基于ANSYS的輕卡框架式外后視鏡輕量化設(shè)計(jì)研究

賈丙林，劉攀，劉盛德，許磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

輕卡采用框架式后視鏡已經(jīng)成為卡車后視鏡的優(yōu)先設(shè)計(jì)方案。目前，市場上推出的新產(chǎn)品大多采用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方案主要有如下優(yōu)點(diǎn)：1）采用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下均布置有安裝固定點(diǎn)，提升了鏡桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體剛度，避免了后視鏡隨整車共振的問題發(fā)生；2）框架式后視鏡豎直方向鏡桿長度大，可以布置兩塊面積較大的鏡頭，極大地提升了駕駛員視野，對整車安全起到至關(guān)重要的作用。

近年來，隨著市場需求的增加，匹配極限寬度貨箱的輕卡越來越多，后視鏡越來越寬，重量也在不斷增加，但是受限于車門承載能力有限，框架式后視鏡的重量不能太大。后視鏡總成重量的增加，降低了零件的固有振動(dòng)頻率，使得總成更容易與車身產(chǎn)生共振，造成后視鏡異常抖動(dòng)、成像不清晰，從而影響駕駛舒適性和安全性。

所以，輕卡后視鏡的設(shè)計(jì)，需要在滿足法規(guī)視野要求和靜動(dòng)態(tài)舒適性要求的前提下，最大化地減輕后視鏡的重量。因此，一款合格的輕卡后視鏡必須滿足四點(diǎn)要求：1）滿足法規(guī)視野要求；2）質(zhì)量可靠性滿足設(shè)計(jì)使用要求；3）動(dòng)態(tài)情況下后視鏡不抖動(dòng)，滿足舒適性要求；4）重量足夠輕。

若要滿足上述四點(diǎn)要求，輕卡后視鏡在設(shè)計(jì)階段就要投入大量的精力進(jìn)行前期分析，用CAE虛擬分析軟件從理論上充分論證設(shè)計(jì)方案的可行性。

文章就輕卡后視鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)的方法進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)介紹了Ansys虛擬分析在輕卡后視鏡的結(jié)構(gòu)和模態(tài)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

1 輕卡框架式外后視鏡的設(shè)計(jì)方法

1.1 框架式外后視鏡的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕卡框架式外后視鏡的設(shè)計(jì)，可細(xì)分為鏡片布置、安裝點(diǎn)布置、鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鏡桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五大部分。其中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化，即如何能夠在安裝點(diǎn)和鏡片位置均已經(jīng)確定了的請款下，設(shè)計(jì)出一款重量輕、結(jié)構(gòu)可靠性高、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)好的外后視鏡。

圖1 外后視鏡加寬示意圖

以江淮某款輕卡駕駛室為例，其裝配的普通外后視鏡鏡桿初始寬度為 220mm，加寬后達(dá)到 390mm。但是，加寬并不是在設(shè)計(jì)之初就提出的需求。所以，車門并未考慮外后視鏡加寬、加重的設(shè)計(jì)安全余量。CAE分析結(jié)果顯示，車門配套該后視鏡，剛度指標(biāo)不足。加寬后視鏡外伸量多出170mm，重心外移，且重量增加約500g。

由于外后視鏡重量增加等諸多不利因素，導(dǎo)致車門承載表現(xiàn)不佳，輕卡框架式外后視鏡抖動(dòng)和車門外張的問題在各種場合被多次提及，屬于客戶重點(diǎn)關(guān)注的問題點(diǎn)，急需解決。因此，后視鏡輕量化設(shè)計(jì)迫在眉睫。

圖2 后視鏡安裝位置示意圖

如圖2所示，輕卡框架式外后視鏡主要通過9個(gè)安裝點(diǎn)與車門連接，其中上方5個(gè)，下方4個(gè)，由螺母和螺栓打緊。

框架式外后視鏡的上方安裝點(diǎn)一共有5個(gè)，位于車門框靠近A柱和頂蓋轉(zhuǎn)角的位置。

圖3 輕卡框架式外后視鏡結(jié)構(gòu)分解簡圖

如圖3所示，一般輕卡的框架式外后視鏡主要由上底座、下底座、鏡桿和鏡頭4部分組成。其中，上底座主體由PA6材料制成，下底座主體由鑄鋁材料制成，鏡頭殼體為 PP材質(zhì)，鏡片為浮法玻璃，鏡桿由Q235鋼管制成。

1.2 框架式外后視鏡的輕量化設(shè)計(jì)

1.2.1 外后視鏡的輕量化設(shè)計(jì)思路

從圖4可以看出，后視鏡輕量化的設(shè)計(jì)主要可從三個(gè)方面進(jìn)行：一、鏡頭的輕量化設(shè)計(jì)；二、鏡桿的輕量化設(shè)計(jì)；三、底座的輕量化設(shè)計(jì)。

圖4 輕卡外后視鏡輕量化的基本思路圖

1.2.2 鏡桿的輕量化設(shè)計(jì)

鏡桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的硬點(diǎn)一共有三個(gè)，其中兩個(gè)在上下安裝底座上，一個(gè)在鏡頭上，所以，一旦外后視鏡鏡片的位置和上下底座的安裝點(diǎn)確定后，鏡桿的長度也就基本確定了。因此，鏡桿的輕量化設(shè)計(jì)只能從材質(zhì)和斷面結(jié)構(gòu)兩方面推進(jìn)。

圖5 鏡桿截面圖

圖5為鏡桿的截面圖，鏡桿的結(jié)構(gòu)變化主要體現(xiàn)在鏡桿外徑和壁厚這兩個(gè)參數(shù)的變化上。以江淮新駿鈴輕卡為例，其外后視鏡鏡桿外徑為25mm，這是一個(gè)與造型相關(guān)的參數(shù)，不能輕易變動(dòng)，那么要對鏡桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，則只能對其壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如果保持鏡桿外徑不變，增加壁厚，則鏡桿強(qiáng)度增大，重量增加，這樣做雖然可能加強(qiáng)外后視鏡本身的強(qiáng)度和其臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，但是重量的增加給車門帶來的害處非常大。反之，則外后視鏡本身強(qiáng)度減弱，動(dòng)態(tài)表現(xiàn)變差。

因此，在鏡桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只能從鏡桿材質(zhì)和壁厚這兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

表1所列為幾種常用金屬材料的性能參數(shù)，從表1可以看出，T6鋁合金的密度最低，并且其力學(xué)性能不弱于Q235鋼。TA2鈦合金力學(xué)性能最好，遠(yuǎn)高于鋼和鋁合金，且其密度為4.7g/cm3，預(yù)計(jì)降重效果會(huì)比較好。

表1 幾種常用金屬材料的性能參數(shù)對比

表2分別就不同材料不同壁厚的鏡桿進(jìn)行了橫向?qū)Ρ龋梢钥闯?，采用鈦合金和鋁合金的鏡桿，減重效果明顯，強(qiáng)度等性能提升。但是，成本的上升成為了一個(gè)不可回避的問題。其中，TA2鈦合金成本比原來Q235管材上漲了5倍。

采用鋁合金等高性能輕質(zhì)材料替換原有的 Q235材料，可顯著降低后視鏡重量，降重比例接近30%。

表2 不同壁厚的管材成本重量對比

1.2.3 基于ANSYS的外后視鏡模態(tài)分析

目前，國內(nèi)沒有公開的輕卡外后視鏡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)，所以，很多主機(jī)廠對于外后視鏡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求就是滿足振動(dòng)試驗(yàn)和整車路試。所以，本次只對外后視鏡的模態(tài)進(jìn)行虛擬分析以確定技術(shù)要求符合性。因此，根據(jù)前期積累的經(jīng)驗(yàn)以及樣件的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，只對表2中的5種方案進(jìn)行CAE模態(tài)分析。

圖6所示為Q235鏡桿外后視鏡模態(tài)分析圖，其中（a）為網(wǎng)格劃分圖，該外后視鏡數(shù)模來自江淮新駿鈴輕卡車型，網(wǎng)格采用系統(tǒng)默認(rèn)的中等尺寸進(jìn)行劃分。（b）、（c）和（d）圖所示分別為該結(jié)構(gòu)模型的1階模態(tài)、2階模態(tài)和3階模態(tài)。從模態(tài)分析結(jié)構(gòu)可以看出，前3階模態(tài)的最大振幅均出現(xiàn)在主鏡頭位置，說明該款外后視鏡的振動(dòng)最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在主鏡頭。根據(jù)汽車外飾件設(shè)計(jì)要求，外后視鏡的1階模態(tài)設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于26Hz。因此，一旦該后視鏡的1階振動(dòng)模態(tài)低于設(shè)計(jì)值，則主鏡頭可能出現(xiàn)共振，將會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員的后視野，對行車安全造成巨大隱患。

圖6 輕卡框架式外后視鏡模態(tài)分析示意圖

從表3可以看出，選取的5種方案，只有2.0mm壁厚的T6鋁合金方案的1階模態(tài)為16Hz，小于設(shè)計(jì)要求的26Hz，不能滿足模態(tài)設(shè)計(jì)要求。T6鋁合金2.5mm壁厚的方案，不僅重量輕，而且成本增加較少，是一個(gè)非常理想的輕量化方案。

如果對于外后視鏡降重要求不高的項(xiàng)目，采用 Q235管材1.5壁厚的方案，不但可滿足降重要求，還可以保持總成成本不上升。

表3 5種鏡桿方案的ansys模態(tài)分析結(jié)果

1.2.4 鏡頭和底座的輕量化設(shè)計(jì)

在鏡桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，鏡頭和底座可以進(jìn)一步進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更大的輕量化效果。

圖7 外后視鏡鏡頭減重前后對比圖

上底座材質(zhì)為 PA6-GF30，下底座為鑄鋁材質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)空間基本沒有，所以只能對鏡頭進(jìn)行減重。

鏡頭的結(jié)構(gòu)主要包括殼體和鏡片兩部分，殼體設(shè)計(jì)采用單層結(jié)構(gòu)PP材質(zhì)，鏡片采用2mm厚度浮法玻璃，相比于3mm厚度的浮法玻璃，主鏡頭可減重190g，廣角鏡頭可減重90g。鏡頭總計(jì)可減重280g，相比于總成3.5kg的重量，這個(gè)減重幅度非?？捎^。

2 總結(jié)

根據(jù)輕量化方案設(shè)計(jì)的外后視鏡，采用了鋁合金材質(zhì)鏡桿，并且鏡片減薄了1mm，外觀與普通后視鏡沒有任何差別，視野相同，性能相當(dāng)。相比于Q235管材2.0mm鏡桿的外后視鏡，其單邊最大重量減輕達(dá)到1230g。

最新設(shè)計(jì)的輕量化后視鏡在試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)車上進(jìn)行驗(yàn)證強(qiáng)化路驗(yàn)證無問題。

外后視鏡屬于整車外飾系統(tǒng)，即是一個(gè)外觀件又是一個(gè)法規(guī)件、性能件。外后視鏡開發(fā)的好壞，消費(fèi)者一目了然。一個(gè)壞的外后視鏡設(shè)計(jì)方案，可能會(huì)對整車產(chǎn)品甚至企業(yè)品牌形象產(chǎn)生較大負(fù)面影響。