商用車后視鏡設(shè)計(jì)與振動(dòng)分析

倪紅星，陳榮創(chuàng)，吳張新

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 新能源汽車關(guān)鍵材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)（十堰）林泓汽車配套件有限公司，湖北 十堰 442002）

國(guó)內(nèi)外車企的研究人員開發(fā)了各種新技術(shù)以減少后視鏡視野盲區(qū)，增加駕駛員視野范圍。奧迪e-tron和雷克薩斯ES使用電子后視鏡，在轉(zhuǎn)彎時(shí)自適應(yīng)調(diào)整后視鏡，解決了后視鏡視野盲區(qū)難題［1］。后視影像系統(tǒng)，解決了視覺盲點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)阻和油耗的降低［2］。變曲率鏡片［3］、鏡片加熱、后視鏡電動(dòng)調(diào)節(jié)、防炫目后視鏡等后視鏡新技術(shù)也有利于減少盲區(qū)視野［4］。此外，保護(hù)膜與防護(hù)液可在雨霧天氣促進(jìn)傳統(tǒng)后視鏡正常工作［5］。徐文強(qiáng)等［6］提出將電子調(diào)節(jié)設(shè)備系統(tǒng)和小廣角鏡結(jié)合使用提高駕駛安全性。在減少后視鏡視野盲區(qū)的各種手段中，對(duì)鏡片進(jìn)行曲率設(shè)計(jì)是有效且簡(jiǎn)便的方法。商用車后視鏡不僅要視野盲區(qū)較小，還要滿足振動(dòng)條件下的強(qiáng)度要求。在鏡體（鏡片、鏡框）的設(shè)計(jì)中，需要兼顧光學(xué)、力學(xué)、材料成型等要求。Chu等［7］通過在后視鏡殼體上增加凹痕的方式改變了后視鏡殼體的氣動(dòng)特征，從而降低了聲壓級(jí)。Olsson等［8］發(fā)現(xiàn)，改變后視鏡邊緣半徑、傾斜度等會(huì)影響后視鏡周圍和車輛后方的空氣流動(dòng)。王明軍等［9］指出后視鏡典型失效主要分為視野調(diào)節(jié)故障、折疊功能故障、后視鏡與車門裝配不匹配、外觀故障等。Murukesavan等［10］評(píng)估了空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)乘用車后視鏡幾何形狀的影響。馬沫凱等［11］通過實(shí)際測(cè)試與有限元模擬相結(jié)合的方式，對(duì)商用車視野盲區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化。勾玉濤等［12］對(duì)后視鏡進(jìn)行了振動(dòng)失效分析，分析了提高后視鏡振動(dòng)頻率的方法，提高了成像的穩(wěn)定性。鄭偉等［13］對(duì)后視鏡進(jìn)行了有限元分析，解決了低于1階固有頻率振動(dòng)量超標(biāo)的問題。綜合現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，目前如何對(duì)商用車后視鏡鏡片、鏡框進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及如何對(duì)后視鏡在振動(dòng)條件下的強(qiáng)度和壽命進(jìn)行分析，以滿足后視鏡生產(chǎn)廠家要求，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)較少介紹。針對(duì)這些問題，文中對(duì)某商用車后視鏡曲率進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用CATIA軟件對(duì)視野范圍進(jìn)行了校核，考慮了鏡體框架的安裝要求、強(qiáng)度要求和注塑工藝要求，對(duì)后視鏡鏡體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用ANSYS Workbench對(duì)鏡體的模態(tài)和諧響應(yīng)進(jìn)行了分析，獲得了滿足實(shí)際工況下壽命要求的商用車后視鏡。

1 鏡體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 鏡片設(shè)計(jì)與視野校核

后視鏡鏡片主要目的是觀察有無物體，采用球面鏡制作后視鏡可得到更大的盲區(qū)觀察范圍。鏡片設(shè)計(jì)主要從鏡片外形、鏡片曲率、鏡片視野3個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。鏡片曲率半徑R計(jì)算公式為式中：u為物距，取1750mm；v為像距，取1750mm；?為物體高度，取1800mm；d為目與鏡的距離，取200mm；ω為許用視角，取1/3°［14］。根據(jù)車企行業(yè)規(guī)范，鏡片曲率一般取50mm的倍數(shù)，所以R取350mm，v為195mm。該曲率符合GB15084—2013關(guān)于V類后視鏡鏡片曲率要大于300mm的規(guī)定。為防止發(fā)生振動(dòng)時(shí)尖銳的鏡片與鏡框發(fā)生碰撞導(dǎo)致鏡片碎裂，對(duì)鏡片邊緣輪廓設(shè)置0.5mm的圓角。設(shè)計(jì)出的鏡片形狀如圖1所示。

圖1 鏡片示意圖

為校核所設(shè)計(jì)的鏡片是否能觀察到所需觀察的區(qū)域，在CATIA軟件中繪出卡車簡(jiǎn)易模型、地面，并導(dǎo)入后視鏡鏡片進(jìn)行裝配定位。視野校核需要首先確定眼點(diǎn)的位置，眼點(diǎn)位置位于胯點(diǎn)上方635mm處，而胯點(diǎn)由坐姿確定。選取成年人最佳坐姿（圖2），A46取90°，H30取325mm，A44取105°，靠背角度與坐墊角度取15°。根據(jù)上述步驟最終確定眼點(diǎn)的位置。

圖2 眼點(diǎn)示意圖

將鏡片外邊緣輪廓均勻分出40個(gè)點(diǎn)用于獲取視野區(qū)域。在40個(gè)點(diǎn)處作鏡面法向線，連接眼點(diǎn)與輪廓點(diǎn)，作出40條反射線。將40條反射線連接，獲得視野區(qū)域。如圖3所示，以2個(gè)眼點(diǎn)垂直平面為基準(zhǔn)，向前繪出長(zhǎng)1000mm、寬2000mm的可見區(qū)域，向后繪出長(zhǎng)1750mm、寬2000mm的區(qū)域。圖3表示了后視鏡與后方視野區(qū)域的關(guān)系，規(guī)定的視野區(qū)域被后視鏡視野區(qū)域包圍，所以鏡片曲率滿足要求。對(duì)后視鏡鏡片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后觀察可知，鏡片在安裝位置上繞Y軸向外轉(zhuǎn)40°，繞X軸向車頭轉(zhuǎn)2°，繞Z軸向上轉(zhuǎn)動(dòng)12°時(shí)，視野范圍最大。

圖3 后視鏡與后方視野區(qū)域示意圖

1.2 鏡框設(shè)計(jì)

鏡框?qū)︾R體十分重要，起到防止鏡片跌落，固定鏡片的重要作用。內(nèi)側(cè)框架與外側(cè)框架間由卡扣進(jìn)行連接，上卡扣在外力作用下發(fā)生彈性變形，通過導(dǎo)滑面滑動(dòng)后扣在下口底面上。上下卡扣太厚會(huì)難以裝配，因此卡扣厚度設(shè)計(jì)為2mm。為了方便裝配，導(dǎo)滑面長(zhǎng)為2mm，角度60°。為了節(jié)約材料，防止過厚產(chǎn)生的局部收縮造成凹陷，對(duì)下卡扣上表面挖梯形槽使卡扣壁厚均勻。內(nèi)側(cè)框架直壁與鏡片邊緣的摩擦與尺寸公差設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)內(nèi)側(cè)框架內(nèi)側(cè)直壁進(jìn)行1°的拔模處理，使大鏡片一側(cè)可進(jìn)入，小鏡片一側(cè)不容易掉出。拔模處理也能使零件注塑時(shí)可以輕松取出。設(shè)計(jì)中同時(shí)考慮了側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的位置，使卡扣能順利成型并取件?？鄣幕鶞?zhǔn)坐標(biāo)系與外側(cè)框架的坐標(biāo)系要保持一致，否則卡扣發(fā)生傾斜不利于注塑完成后取件。內(nèi)側(cè)框架如圖4a所示。

外側(cè)框架的側(cè)壁加強(qiáng)筋主要起導(dǎo)向定位、增強(qiáng)剛度、承載鏡片的作用，所以在加強(qiáng)筋上設(shè)計(jì)了卡槽與內(nèi)側(cè)框架下沿配合，方便裝配，并使加強(qiáng)筋頂部貼合鏡片下表面，更好地承載鏡片。加強(qiáng)筋拔模斜度為1°，高度低于外側(cè)框架邊緣3mm，頂部和底部圓角可防止應(yīng)力集中和利于熔料流動(dòng)填充，分別為5mm與2mm。外側(cè)框架如圖4b所示。

圖4 后視鏡框架圖

2 振動(dòng)分析

2.1 模態(tài)分析

根據(jù)廠方后視鏡振動(dòng)耐久性能試驗(yàn)要求，后視鏡需要在33Hz、加速度45m·s?2的工況下進(jìn)行垂直方向4h、水平（前后、左右）各2h的耐久性能試驗(yàn)，后視鏡各部件不能有永久變形、損壞、松動(dòng)、脫落和鏡片位置改變等缺陷；后視鏡能在共振頻率、加速度為45m·s?2時(shí)進(jìn)行垂直方向1h，水平（前后、左右）各0.5 h的耐久性能試驗(yàn)，不發(fā)生明顯變形。為了分析后視鏡裝配體在實(shí)際工況下的強(qiáng)度，需要先對(duì)后視鏡裝配體進(jìn)行模態(tài)分析，獲得固有頻率和振型，然后在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算諧響應(yīng)。

外側(cè)鏡框通過球面與球軸連接，設(shè)置鏡框?yàn)锳BS塑料，鏡片為玻璃材質(zhì)，球軸為鋼。ABS塑料密度為1040kg·m?3，彈性模量為2.39×109Pa，泊松比為0.399；玻璃密度為2500kg·m?3，彈性模量為6.89×1010Pa，泊松比為0.2；鋼的密度為7850kg·m?3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3。導(dǎo)入三維模型，對(duì)內(nèi)側(cè)框架接觸面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化分，接觸區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1mm，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為5mm。螺栓與外側(cè)框架之間、螺栓與后蓋之間、內(nèi)側(cè)鏡框與外側(cè)鏡框之間等均設(shè)置為摩擦接觸。ABS之間的摩擦系數(shù)為0.48，ABS與玻璃之間摩擦系數(shù)為0.53。后視鏡所受振動(dòng)來源于由球軸傳遞的汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)所帶來的振動(dòng)，所以對(duì)球軸施加固定約束，使其6個(gè)自由度均受約束。求解后得到各階次振動(dòng)頻率如表1所示，可以看出裝置1階模態(tài)下共振頻率為64Hz，2階共振頻率為78Hz，從5階開始頻率值劇增，在10階下達(dá)到了964.68 Hz。

表1 鏡體1～10階振動(dòng)頻率

后視鏡框架在運(yùn)動(dòng)過程中前3階產(chǎn)生繞3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，4階表現(xiàn)出拉伸趨勢(shì)（圖5a），5階振型有彎曲變形趨勢(shì)（圖5b），6階與9階在側(cè)壁出現(xiàn)不同程度的翹曲變形趨勢(shì)，7階與8階振型在框架底部出現(xiàn)不同程度的拉伸變形趨勢(shì)，10階為拉伸變形趨勢(shì)。從圖5可以看出，變形區(qū)域主要集中在外側(cè)框架靠近球槽的垂壁區(qū)域、底部加強(qiáng)筋未覆蓋到的三角形區(qū)域以及遠(yuǎn)離球槽的兩處對(duì)角區(qū)域?？梢酝ㄟ^對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以減小變形。

圖5 鏡殼振型圖

2.2 諧響應(yīng)分析

根據(jù)廠方設(shè)計(jì)要求，分別在鏡體X、Y、Z方向施加加速度為45m·s?2的載荷，頻率分別為33Hz與64Hz，觀察鏡體的變形與受力情況。求解頻率范圍為25～74Hz，共求解50個(gè)頻率下的結(jié)果。

在Z方向上載荷頻率為33Hz時(shí)分析結(jié)果如圖6a所示，鏡體等效應(yīng)力最大值為1.85MPa，最大變形為0.038mm。在X方向上載荷頻率為33Hz時(shí)，等效應(yīng)力最大值為2.05MPa，最大變形為0.039mm。同理，在Y方向上載荷頻率為33Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為0.28MPa，最大變形為0.01mm。應(yīng)力較大區(qū)域均位于球槽前端的過渡部分、球槽中央圓孔和加強(qiáng)筋的底部，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置是外側(cè)框架（遠(yuǎn)離球槽）直壁。在Z方向上載荷頻率為64Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為254.41MPa，最大變形為5.54mm。在X方向上載荷頻率為64Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為389MPa，最大變形為8.41mm，如圖6b所示。在Y方向上載荷頻率為64Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為36.84MPa，最大變形為0.81mm。應(yīng)力較大區(qū)域均位于球槽與圓柱面過渡圓角處、球槽中央圓孔處及加強(qiáng)筋底部以及球槽前端圓弧過渡處，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置是外側(cè)框架（遠(yuǎn)離球槽）直壁上。

圖6 鏡殼在Z方向上加載時(shí)的應(yīng)力圖

對(duì)比33Hz與64Hz下的2組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鏡體裝置在承受33Hz、45m·s?2的加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值小于ABS屈服強(qiáng)度（50MPa），變形量也較小。而在承受64Hz、45m·s?2的加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值超過了ABS屈服強(qiáng)度。說明鏡體在共振頻率64Hz下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。通過分析確定了后視鏡容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置是球頭圓孔位置、加強(qiáng)筋底部、框架轉(zhuǎn)角處與圓弧過渡區(qū)域等。

3 鏡體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與壽命校核

3.1 鏡體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了增加鏡體的強(qiáng)度，對(duì)鏡體進(jìn)行如下改進(jìn)：在球槽中央圓孔處加設(shè)1個(gè)2mm高的圓環(huán)形凸臺(tái)，將加強(qiáng)筋底部圓角增大為2mm；在球槽前端圓角過渡處加設(shè)加強(qiáng)筋，在圓柱面兩側(cè)加設(shè)2mm寬的加強(qiáng)筋；將底面加強(qiáng)筋由4條增加到7條，在球槽側(cè)直壁處增設(shè)2條加強(qiáng)筋。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 改進(jìn)后后視鏡外側(cè)框架

對(duì)改進(jìn)后的模型再次進(jìn)行模態(tài)分析，施加加速度為45m·s?2的載荷，結(jié)果表明，改進(jìn)后1階共振頻率為76.4 Hz。同樣在鏡體X、Y、Z方向載荷頻率分別為33Hz與76.4 Hz時(shí)，進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

在Z方向上載荷頻率為33Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為5.87MPa，最大變形為0.23mm，如圖8a所示。在X方向上載荷頻率為33Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為6.51MPa，最大變形為0.27mm。在Y方向上載荷頻率為33Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為3.03MPa，最大變形為0.01mm。應(yīng)力較大的區(qū)域與改進(jìn)前相同。在Z方向上載荷頻率為76.4 Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為19.97MPa，最大變形量為0.77mm。在X方向上載荷頻率為76.4 Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力最大值為274.35MPa，最大變形量為8.41mm，如圖8b所示。在Y方向上載荷頻率為76.4 Hz時(shí)，鏡體等效應(yīng)力的最大值為7.17MPa，最大變形量為0.07mm。觀察最大等效應(yīng)力（274.35MPa）出現(xiàn)的球銷附近的等效應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的應(yīng)力集中發(fā)生在很小的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因是產(chǎn)生了線與面的尖角接觸。分析認(rèn)為該問題不會(huì)在實(shí)際工況中出現(xiàn)，而其余位置應(yīng)力均處于30.49MPa以下。

圖8 改進(jìn)后鏡殼在Z方向上加載時(shí)的應(yīng)力圖

對(duì)比33Hz與76.4 Hz下的2組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鏡體的等效應(yīng)力與變形均處于允許范圍內(nèi)，達(dá)到了強(qiáng)度要求。

3.2 壽命校核

ABS許用應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系如表2所示，ABS在31MPa時(shí)壽命為1800次。設(shè)計(jì)中廠方要求在Z方向施加頻率為33Hz的振動(dòng)載荷時(shí)，鏡體能維持14400次不發(fā)生明顯損壞，并確保在X方向和Y方向分別施加頻率為33Hz的振動(dòng)載荷時(shí)，能維持7200次以上。同樣，在74.6 Hz的共振頻率下，對(duì)應(yīng)Z方向、X方向、Y方向加載時(shí)，鏡體可靠工作壽命分別不小于3600次、1800次、1800次。

表2 ABS許用應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

在Z方向、X方向、Y方向分別加載頻率為33Hz的振動(dòng)載荷時(shí)，最大等效應(yīng)力分別為5.87MPa、6.50MPa、3.03MPa、在Z方向、X方向、Y方向加載頻率為76.4 Hz的振動(dòng)載荷時(shí)，最大等效應(yīng)力分別為19.97MPa、30.49MPa、7.16MPa。從表2可以看出，3個(gè)方向分別加載時(shí)，最大等效應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力值，滿足鏡體的壽命要求。

4 結(jié)論

基于GB15084—2013設(shè)計(jì)了某商用車后視鏡鏡片，通過CATIA軟件對(duì)視野范圍進(jìn)行了校核，證明設(shè)計(jì)的鏡片能滿足視野盲區(qū)的要求。后視鏡框架在運(yùn)動(dòng)過程中容易產(chǎn)生向3個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)、向連軸方向拉伸、向最大尺寸方向彎曲及側(cè)壁出現(xiàn)翹曲的變形趨勢(shì)。后視鏡應(yīng)力集中在球頭位置、加強(qiáng)筋底部、框架轉(zhuǎn)角處、圓弧過渡區(qū)域。通過優(yōu)化圓角半徑、網(wǎng)格尺寸、壁厚、加強(qiáng)筋的布局等改變鏡體的結(jié)構(gòu)，提高了鏡體的強(qiáng)度。