客車外后視鏡振動(dòng)研究與改進(jìn)

張忠東， 王 珂， 劉鑫明

(1.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 聊城 252000；2.中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000)

在一款9 m團(tuán)體旅游客車的樣車可靠性試驗(yàn)中，駕駛員反饋該車的外后視鏡出現(xiàn)輔助鏡片碎裂情況。為消除該問題帶來的安全隱患，本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷與問題再現(xiàn)、模態(tài)測(cè)試等方法對(duì)該款后視鏡進(jìn)行問題診斷分析，并對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，解決了輔助鏡片碎裂的問題。

1 問題診斷分析

1.1 主觀診斷

客車外后視鏡輔助鏡片碎裂情況如圖1所示，裂痕方向?yàn)檐嚿頇M向(即Y向)。鏡體產(chǎn)生較大振幅及變形的原因主要有安裝缺陷、自身結(jié)構(gòu)缺陷兩種。該后視鏡采用的是與車身卡槽定位、5顆M12螺栓緊固的安裝方式，固定牢靠，鏡片碎裂后檢查安裝位置無松動(dòng)、晃動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)鏡片裂痕及鏡片安裝結(jié)構(gòu)初步判斷，該問題不是由安裝引起的，而是由鏡體框架變形擠壓鏡片引起，與后視鏡自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖1 鏡片碎裂狀態(tài)

為驗(yàn)證出現(xiàn)該問題的原因，決定對(duì)該款后視鏡樣品進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)掃頻試驗(yàn)及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試。

1.2 振動(dòng)臺(tái)掃頻試驗(yàn)

將后視鏡安裝至電磁振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，三軸加速度傳感器分別固定在1個(gè)參考點(diǎn)和4個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)臺(tái)以1g加速度作垂直正弦振動(dòng)，頻率以每分鐘1/2倍頻程的掃頻速率，在5～100 Hz頻率之間進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，重復(fù)掃描3次。使用LMS 測(cè)試系統(tǒng)[1](包括LMS Test.lab測(cè)試分析軟件及數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 電磁振動(dòng)臺(tái)測(cè)試圖

試驗(yàn)中，當(dāng)激勵(lì)頻率處于6～8 Hz時(shí)，鏡體出現(xiàn)大幅振動(dòng)并伴隨明顯的“咔嚓咔嚓”聲。試驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)鏡片出現(xiàn)碎裂情況，且裂痕與1.1節(jié)所述一致。該試驗(yàn)證明，此并非偶發(fā)性問題，該鏡片在一定工況下會(huì)出現(xiàn)碎裂，存在安全隱患。

在LMS Test.Lab中計(jì)算試驗(yàn)中采集的各測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)，得到該后視鏡的振動(dòng)位移幅值頻響函數(shù)曲線[2]，如圖3所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，參考點(diǎn)振幅變化曲線光滑，說明設(shè)備輸出激勵(lì)正常；4個(gè)測(cè)點(diǎn)都在6.7 Hz附近出現(xiàn)振動(dòng)峰值，且測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之間出現(xiàn)突變，需重點(diǎn)關(guān)注；頻率高于8 Hz后振幅下降明顯，20 Hz后振幅很低，無異常表現(xiàn)，不再展示。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置位移頻響函數(shù)曲線

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)基本原理[3-5]可知，頻響函數(shù)矩陣是對(duì)稱的，因此只要測(cè)試頻響函數(shù)矩陣的一行或是一列就可以識(shí)別出所有模態(tài)參數(shù)，而且合理布置測(cè)點(diǎn)才能測(cè)出所關(guān)心的模態(tài)參數(shù)。

采用錘擊法中的移動(dòng)力錘法對(duì)該款后視鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試[6-8]，并在LMS Test.Lab中計(jì)算得到該款后視鏡在0～50 Hz范圍內(nèi)的典型模態(tài)為5 Hz、7 Hz、19 Hz、29 Hz四階，5 Hz模態(tài)振型主要為左右擺動(dòng)，與鏡片碎裂工況不符；7 Hz模態(tài)振型主要為鏡頭的上下“點(diǎn)頭”，如圖4所示，變形最大處與鏡片位置一致，與鏡片碎裂時(shí)的情況相吻合。

圖4 7 Hz模態(tài)振型圖

1.4 問題確定

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)掃頻試驗(yàn)及模態(tài)分析測(cè)試結(jié)果，可判斷出該后視鏡的鏡片碎裂問題是該后視鏡低頻典型模態(tài)在一定工況下與路面激勵(lì)產(chǎn)生共振引起的。

2 改進(jìn)方案及效果

2.1 改進(jìn)方案

根據(jù)后視鏡結(jié)構(gòu)及問題分析，有三個(gè)改進(jìn)方案可供選擇：

1) 改進(jìn)后視鏡外殼，增大鏡片安裝空間以增大鏡片與殼體之間的間隙，將周圈間隙擴(kuò)大3～5 mm即可解決該問題。但此方法需要更改模具來實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用較高且無法降低后視鏡鏡體振幅。該方案不易實(shí)現(xiàn)。

2) 縮小輔助鏡片的尺寸，同樣可將鏡片與殼體之間的周邊間隙擴(kuò)大(較易實(shí)現(xiàn))。但此方法會(huì)降低鏡片的作用，影響駕駛員視野，安全性下降。

3) 增強(qiáng)鏡體骨架剛度，改變鏡體的低頻模態(tài)。此方法不涉及高額費(fèi)用且能減小鏡體整體振幅，較易實(shí)現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案3)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可操作性更好，決定采用此方案來解決該鏡片碎裂問題。

該鏡體原有結(jié)構(gòu)為骨架加塑料外飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中骨架為兩段式組合結(jié)構(gòu)，如圖5所示；兩段的對(duì)接位置結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖中可以看出，鏡片碎裂位置正好處于兩段骨架對(duì)接附近，該位置的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度較弱?；诖?，改進(jìn)方案為在圖6所示對(duì)接膠套尺寸保持不變的前提下將對(duì)接膠套1的材料由Q235A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼更換為510 L高強(qiáng)鋼，并將對(duì)接膠套2的厚度由4 mm減小至2 mm。這樣調(diào)整是為了在保證后視鏡骨架系統(tǒng)具有一定柔性的前提下提升對(duì)接位置剛度，繼而改變后視鏡整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)，避免因?qū)游恢贸霈F(xiàn)較大形變?cè)斐社R片碎裂。

圖5 該后視鏡骨架圖

圖6 對(duì)接位置局部剖視圖

2.3 改進(jìn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的后視鏡結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)臺(tái)上再次進(jìn)行5～100 Hz的掃頻試驗(yàn)，傳感器安裝位置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)計(jì)算方法與首次試驗(yàn)一致。測(cè)試數(shù)據(jù)在LMS Test.lab中計(jì)算的位移幅值頻響函數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后測(cè)點(diǎn)位置位移頻響函數(shù)曲線

試驗(yàn)結(jié)果如下：

1) 試驗(yàn)過程中，主觀感受鏡體在低頻階段的振幅下降明顯。

2) 試驗(yàn)結(jié)束后檢查，未出現(xiàn)鏡片碎裂問題。

3) 對(duì)比圖3中曲線，振幅峰值頻率向右偏移，共振頻率由6.7 Hz提高為8.7 Hz。

4) 共振位移幅值下降明顯，以振幅最大的測(cè)點(diǎn)3(鏡頭)為例，振動(dòng)峰值由原來的19.5 mm下降為9.5 mm。

試驗(yàn)結(jié)果說明，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)已經(jīng)改變鏡體自身模態(tài)，鏡片碎裂問題得到解決。

3 結(jié)束語

針對(duì)某中型團(tuán)體旅游客車后視鏡鏡片碎裂問題，基于LMS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該后視鏡進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)掃頻試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試，確定了其成因并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明，改進(jìn)后的后視鏡結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)，共振頻率提高，振幅下降，解決了鏡片碎裂問題。