汽车外后视镜振动失效分析及优化设计

勾玉涛，刘景亮，李爽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

汽车外后视镜振动失效分析及优化设计

勾玉涛，刘景亮，李爽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

为提高汽车外后视镜成像稳定性，对其进行振动失效分析，利用镜片、镜托架及转向器等为基本元素建立两自由度振动仿真系统，应用MATLAB软件绘制镜片质心铅垂运动及绕质心俯仰运动的固有振型图。通过改变系统参数，调整后视镜振动幅值，最终优化其振动范围符合机动车视野要求，确保对驾驶状态变更判断的准确性。

后视镜；振动分析；视野；优化

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

引言

汽车后视镜是驾驶员用来观察后方信息，确保安全行驶的重要装备。据统计，在我国由于后视镜缺陷造成的交通事故约占交通事故总数的30%，在美国为20%，而在高速公路上更是高达70%[1]。国家强制性法规GB-15084-2013《机动车辆后视镜的性能和安装要求》中6.1.2中规定“后视镜固定方式应使它不致移动而明显改变其视野区域，或因振动而使驾驶员对图像产生错觉”[2]。目前，国内外对后视镜的研究多是利用CAE分析，通过提高其固有频率，来改善振动过大问题。文献[3]中，基于ABAQUS，对汽车后视镜视野稳定性仿真分析，证实CAE分析手段把控后视镜振动风险的切实可行性。文献[1]中，利用ANSYS 软件对汽车后视镜进行模态分析，通过结构优化，提高固有频率，降低后视镜振动风险。但增加的后视镜固有频率越接近外界激励频率时，反而易造成系统因发生共振而振动幅度增加。

本文针对某型车在一定车速时，后视镜抖动而影响驾驶员观测信息准确度的问题，对其进行振动失效分析。利用镜片、镜托架及转向器等为基本元素建立两自由度振动系统。确定镜片质心的铅垂运动及绕质心俯仰运动的固有频率和固有振型，通过改变系统参数调整镜片振动幅值，最终优化其振动幅度符合机动车视野要求，并提出优化建议。

1、后视镜振动因素分析

表1 后视镜固有频率与车速转化对照表

根据表1，转化频率与实测固有频率的频率误差基本为3.56%，以此判断此经验公式具有很高的可信度。并通过测试结果可得，如车速为100.0km/h，后视镜接收的外界激励频率约为40.0Hz，其基本与此型号后视镜固有频率接近，此时后视镜已发生共振，振动幅度达到最大，造成成像模糊。

2、模型建立与分析

2.1 模型建立

后视镜振动是一个复杂的多自由度系统振动问题，而转向器作为镜片调节的最终执行机构，振动特性的好坏将最直接影响镜片的振动程度。如果只考虑镜片在转向器上的上下振动和俯仰运动，可以把后视镜简化为两自由度振动系统[6]。简化模型如图1所示：

图1 后视镜3维断面图

振动模型以镜片质量中心C为基准，转向器简化为模型中弹簧及阻尼器，假设镜片及镜托板整体质量为m，绕质心回转半径为ρ，转向器与镜托板左端卡接处离质心的距离为l1，右端离质心的距离为l2，系统刚度及阻尼如图2所示，分别为k1，c1，k2，c2。

图2 两自由度振动系统

取质心C的铅垂向坐标x和绕横向水平质心轴的转角θ为广义坐标。设在某瞬时t，质心C相对于静平衡位置向下位移x，镜片有仰角θ，则左右弹簧长度将分别改变(x−l2θ)与(x+l1θ)，由牛顿运动定律：

系统受力平衡得振动微分方程：

2.2 模型系统振动分析

根据实际测量及设计标准[7]，系统参数赋值如表2所示：

表2 系统参数赋值表

在系统参数中，先以刚度值的大小来判定对系统振动的影响，所以在此设刚度k1和k2为变量，根据设计规范，在刚度可操作范围内赋值其变化在100(N/m)到400（N/m）之间。将各参数分别代入式（1.8），应用MATLAB软件进行仿真，得系统因刚度k1和k2变化，固有频率ω1和ω2的变化情况如图3、图4所示：

图3 固有频率ω1变化曲面图

图4 固有频率ω2变化曲面图

随着刚度k1和k2的不断增加，系统的固有频率ω1和ω2也越来越大，此趋势可知固有频率与系统刚度之间成正比关系。本文讨论故障车发生视野模糊时车速约为100.0km/h左右，为模拟实际行车状态，根据上文提到的车速与后视镜接收频率转换关系，特赋值激励频率ω为40.0Hz。

将系统参数分别代入式（1.5）、式（1.6）后得振动系统因刚度k1和k2引起的X（ω）和Θ（ω）振幅变化情况，分别如图5、图6所示：

图5 X(ω)振型变化情况

图6 Θ(ω)振型变化情况

由图可知，随着刚度k1和k2的不断增加，系统振幅整体上都呈现先增加后降低趋势。只有当刚度接近250N/m时，即此参数下系统的固有频率接近外界激励频率时，X(ω)下降至最低点，Θ(ω)到达峰值。直至刚度的变化对振型的影响慢慢变小。

至此易知，调整后视镜内部结构刚度时，不是一味的增加刚度就对减少振动幅度都有利，因提高刚度使系统固有频率增加，当其接近外界激振频率时，反而造成系统因发生共振而振动幅度增加的潜在危险。

3、振动系统的应用及优化

根据国家法规标准[2]，将后视镜总成安装于等同实际装配状态，振动加速度调至0.5g（据此，在上文中激振力F1和F2大小选取为5N）。启动振动台，缓慢的将振动频率从20Hz调至100Hz，测试白板与后视镜镜片的距离L为1.72m，并规定光源和镜片平面的法线夹角为Q[8](Q取20°)，后视镜振动试验原理简图如图7所示：

图7 后视镜振动试验原理简图

法规中规定白板上光斑d浮动范围在相应激励频率下不应超过相应上限值，即只能停留在区域A范围内为符合法规要求，振动特性曲线上限值如图8所示：

图8 振动特性曲线上限值

模拟振动试验原理，分别分析镜片的铅垂及俯仰运动对测试白板上d值的变化，如图9所示，Θ(ω)从平衡位置1到位置2逆时针旋转时，接收光斑向右移动。反之，镜片顺时针旋转时，接收光斑向左移动。

图9 俯仰运动对测试范围的改变

如图10所示，X(ω)由位置1到位置3向上振动时，接收光斑向右移动。反之，光斑向左移动。

图10 铅垂振动对测试范围的改变

镜片做顺时针、逆时针俯仰运动，对测试范围d的影响d11和d12通过计算分别得：

镜片做向上、向下铅垂运动对测试范围d的影响d21和d22通过计算化简后分别得：

易知接收光斑向左、向右移动最大值d左、d右分别为质心向下运动与逆时针俯仰运动的组合和质心向上运动与顺时针俯仰运动的组合，通过线性叠加分别得：

d左和d右线性叠加得特定系统参数与外界激励频率下光斑d的变化值，简化后得：

将式(1.5)、(1.6)代入式(2.3)中，得到关于k1和k2变化引起d变化的三维振动特性曲面，如图11所示。其等高线，如图12所示：

图11 d值变化的三维振动特性曲面

图12 d值变化的等高线

根据其三维振动特性曲面可以看出，在中心红色部位为振幅变化最大处，法规要求，在40.0Hz的激励频率下，光斑d的最大波动范围不应超过8mm，但根据等高线可以容易的在刚度可调整的范围内，沿其外部等高线，选取任意刚度组合优化后视镜振动效果。如图12所示，我们可以选取等高线小于或等于线7上的任意k1和k2组合，合理有效的解决因刚度调整不合理反而增加系统振动幅度的不利影响，将后视镜振动控制在法规规定范围内。

改变系统刚度的方法有很多，如转向器选用蜗轮蜗杆式结构，镜托板增加加强筋等。文献[9]，就分析了通过选用不同材料如何改变后视镜系统刚度。

4、结论

通过使用两自由度有阻尼振动系统的模型，基于国家法规测试标准，提出了如何合理的设计系统刚度，并给出优化方案及建议。此模型及理论同样适用于将刚度设为定值，系统阻尼、回转半径等其他参数设为变量，来调整后视镜振动特性，寻找其它参数的最优解。

（1）本文把后视镜简化为两自由度有阻尼振动系统，简化了后视镜振动问题的分析及求解。

（2）基于国家法规测试标准，特别针对如何合理的选择系统刚度值做了深入分析并给出优化建议。

（3）类比刚度值的分析，使用此模型及理论，同样可得出其它系统参数的最优解。

（4）本文在后视镜的开发前期，如何得到降低振动风险后的最优系统参数具有很高的指导意义。

[1] 面何文涛,刘淑梅,刘汉武,等.汽车后视镜有限元分析及结构优化设计[J],上海工程技术大学学报,2014,28(2):124-127.

[2] GB 15084—2013,机动车辆 间接视野装置性能和安装要求[s],2013,全国汽车标准化技术委员会.

[3] 葛如海，高宏范.基于ABAQUS的汽车后视镜视野稳定性仿真分析[J],重庆交通大学学报，2013,32(1):143-146.

[4] 赵婷婷.汪霞，王昌富.基于频率响应法的后视镜振动光学稳定性优化[J],汽车技术,2014,12(2);9-10.

[5] 息玲玲,刘鹏,姜岩,等.汽车上外后视镜结构性能研究[C]//上海，Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集,2012.

[6] 张义民.机械振动[M],北京,清华大学出版社,2007；78-109.

[7] Hwang K H，Lee K W. Optimization of an automobile rearview mirror for vibration reduction[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization,2001,21(4):300-308．

[8] 李生泉.吴明亮.一种关于外后视镜抖动产生机理的研究方法[J],机械制造,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

勾玉涛，就职于华晨汽车工程研究院。