基于瞬态冲击的汽车前照灯调光电机优化设计

冯洋，李庆忠，裴罗特， 钱善华

(1. 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 艾默林汽车活动照明组件(无锡)有限公司，江苏 无锡 214000)



基于瞬态冲击的汽车前照灯调光电机优化设计

冯洋1，李庆忠1，裴罗特2， 钱善华1

(1. 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 艾默林汽车活动照明组件(无锡)有限公司，江苏 无锡 214000)

摘要：以汽车前照灯调光电机为研究对象，通过ANSYSWorkbench软件建立有限元模型。对调光电机部件进行非线性接触设置，采用完全法对其进行瞬态冲击分析，并对主要部件球头杆进行优化设计。计算结果表明，该方法有效、可行，优化后模型的主要部件球头杆的应力降低了24.75%，提高了调光电机球头杆的机械强度。

关键词：汽车；照明；调光电机；瞬态冲击；非线性；优化设计

0引言

汽车前照灯被国家列为汽车的安全部件之一，而调光电机作为汽车前照灯的一部分，是前照灯满足照明要求，确保夜间车辆行驶安全的重要部件之一。根据强制性标准GB4785-2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》的要求，近光前照灯必须安装调光装置，并明确了调光电机在灯具上必须强制安装[1]。

目前，国内对汽车前照灯系统的结构静动态特性研究较少，国外对汽车前照灯系统静动态特性有所研究。Schrader[2]对前照灯外壳的振动试验进行了仿真研究，提出了对大灯外壳单个部件应力的动态分析方法。Yeon[3]等对随向转动前照灯的连接耦合部件的动态特性进行了仿真研究，研究表明建立前照灯的柔性模型可以模型出非线性连接部件的振动疲劳寿命，但是对前照灯系统内调光电机结构的动态特性及优化设计研究较少。调光电机通过球头卡扣与近光反光镜连接，在车辆行驶过程和产品运输过程中受到来自路面不平度的激励时，受到瞬态冲击力，有可能导致调光电机传动部件球头杆的断裂，因此增加调光电机的球头杆强度尤为重要。

实际汽车部件的动力学系统多数属于非线性系统[4],要考虑零件之间的非线性接触，才能准确的求解出大变形条件下零件在装配体中的受力。本文建立了调光电机的有限元模型，以球头杆的实际所受瞬态冲击力作为载荷边界条件，根据实际情况为调光电机添加了约束边界，设置调光电机部件之间的非线性接触，对其进行了基于瞬态动力学的多目标多尺寸的优化设计。

1建立调光电机三维实体模型

利用CATIA软件，对调光电机组件按照实际尺寸进行三维实体参数化建模。调光电机由外壳、电动机、二阶齿轮、大齿轮、球头杆、PCB板等部件组成。在车辆行驶过程和产品运输过程中，调光电机内电动机、二阶齿轮、PCB板等部件对球头杆的受力影响较小，为提高计算效率，将以这些部件省略，调光电机三维实体模型如图1所示。

1—外壳；2—大齿轮；3—球头杆图1　调光电机实体模型

2建立调光电机有限元模型

根据实际情况对调光电机部件之间的接触进行设置。调光电机外壳之间通过卡扣连接在一起，设置为绑定接触。大齿轮与球头杆之间是内外螺纹连接，为方便求解，简化成绑定接触。大齿轮与外壳之间存在间隙，在受力过程中部分接触外壳，设置为无摩擦非线性接触。球头杆与外壳之间设置为无摩擦非线性接触。有限元法能够很好的模拟冲击力学特性，网格细化、细节模拟有助于深化研究[5]。对外壳主体部分采用自由网格划分。球头杆是载荷施加部件，与球头杆接触的外壳凸台和大齿轮的应力较大，因此要对球头杆、外壳凸台、大齿轮及它们之间的接触进行网格细化，单位大小为0.2mm，以保证计算结果的准确性。有限元网格划分单元数和节点数分别为1335667和1915821。

调光电机凸出的前端通过支架与前照灯外壳固定，上下表面与外壳直接配合固定。因此，将调光电机与支架、外壳连接的表面固定。外部载荷根据企业瞬态冲击力试验标准，在球头杆的球头处施加10N的力，方向垂直于调光电机上平面向下。调光电机约束方式和瞬态冲击力加载方式如图2所示。

图2　调光电机约束边界条件和载荷边界条件

3调光电机瞬态动力学分析

完成调光电机的边界条件设置，载荷施加后，设置时长为0.1s，步长为50步，最小子步为5步，最大子步为500步，对调光电机进行瞬态冲击分析，如图3所示瞬态冲击迭代可以收敛。

图3　迭代计算收敛图

调光电机是有限元分析的主体。调光电机外壳凸台倒角处是容易发生应力集中的地方。球头杆是有限元分析的主要部件，在外部载荷作用下产生弯曲形变，在实际过程中发生螺纹末端应力集中断裂。如图4所示，最大应力处于外壳的卡扣处，球头杆与外壳接触，受载荷作用力的方向偏移，力传递到外壳上，导致外壳卡扣处的最大应力为45.64MPa。外壳凸台倒角处应力为15.4MPa。球头杆最大等效应力为13.21MPa。球头杆断裂处最大轴向正应力为4.31MPa。

图4　调光电机应力云图

4球头杆的优化设计

4.1　优化尺寸选择

针对球头杆选取如图5所示的两个尺寸,P1为导向肋的缩短长度，P2为导向肋下柱体的长度。改变这些优化尺寸只对中间结构进行局部修改，不会改变整体尺寸，因此符合设计的思路。另一方面，这些尺寸是相对独立的，优化过程中不会导致再生失败，因此可以实现尺寸优化[6]。优化尺寸的初始值和变化范围如表1所示。

图5　优化设计变量

表1　设计变量参数表　　　　mm

4.2　优化目标选择

优化设计的目标是以不增加调光电机外壳卡扣处应力为前提，降低球头杆对外壳凸台倒角处的应力和球头杆断裂处的应力，增强球头杆的强度。因此选择调光电机应力、外壳凸台倒角处的应力、球头杆的等效应力和球头杆断裂处轴向正应力作为优化目标。

4.3　优化尺寸灵敏度分析

优化尺寸灵敏度分析是通过一定的数学方法和手段，计算出各个目标应力随优化尺寸变化的灵敏度，从而选择对应力影响较大的尺寸。基于Six Sigma的判定原则，利用全局变量法来确定哪些尺寸对调光电机的应力有较大影响，以便完成全局灵敏度分析。通过迭代，2个尺寸对目标应力的影响因子如图6所示[7]。

图6　优化尺寸灵敏度分析

图6中优化尺寸的灵敏度为正值，表示当这个尺寸增大时，目标函数的值会响应的增大。同样的，尺寸的灵敏度为负值，表示当这个尺寸减小时，目标函数的值会相应的减小。通过对图的分析，可以看出P1、P2对目标函数的影响因子都比较大，因此选用这两个尺寸对调光电机进行最终的尺寸优化。

4.4　尺寸优化及结果分析

在调光电机外壳卡扣处的应力≤45.642MPa作为约束的前提下对球头杆进行尺寸优化。优化后的尺寸P1为1.8，P2为1.3。按照优化尺寸对模型进行再生，对模型进行瞬态动力学分析，分析结果如图7所示。优化前后目标函数的应力值对比如表2所示。

图7　优化后的调光电机应力云图

表2　优化前后有限元分析结果对比　　　MPa

从表2可以看出，优化后的外壳凸台倒角处的应力、球头杆的等效应力和球头杆断裂处轴向正应力均有所降低，优化后调光电机的球头杆机械强度性能得到了显著提高。

5结语

为解决汽车前照灯调光电机在车辆行驶过程和产品运输过程中受到来自路面不平度的激励导致传动部件球头杆断裂的问题，对调光电机进行瞬态冲击动力学分析，并对其传动部件球头杆结构进行了优化设计，主要结论如下：1) 建立调光电机的非线性有限元分析模型，采用完全法能够模拟调光电机所受的瞬态冲击力，计算能够收敛求解出部件的动力学响应。2) 基于瞬态冲击对球头杆尺寸进行优化，得到了最优解。优化后的模型在保证不增加调光电机卡扣应力的前提下，提高了调光电机的球头杆机械强度性能，达到了预期效果。

参考文献:

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定GB4785-2007[S]. 北京：中国标准出版社,2007.

[2] Yeon Gyoo Lee, Seungryul Choi, Tae Ryong Jeon. Vibration Fatigue Analysis of Adaptive Front Lighting System[A]. SAE-China and FISITA (eds.). Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress [C]. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, 1401-1410.

[3] Curt D. Schrader, Dynamic Structural Simulation of the SAE J577 Vibration Test [C]. 2006 SAE World Congress. Detroit, Michigan. 2006(1): 0488.

[4] 刘峰，等. 速驱动轴运动学和动力学仿真及试验分析[D]. 吉林：吉林大学. 2004.

[5] 丁峻宏，宋雅丽，王惠，等. 大规模柴油机动力学抗冲击并行仿真计算[J]. 振动与冲击，2014(2)：163-167.

[6] 周孜亮，王贵飞，丛明. 基于ANSYS Workbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术，2012(3)：18-20.

[7] Ming Cong, Tao Han, Qiang Zhao. Fuzzy Multi-Objective Optimization of Sliding Rack Based on Six Sigma and Goal Driven [C]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, Wuhan, China, 2010(6): 556-559.

Optimization Design of Leveler of Headlamp Based on Transient Shock

FENG Yang1, LI Qing-zhong1,PEI Luo-te2, QIAN Shan-hua1

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;

2. AML Automotive Active Modules Lighting (Wuxi) Co.,Ltd., Wuxi 214000, China)

Abstract:Finite element model of leveler of front headlamp is established in ANSYSWorkbench. The nonlinear contact between components of leveler is set, transient shock is simulated via full method and the main components are optimized. The result verifies the effectiveness and feasibility of this method and shows that the stress of optimized shaft is reduced by 24.75% and the strength of the leveler is improved.

Keywords:outomlbile; lighting; leveler; transient shock; nonlinear; optimization design

中图分类号：O347.3;TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0082-04

作者简介：冯洋(1990-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：机械动力学及机械优化设计。

收稿日期：2014-11-04 2014-12-05