汽車外后視鏡振動(dòng)失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

勾玉濤，劉景亮，李爽

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車外后視鏡振動(dòng)失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

勾玉濤，劉景亮，李爽

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為提高汽車外后視鏡成像穩(wěn)定性，對其進(jìn)行振動(dòng)失效分析，利用鏡片、鏡托架及轉(zhuǎn)向器等為基本元素建立兩自由度振動(dòng)仿真系統(tǒng)，應(yīng)用MATLAB軟件繪制鏡片質(zhì)心鉛垂運(yùn)動(dòng)及繞質(zhì)心俯仰運(yùn)動(dòng)的固有振型圖。通過改變系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)整后視鏡振動(dòng)幅值，最終優(yōu)化其振動(dòng)范圍符合機(jī)動(dòng)車視野要求，確保對駕駛狀態(tài)變更判斷的準(zhǔn)確性。

后視鏡；振動(dòng)分析；視野；優(yōu)化

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-16-04

引言

汽車后視鏡是駕駛員用來觀察后方信息，確保安全行駛的重要裝備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國由于后視鏡缺陷造成的交通事故約占交通事故總數(shù)的30%，在美國為20%，而在高速公路上更是高達(dá)70%[1]。國家強(qiáng)制性法規(guī)GB-15084-2013《機(jī)動(dòng)車輛后視鏡的性能和安裝要求》中6.1.2中規(guī)定“后視鏡固定方式應(yīng)使它不致移動(dòng)而明顯改變其視野區(qū)域，或因振動(dòng)而使駕駛員對圖像產(chǎn)生錯(cuò)覺”[2]。目前，國內(nèi)外對后視鏡的研究多是利用CAE分析，通過提高其固有頻率，來改善振動(dòng)過大問題。文獻(xiàn)[3]中，基于ABAQUS，對汽車后視鏡視野穩(wěn)定性仿真分析，證實(shí)CAE分析手段把控后視鏡振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的切實(shí)可行性。文獻(xiàn)[1]中，利用ANSYS 軟件對汽車后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高固有頻率，降低后視鏡振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。但增加的后視鏡固有頻率越接近外界激勵(lì)頻率時(shí)，反而易造成系統(tǒng)因發(fā)生共振而振動(dòng)幅度增加。

本文針對某型車在一定車速時(shí)，后視鏡抖動(dòng)而影響駕駛員觀測信息準(zhǔn)確度的問題，對其進(jìn)行振動(dòng)失效分析。利用鏡片、鏡托架及轉(zhuǎn)向器等為基本元素建立兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)。確定鏡片質(zhì)心的鉛垂運(yùn)動(dòng)及繞質(zhì)心俯仰運(yùn)動(dòng)的固有頻率和固有振型，通過改變系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整鏡片振動(dòng)幅值，最終優(yōu)化其振動(dòng)幅度符合機(jī)動(dòng)車視野要求，并提出優(yōu)化建議。

1、后視鏡振動(dòng)因素分析

表1 后視鏡固有頻率與車速轉(zhuǎn)化對照表

根據(jù)表1，轉(zhuǎn)化頻率與實(shí)測固有頻率的頻率誤差基本為3.56%，以此判斷此經(jīng)驗(yàn)公式具有很高的可信度。并通過測試結(jié)果可得，如車速為100.0km/h，后視鏡接收的外界激勵(lì)頻率約為40.0Hz，其基本與此型號后視鏡固有頻率接近，此時(shí)后視鏡已發(fā)生共振，振動(dòng)幅度達(dá)到最大，造成成像模糊。

2、模型建立與分析

2.1 模型建立

后視鏡振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)振動(dòng)問題，而轉(zhuǎn)向器作為鏡片調(diào)節(jié)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，振動(dòng)特性的好壞將最直接影響鏡片的振動(dòng)程度。如果只考慮鏡片在轉(zhuǎn)向器上的上下振動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)，可以把后視鏡簡化為兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)[6]。簡化模型如圖1所示：

圖1 后視鏡3維斷面圖

振動(dòng)模型以鏡片質(zhì)量中心C為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向器簡化為模型中彈簧及阻尼器，假設(shè)鏡片及鏡托板整體質(zhì)量為m，繞質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑為ρ，轉(zhuǎn)向器與鏡托板左端卡接處離質(zhì)心的距離為l1，右端離質(zhì)心的距離為l2，系統(tǒng)剛度及阻尼如圖2所示，分別為k1，c1，k2，c2。

圖2 兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)

取質(zhì)心C的鉛垂向坐標(biāo)x和繞橫向水平質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)角θ為廣義坐標(biāo)。設(shè)在某瞬時(shí)t，質(zhì)心C相對于靜平衡位置向下位移x，鏡片有仰角θ，則左右彈簧長度將分別改變(x?l2θ)與(x+l1θ)，由牛頓運(yùn)動(dòng)定律：

系統(tǒng)受力平衡得振動(dòng)微分方程：

2.2 模型系統(tǒng)振動(dòng)分析

根據(jù)實(shí)際測量及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]，系統(tǒng)參數(shù)賦值如表2所示：

表2 系統(tǒng)參數(shù)賦值表

在系統(tǒng)參數(shù)中，先以剛度值的大小來判定對系統(tǒng)振動(dòng)的影響，所以在此設(shè)剛度k1和k2為變量，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，在剛度可操作范圍內(nèi)賦值其變化在100(N/m)到400（N/m）之間。將各參數(shù)分別代入式（1.8），應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，得系統(tǒng)因剛度k1和k2變化，固有頻率ω1和ω2的變化情況如圖3、圖4所示：

圖3 固有頻率ω1變化曲面圖

圖4 固有頻率ω2變化曲面圖

隨著剛度k1和k2的不斷增加，系統(tǒng)的固有頻率ω1和ω2也越來越大，此趨勢可知固有頻率與系統(tǒng)剛度之間成正比關(guān)系。本文討論故障車發(fā)生視野模糊時(shí)車速約為100.0km/h左右，為模擬實(shí)際行車狀態(tài)，根據(jù)上文提到的車速與后視鏡接收頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系，特賦值激勵(lì)頻率ω為40.0Hz。

將系統(tǒng)參數(shù)分別代入式（1.5）、式（1.6）后得振動(dòng)系統(tǒng)因剛度k1和k2引起的X（ω）和Θ（ω）振幅變化情況，分別如圖5、圖6所示：

圖5 X(ω)振型變化情況

圖6 Θ(ω)振型變化情況

由圖可知，隨著剛度k1和k2的不斷增加，系統(tǒng)振幅整體上都呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。只有當(dāng)剛度接近250N/m時(shí)，即此參數(shù)下系統(tǒng)的固有頻率接近外界激勵(lì)頻率時(shí)，X(ω)下降至最低點(diǎn)，Θ(ω)到達(dá)峰值。直至剛度的變化對振型的影響慢慢變小。

至此易知，調(diào)整后視鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，不是一味的增加剛度就對減少振動(dòng)幅度都有利，因提高剛度使系統(tǒng)固有頻率增加，當(dāng)其接近外界激振頻率時(shí)，反而造成系統(tǒng)因發(fā)生共振而振動(dòng)幅度增加的潛在危險(xiǎn)。

3、振動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化

根據(jù)國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[2]，將后視鏡總成安裝于等同實(shí)際裝配狀態(tài)，振動(dòng)加速度調(diào)至0.5g（據(jù)此，在上文中激振力F1和F2大小選取為5N）。啟動(dòng)振動(dòng)臺，緩慢的將振動(dòng)頻率從20Hz調(diào)至100Hz，測試白板與后視鏡鏡片的距離L為1.72m，并規(guī)定光源和鏡片平面的法線夾角為Q[8](Q取20°)，后視鏡振動(dòng)試驗(yàn)原理簡圖如圖7所示：

圖7 后視鏡振動(dòng)試驗(yàn)原理簡圖

法規(guī)中規(guī)定白板上光斑d浮動(dòng)范圍在相應(yīng)激勵(lì)頻率下不應(yīng)超過相應(yīng)上限值，即只能停留在區(qū)域A范圍內(nèi)為符合法規(guī)要求，振動(dòng)特性曲線上限值如圖8所示：

圖8 振動(dòng)特性曲線上限值

模擬振動(dòng)試驗(yàn)原理，分別分析鏡片的鉛垂及俯仰運(yùn)動(dòng)對測試白板上d值的變化，如圖9所示，Θ(ω)從平衡位置1到位置2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，接收光斑向右移動(dòng)。反之，鏡片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，接收光斑向左移動(dòng)。

圖9 俯仰運(yùn)動(dòng)對測試范圍的改變

如圖10所示，X(ω)由位置1到位置3向上振動(dòng)時(shí)，接收光斑向右移動(dòng)。反之，光斑向左移動(dòng)。

圖10 鉛垂振動(dòng)對測試范圍的改變

鏡片做順時(shí)針、逆時(shí)針俯仰運(yùn)動(dòng)，對測試范圍d的影響d11和d12通過計(jì)算分別得：

鏡片做向上、向下鉛垂運(yùn)動(dòng)對測試范圍d的影響d21和d22通過計(jì)算化簡后分別得：

易知接收光斑向左、向右移動(dòng)最大值d左、d右分別為質(zhì)心向下運(yùn)動(dòng)與逆時(shí)針俯仰運(yùn)動(dòng)的組合和質(zhì)心向上運(yùn)動(dòng)與順時(shí)針俯仰運(yùn)動(dòng)的組合，通過線性疊加分別得：

d左和d右線性疊加得特定系統(tǒng)參數(shù)與外界激勵(lì)頻率下光斑d的變化值，簡化后得：

將式(1.5)、(1.6)代入式(2.3)中，得到關(guān)于k1和k2變化引起d變化的三維振動(dòng)特性曲面，如圖11所示。其等高線，如圖12所示：

圖11 d值變化的三維振動(dòng)特性曲面

圖12 d值變化的等高線

根據(jù)其三維振動(dòng)特性曲面可以看出，在中心紅色部位為振幅變化最大處，法規(guī)要求，在40.0Hz的激勵(lì)頻率下，光斑d的最大波動(dòng)范圍不應(yīng)超過8mm，但根據(jù)等高線可以容易的在剛度可調(diào)整的范圍內(nèi)，沿其外部等高線，選取任意剛度組合優(yōu)化后視鏡振動(dòng)效果。如圖12所示，我們可以選取等高線小于或等于線7上的任意k1和k2組合，合理有效的解決因剛度調(diào)整不合理反而增加系統(tǒng)振動(dòng)幅度的不利影響，將后視鏡振動(dòng)控制在法規(guī)規(guī)定范圍內(nèi)。

改變系統(tǒng)剛度的方法有很多，如轉(zhuǎn)向器選用蝸輪蝸桿式結(jié)構(gòu)，鏡托板增加加強(qiáng)筋等。文獻(xiàn)[9]，就分析了通過選用不同材料如何改變后視鏡系統(tǒng)剛度。

4、結(jié)論

通過使用兩自由度有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的模型，基于國家法規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)，提出了如何合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)剛度，并給出優(yōu)化方案及建議。此模型及理論同樣適用于將剛度設(shè)為定值，系統(tǒng)阻尼、回轉(zhuǎn)半徑等其他參數(shù)設(shè)為變量，來調(diào)整后視鏡振動(dòng)特性，尋找其它參數(shù)的最優(yōu)解。

（1）本文把后視鏡簡化為兩自由度有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，簡化了后視鏡振動(dòng)問題的分析及求解。

（2）基于國家法規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)，特別針對如何合理的選擇系統(tǒng)剛度值做了深入分析并給出優(yōu)化建議。

（3）類比剛度值的分析，使用此模型及理論，同樣可得出其它系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)解。

（4）本文在后視鏡的開發(fā)前期，如何得到降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)后的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)具有很高的指導(dǎo)意義。

[1] 面何文濤,劉淑梅,劉漢武,等.汽車后視鏡有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J],上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,28(2):124-127.

[2] GB 15084—2013,機(jī)動(dòng)車輛 間接視野裝置性能和安裝要求[s],2013,全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).

[3] 葛如海，高宏范.基于ABAQUS的汽車后視鏡視野穩(wěn)定性仿真分析[J],重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,32(1):143-146.

[4] 趙婷婷.汪霞，王昌富.基于頻率響應(yīng)法的后視鏡振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)化[J],汽車技術(shù),2014,12(2);9-10.

[5] 息玲玲,劉鵬,姜巖,等.汽車上外后視鏡結(jié)構(gòu)性能研究[C]//上海，Altair 2012 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論文集,2012.

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[8] 李生泉.吳明亮.一種關(guān)于外后視鏡抖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理的研究方法[J],機(jī)械制造,2014,52(602);19-23.

[9] Fuyin Song，Emmanuel O Ayorinde．Influence of Material Property on Vibration Characteristics of the Automotive Rearview Mirror[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials,2005,18(7):291-305．

Analysis of auto exterior rearview mirrors'vibration failure and optimal design

Gou Yutao, Liu Jingliang, Li Shuang
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Auto rearview mirror is an important equipment to ensure the safe driving, which is used to obtain information behind the drivers. Serious rearview mirror vibration may directly cause fuzzy lens image information, which affects the drivers' judgment on whether to carry on driving condition changes. Therefore, analyzing vibration failure of the rearview mirror, improving the accuracy of rearview mirror imaging is particularly important. Considering the up and down vibration and the pitching movement of the lens on the steering gear, the model can be simplified as a two-degreeof-freedom vibration system. Lens, lens bracket and steering elements are used to establish the system, and MATLAB software is applied to map the corresponding vibration mode shape. Based on the experimental criterion of the rearview mirror, an optimal design function is presented and the applicable design parameters can be obtained.

Rearview mirror; Vibration analysis; Vision; Optimize

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-16-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.007

勾玉濤，就職于華晨汽車工程研究院。