態(tài)下，計算前五階固有頻率。

（2）工況2：在半正弦沖擊波、加速度300m/s?載荷作用下，雷達天線陣面應(yīng)力和應(yīng)變。

（3）坐標系定義：依據(jù)雷達安裝與車輛側(cè)后方位置，定義車輛前進方向為X向，車身側(cè)向為Y向，車輛重力加速度方向為Z向。

（4）邊界約束條件：雷達通過盒體的4處安裝孔與安裝框架連接，此處設(shè)置全約束。

（5）材料特性。如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 模態(tài)仿真

在邊界約束條件下，天線的模態(tài)分析的前5階固有頻率見表2。

天線的前5階振型如圖5所示，從圖5中可以看出，結(jié)構(gòu)頻率較高，雷達整體剛度較好；相對而言天線平面的中央應(yīng)變較大，局部剛度較低，分析結(jié)果滿足天線安裝剛強度要求。

3.2.2 沖擊載荷仿真

雷達伴隨汽車前進過程中承受不同方向的載荷，考察天線陣面在不同方向上的應(yīng)力和應(yīng)變情況可以看出，工作狀態(tài)下天線陣面的應(yīng)力和應(yīng)變都非常小，雷達整體具有足夠的剛度和強度，受到?jīng)_擊時的應(yīng)力遠遠低于材料的屈服極限，滿足車輛使用的力學條件。如表3所示。

4 雷達結(jié)構(gòu)熱設(shè)計

盡管雷達方案設(shè)計時已考慮高效低功耗的器材選型，但隨著電子設(shè)備集成度的提高，局部過高的熱流密度仍是熱設(shè)計必須解決的問題，也是提高設(shè)備可靠性的必然環(huán)節(jié)。

雷達通過支架安裝在汽車后部，位于車輛鈑金件和后方保險杠之間的夾層中，常規(guī)的液冷和強制風冷措施難以實現(xiàn)，通過熱傳導將器材發(fā)出的熱量的傳到汽車鈑金件上和空氣中是最為可行的方案思路。雷達盒體與散熱翅片結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，通過外側(cè)翅片提高空氣對流的散熱能力；優(yōu)化系統(tǒng)方案，將電源等高功率模塊調(diào)整安裝面，有效貼合導熱襯墊；減少熱源至翅片傳熱路徑以減少熱阻，盒體底部設(shè)計凸臺，結(jié)合導熱襯墊快速將熱量傳遞到翅片上；利用計算機軟件仿真分析，優(yōu)化散熱翅片的布局和尺寸。圖6為環(huán)境溫度85℃，10分鐘后的穩(wěn)態(tài)下工作時的溫度云圖。

分析結(jié)果證明結(jié)構(gòu)方案滿足雷達器件的散熱設(shè)計要求；雷達實物隨后進行了高低溫工作試驗，試驗期間雷達工作正常，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效和可靠。

5 結(jié)束語

汽車防撞雷達具有廣闊的發(fā)展前景，國內(nèi)研究開始起步。本文論述了某防撞雷達實物產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，此方案結(jié)構(gòu)簡單、功能齊備、適應(yīng)性強等優(yōu)點，滿足了雷達系統(tǒng)總體的使用要求，具備了低成本大批量制造的工業(yè)化生產(chǎn)的前提條件。

本文介紹的雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于產(chǎn)品的實際生產(chǎn)，也為其他防撞雷達研究提供了參考和借鑒作用。

參考文獻

[1]張建輝，黃茂三.汽車防撞雷達概述[J].世界汽車，2000（06）：16-19

[2]黃文奎.毫米波汽車防撞雷達的設(shè)計和實現(xiàn)[D].上海：中國科學院研究生院，2006.

[3]徐濤.毫米波汽車防撞雷達實用化研究[D].上海：中國科學院研究生院，2003.

[4]瞿啟云，鄧有銀，等.改性聚苯醚合金在雷達天線罩上的應(yīng)用[J].電子機械工程，2015，31（02）：48-51.

作者簡介

王志勇（1980-），男，安徽省銅陵市人。碩士學位?，F(xiàn)為中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師，從事雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計。

作者單位

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088