轻型卡车外后视镜振动改进设计

阚海涛,王 智,曹 鑫,叶剑南,金风云

(浙江吉利新能源商用车集团有限公司,浙江 杭州 310051)

随着经济的发展和人民生活水平的提高,驾驶员对轻卡的可靠性、舒适性和安全性提出了更高的要求。据统计,我国由于后视镜制造缺陷导致的交通事故占事故总数的30%,美国为20%,特别是在高速公路上比例高达70%[1]。轻卡外后视镜设计时需要考虑匹配不同宽度的货箱,当货箱较宽时,镜杆外伸量较长,外后视镜整体质心外移,极易产生后视镜振动[2]。本文以某款轻型卡车的外后视镜为研究对象,基于HyperWorks,利用CAE(computer aided engineering)对外后视镜进行模态分析,通过优化外后视镜底座结构、更换外后视镜底座材料、减小外后视镜镜头质量,来提高外后视镜的固有频率,从而避开路面激振频率,降低外后视镜振动的风险。

1 外后视镜振动CAE分析

1.1 模型建立

将通过CATIA V5获得的外后视镜总成数据导入到HyperWorks 14.0中,再根据总成子零件的特性进行相应处理[3-4]。外后视镜的上底座、下底座、上转轴和下转轴采用四面体单元TETRA4进行实体网格划分,壳体采用2D单元shell进行网格划分。外后视镜总成各子零件按实际材料进行赋值,镜片驱动器按等效质量处理,尽可能使模型质量接近外后视镜总成实际质量。为了更加准确地模拟外后视镜的实际工况,建模时,将外后视镜总成装配在白车身上,并约束车身截断面6个方向自由度,创建完成的分析模型如图1所示。

图1 CAE分析模型

1.2 优化前模态分析结果

外后视镜总成优化前的模态分析结果如图2所示。

图2 模态分析结果

从图 2可以看出,外后视镜的1阶模态为X向,其值为15.6 Hz,2阶模态为Y向,其值为18.6 Hz,外后视镜的1阶模态远没有达到20 Hz的目标值。当外后视镜1阶模态偏低时,车辆行驶过程中易与路面激励耦合,从而产生共振,影响行驶安全[5]。

1.3 优化方案

原方案计算结果显示外后视镜1阶模态为X向,说明外后视镜自身存在刚度薄弱点,通过观察分析结果动态图发现,外后视镜上底座扭曲变形幅度较大,因此针对外后视镜上底座进行了结构优化。优化前、后上底座的结构如图3所示,优化后上底座X向增加了加强筋,同时在上底座拐角处对筋条的设置进行调整,增强了外后视镜总成X向的抗扭转变形能力。结构优化后的外后视镜模态分析结果如图4所示。

图3 上底座结构优化对比

图4 结构优化后模态分析结果

从图4可以看出,外后视镜的1阶模态为Y向,其值为18.8 Hz,2阶模态为X向,其值为19.5 Hz。外后视镜上底座结构优化后,其X向的模态由15.6 Hz变为19.5 Hz,增加了3.9 Hz,效果较为明显,但仍未达到20 Hz目标值的要求,同时上底座结构的优化未对外后视镜总成Y向的模态产生明显的改善。因此,考虑将外后视镜底座材料由PA-GF30(尼龙+30%玻纤)更换为PA6-GF45(尼龙+45%玻纤),PA6-GF30材料的弹性模量为9 600 MPa,PA6-GF45材料的弹性模量为13 000 MPa,材料更换后会进一步增加底座的刚度,从而提升外后视镜总成抗X向扭转变形的能力。材料更换后的外后视镜模态分析结果如图5所示。

图5 材料更换后模态分析结果

从图5可以看出,外后视镜的1阶模态为Y向,其值为19.2 Hz,2阶模态为X向,其值为20.6 Hz。材料更换后,外后视镜总成X向的模态已达到目标值20 Hz的要求,但Y向的模态未能达标。经分析,影响外后视镜总成Y向模态的主要因素有车门刚度和外后视镜质量。由于车门刚度调整相较于外后视镜改动所投入的成本较高且改造周期较长,因此首先考虑调整外后视镜质量。本文采用的减重方案其措施包括:1)主镜内部结构开减重孔,如图6所示;2)在满足法规和人机视野要求的情况下减小广角镜镜片尺寸,如图7所示。减重后外后视镜总成质量由4.0 kg调整为3.8 kg,减重后的模态分析结果如图8所示。

图7 减小广角镜镜片尺寸

图8 减重后模态分析结果

从图8可以看出,外后视镜的1阶模态为X向,其值为20.4 Hz,2阶模态为Y向,其值为23.2 Hz,外后视镜总成的X向、Y向模态都已满足不小于20 Hz的要求。

2 外后视镜振动主观评价

主观评价即评价人员依据美国汽车工程师协会制定的国际通用的SAEJ1441标准,对车辆外后视镜不同工况下的主镜和广角镜镜片的振动情况进行打分,评估外后视镜振动对驾驶员的影响。

2.1 评价路面及工况

评价时的路面包括平滑沥青路、粗糙沥青路、水泥路。要求路面清洁、干燥、无积雪和积水,路面长度不小于2 km。1)车辆匀速蠕行(5 km/h)至最高车速(间隔10 km/h,见图9);2)急/缓加速、滑行工况。

图9 外后视镜优化前、后主观评价结果

2.2 评价人员及评分标准

评价人员3人一组,要求至少有2组。主观评价评分标准采用10分制标准,见表1。

表1 主观评价评分标准

2.3 评价内容及流程

1)车辆状态检查,临牌、保险办理,选择评价场地,确定主观评价人员。

2)为评价人员发放主观评价表格,评价人员分别针对不同的路面、乘坐不同车辆进行评价,按照评价表中的项目和内容进行综合打分,每进行完一轮评价就轮换车辆,直至每个人对所有车辆都进行了评价。

3)评价结束后,对各项评分进行对比,对评分存在差异及有争议的项目进行讨论或再次评价确认。

外后视镜优化前和优化后的主观评价结果如图9所示,从图中可以看出,平滑沥青路面、粗糙沥青路面和水泥路面优化后的评分都较高,说明外后视镜的振动都有了明显的改善。

3 结束语

本文采用CAE仿真和主观评价相结合的研究方法,对轻型卡车外后视镜进行改进,在上底座刚度薄弱处设计加强筋,使用弹性模量更高的PA6-GF45替换原先的PA6-GF30,同时采用了设计减重孔和减小镜片尺寸的减重方案,将外后视镜的1阶模态从原来的15.6 Hz提高到了20.4 Hz,从而避开路面激励,降低了外后视镜的振动风险,经过实车测试验证了改善方案的可行性。本文研究了外后视镜自身结构、材料对外后视镜振动的影响,而如何通过调整车门钣金结构提高车门系统模态以减少对外后视镜振动的影响有待进一步研究。