輕型卡車外后視鏡振動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

闞海濤,王 智,曹 鑫,葉劍南,金風(fēng)云

(浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310051)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,駕駛員對(duì)輕卡的可靠性、舒適性和安全性提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)由于后視鏡制造缺陷導(dǎo)致的交通事故占事故總數(shù)的30%,美國(guó)為20%,特別是在高速公路上比例高達(dá)70%[1]。輕卡外后視鏡設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮匹配不同寬度的貨箱,當(dāng)貨箱較寬時(shí),鏡桿外伸量較長(zhǎng),外后視鏡整體質(zhì)心外移,極易產(chǎn)生后視鏡振動(dòng)[2]。本文以某款輕型卡車的外后視鏡為研究對(duì)象,基于HyperWorks,利用CAE(computer aided engineering)對(duì)外后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析,通過優(yōu)化外后視鏡底座結(jié)構(gòu)、更換外后視鏡底座材料、減小外后視鏡鏡頭質(zhì)量,來提高外后視鏡的固有頻率,從而避開路面激振頻率,降低外后視鏡振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 外后視鏡振動(dòng)CAE分析

1.1 模型建立

將通過CATIA V5獲得的外后視鏡總成數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperWorks 14.0中,再根據(jù)總成子零件的特性進(jìn)行相應(yīng)處理[3-4]。外后視鏡的上底座、下底座、上轉(zhuǎn)軸和下轉(zhuǎn)軸采用四面體單元TETRA4進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分,殼體采用2D單元shell進(jìn)行網(wǎng)格劃分。外后視鏡總成各子零件按實(shí)際材料進(jìn)行賦值,鏡片驅(qū)動(dòng)器按等效質(zhì)量處理,盡可能使模型質(zhì)量接近外后視鏡總成實(shí)際質(zhì)量。為了更加準(zhǔn)確地模擬外后視鏡的實(shí)際工況,建模時(shí),將外后視鏡總成裝配在白車身上,并約束車身截?cái)嗝?個(gè)方向自由度,創(chuàng)建完成的分析模型如圖1所示。

圖1 CAE分析模型

1.2 優(yōu)化前模態(tài)分析結(jié)果

外后視鏡總成優(yōu)化前的模態(tài)分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 模態(tài)分析結(jié)果

從圖 2可以看出,外后視鏡的1階模態(tài)為X向,其值為15.6 Hz,2階模態(tài)為Y向,其值為18.6 Hz,外后視鏡的1階模態(tài)遠(yuǎn)沒有達(dá)到20 Hz的目標(biāo)值。當(dāng)外后視鏡1階模態(tài)偏低時(shí),車輛行駛過程中易與路面激勵(lì)耦合,從而產(chǎn)生共振,影響行駛安全[5]。

1.3 優(yōu)化方案

原方案計(jì)算結(jié)果顯示外后視鏡1階模態(tài)為X向,說明外后視鏡自身存在剛度薄弱點(diǎn),通過觀察分析結(jié)果動(dòng)態(tài)圖發(fā)現(xiàn),外后視鏡上底座扭曲變形幅度較大,因此針對(duì)外后視鏡上底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化前、后上底座的結(jié)構(gòu)如圖3所示,優(yōu)化后上底座X向增加了加強(qiáng)筋,同時(shí)在上底座拐角處對(duì)筋條的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整,增強(qiáng)了外后視鏡總成X向的抗扭轉(zhuǎn)變形能力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的外后視鏡模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 上底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模態(tài)分析結(jié)果

從圖4可以看出,外后視鏡的1階模態(tài)為Y向,其值為18.8 Hz,2階模態(tài)為X向,其值為19.5 Hz。外后視鏡上底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,其X向的模態(tài)由15.6 Hz變?yōu)?9.5 Hz,增加了3.9 Hz,效果較為明顯,但仍未達(dá)到20 Hz目標(biāo)值的要求,同時(shí)上底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化未對(duì)外后視鏡總成Y向的模態(tài)產(chǎn)生明顯的改善。因此,考慮將外后視鏡底座材料由PA-GF30(尼龍+30%玻纖)更換為PA6-GF45(尼龍+45%玻纖),PA6-GF30材料的彈性模量為9 600 MPa,PA6-GF45材料的彈性模量為13 000 MPa,材料更換后會(huì)進(jìn)一步增加底座的剛度,從而提升外后視鏡總成抗X向扭轉(zhuǎn)變形的能力。材料更換后的外后視鏡模態(tài)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 材料更換后模態(tài)分析結(jié)果

從圖5可以看出,外后視鏡的1階模態(tài)為Y向,其值為19.2 Hz,2階模態(tài)為X向,其值為20.6 Hz。材料更換后,外后視鏡總成X向的模態(tài)已達(dá)到目標(biāo)值20 Hz的要求,但Y向的模態(tài)未能達(dá)標(biāo)。經(jīng)分析,影響外后視鏡總成Y向模態(tài)的主要因素有車門剛度和外后視鏡質(zhì)量。由于車門剛度調(diào)整相較于外后視鏡改動(dòng)所投入的成本較高且改造周期較長(zhǎng),因此首先考慮調(diào)整外后視鏡質(zhì)量。本文采用的減重方案其措施包括:1)主鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)開減重孔,如圖6所示;2)在滿足法規(guī)和人機(jī)視野要求的情況下減小廣角鏡鏡片尺寸,如圖7所示。減重后外后視鏡總成質(zhì)量由4.0 kg調(diào)整為3.8 kg,減重后的模態(tài)分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 減小廣角鏡鏡片尺寸

圖8 減重后模態(tài)分析結(jié)果

從圖8可以看出,外后視鏡的1階模態(tài)為X向,其值為20.4 Hz,2階模態(tài)為Y向,其值為23.2 Hz,外后視鏡總成的X向、Y向模態(tài)都已滿足不小于20 Hz的要求。

2 外后視鏡振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)即評(píng)價(jià)人員依據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)制定的國(guó)際通用的SAEJ1441標(biāo)準(zhǔn),對(duì)車輛外后視鏡不同工況下的主鏡和廣角鏡鏡片的振動(dòng)情況進(jìn)行打分,評(píng)估外后視鏡振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響。

2.1 評(píng)價(jià)路面及工況

評(píng)價(jià)時(shí)的路面包括平滑瀝青路、粗糙瀝青路、水泥路。要求路面清潔、干燥、無積雪和積水,路面長(zhǎng)度不小于2 km。1)車輛勻速蠕行(5 km/h)至最高車速(間隔10 km/h,見圖9);2)急/緩加速、滑行工況。

圖9 外后視鏡優(yōu)化前、后主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 評(píng)價(jià)人員及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)人員3人一組,要求至少有2組。主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用10分制標(biāo)準(zhǔn),見表1。

表1 主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 評(píng)價(jià)內(nèi)容及流程

1)車輛狀態(tài)檢查,臨牌、保險(xiǎn)辦理,選擇評(píng)價(jià)場(chǎng)地,確定主觀評(píng)價(jià)人員。

2)為評(píng)價(jià)人員發(fā)放主觀評(píng)價(jià)表格,評(píng)價(jià)人員分別針對(duì)不同的路面、乘坐不同車輛進(jìn)行評(píng)價(jià),按照評(píng)價(jià)表中的項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行綜合打分,每進(jìn)行完一輪評(píng)價(jià)就輪換車輛,直至每個(gè)人對(duì)所有車輛都進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3)評(píng)價(jià)結(jié)束后,對(duì)各項(xiàng)評(píng)分進(jìn)行對(duì)比,對(duì)評(píng)分存在差異及有爭(zhēng)議的項(xiàng)目進(jìn)行討論或再次評(píng)價(jià)確認(rèn)。

外后視鏡優(yōu)化前和優(yōu)化后的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖9所示,從圖中可以看出,平滑瀝青路面、粗糙瀝青路面和水泥路面優(yōu)化后的評(píng)分都較高,說明外后視鏡的振動(dòng)都有了明顯的改善。

3 結(jié)束語

本文采用CAE仿真和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的研究方法,對(duì)輕型卡車外后視鏡進(jìn)行改進(jìn),在上底座剛度薄弱處設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋,使用彈性模量更高的PA6-GF45替換原先的PA6-GF30,同時(shí)采用了設(shè)計(jì)減重孔和減小鏡片尺寸的減重方案,將外后視鏡的1階模態(tài)從原來的15.6 Hz提高到了20.4 Hz,從而避開路面激勵(lì),降低了外后視鏡的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)過實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了改善方案的可行性。本文研究了外后視鏡自身結(jié)構(gòu)、材料對(duì)外后視鏡振動(dòng)的影響,而如何通過調(diào)整車門鈑金結(jié)構(gòu)提高車門系統(tǒng)模態(tài)以減少對(duì)外后視鏡振動(dòng)的影響有待進(jìn)一步研究。