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CAE/模拟仿真 |
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汽车后视镜抖动的试验和仿真分析 |
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作者：王志亮 门永新 汤志鸿 |
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1 概述
车外后视镜是汽车主动安全的重要装置之一，是驾驶员获取汽车两侧和后方等外部环境信息的工具，也是保证汽车行驶安全的重要工具。在汽车行驶过程中，路面激励、发动机和传动系统的振动都会引起车身振动，可能造成后视镜不同程度的抖动。严重的抖动会造成后方视野不清，导致驾驶员因判断失误进而引发交通事故。根据文献统计，我国因后视镜设计制造缺陷造成的交通事故占交通事故总数的30%，而美国所占比例为20%，尤其在高速公路上，此比例高达70%。因此，后视镜除了满足有关法规和标准要求，合理选择曲率半径、镜面大小外、安装位置外，必须注意后视镜的动态特性。
2 问题的提出
在国内某一款乘用车的道路实验过程中发现：后视镜不仅在怠速工况下发生严重抖动，并且在高速行驶和粗糙路面上行驶也有明显的抖动。使驾驶员观察视野模糊，不仅易造成驾驶员视力疲劳，而且无法及时准确的判断两侧和后方的情况，存在较大的安全隐患。本文针对此问题进行了分析和改进。
3 实验模态分析
为了获取后视镜的真实工作状况，在整车上进行试验，测试后视镜的动态特性时采用锤击激励。实验的数据采集前端采用LMS公司的SCADIII，力锤采用PCB公司的HEV200，传感器采用PCB公司的三向加速度传感器，数据分析处理软件采用Test.LAB 9等进行实验。
传感器的布置位置见图1
图1 后视镜传感器布置位置
数据采集截止频率为512Hz，频率分辨率为0.5Hz，通过分析可得到如下结果：
图2 后视镜模态计算结果
从试验结果看出，后视镜的模态频率偏低，很容易被发动机、传动系统以及路面所激励，是导致后视镜抖动的重要原因。
4 后视镜数值模拟分析
针对本款车出现的后视镜抖动的问题，如果单纯采用试验方法寻求问题的成因会困难、而且耗时。为了快速找出结构的设计缺陷并提出修改建议，本文采用仿真模拟方法，对后视镜结构进行结构模态分析，检查找出结构中存在的问题，提出涉及更改建议。
4.1 有限元模型的建立
为了使后视镜模态分析在接近于实际情况的条件下进行，采用后视镜安装在前门的状态下进行分析，后视镜及前门的有限元模型是在HyperMesh中完成的，在有限元模型中，采用四面体单元TETRA4，钣金件的单元划分以四边形单元CQUAD4为主，过渡单元用三角形单元CTRIA3，并控制在3%内，铰链轴采用RBE2单元进行模拟，焊点采用CWELD单元进行模拟、胶采用实体单元进行模拟。有限元模型如图3所示：
图3 后视镜及侧门的有限元模型
图4 后视镜的模态有限元分析结果
有限元模型完成后，再分别赋予材料属性，并对模型施加约束条件，约束按照车门的实际工作状态处理，约束门锁与铰链处的三个方向的平动自由度，另外再约束侧门与侧围接触部位的Y向平动自由度，当这些设置完成以后，然后提交RADIOSS进行计算。计算结果如下图4。
为了明确掌握有限元分析与试验的符合情况，将两者的结果进行了对比，见下表1。通过表1可以看出：试验结果与有限元分析结果差别很小，说明仿真分析结果有较高的可信度，因此可以通过有限元仿真的方法，实现对结构的改进。
4.2 设计修改及验证分析
从上述试验和分析可以看出：后视镜抖动的主要原因在于垂直振动的频率较低，提高该模态的频率值是本次修改的重要目标。利用Hyper study的优化分析以及类似后视镜的结构发现，两个因素对计算结果有重要影响[3]：第一，三角座（见图5）的材料属性对模态影响较大，该零件的材料为PA6，弹性模量较小，通过与供应商联系确认，可通过增加玻璃纤维（GF）与金属粉（MD）来提高材料的弹性模量，进而提高后视镜的模态频率。
图5 后视镜三角架
图6 后视镜修改前后结构对比
第二，后视镜内部玻璃支架结构特点的影响，该支架仅与后视镜外壳进行连接（见图6（a）），没有与三角支架连接，而且该支架质量较大造成后视镜重心总体偏向外侧，形成类似悬臂梁的结构，使后视镜更易于发生振动。为此，对该结构进行了修改，修改后的结构见图6（b）。
完成上述修改，重新建模进行有限元分析，分析结果见下表2。从表2中可以看出修改后的第一阶上下振动频率提高到了34.24Hz，而第二阶前后振动频率也增加到40.53Hz，有效避开了激励源的共振频率，基本满足设计要求。该款车在随后的路试中，后视镜没有出现抖动的情况，说明上述修改效果确实有效。表2 修改前后的后视镜有限元分析结果
 5 分析与结论
针对国内某款车出现后视镜抖动的情况，通过试验找到了抖动的原因。为了快速的找到结构设计的缺陷及改进的方法，通过在Hypermesh中建立有限元模型，并通过RADIOSS进行了多次分析，找到了后视镜抖动的设计缺陷，并从修改零件材料和零件结构的角度进行了修改，修改后的后视镜没有出现抖动的情况，这为解决后视镜抖动提供了一种解决方法。
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(9/13/2011) |
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