大客车后视镜振动性能预测与结构优化

刘旭宇，曾发林，李建康

(江苏大学 a.汽车与交通工程学院； b.汽车工程研究院， 江苏 镇江 212013)

大客车后视镜振动性能预测与结构优化

刘旭宇a，曾发林b，李建康b

(江苏大学 a.汽车与交通工程学院； b.汽车工程研究院， 江苏 镇江 212013)

客车后视镜是驾驶员判断车周路况的重要依据，为提高客车行驶安全性，需采用有限元分析方法计算求解后视镜的动态特性。采用Hypermesh软件对后视镜做约束模态分析，得到系统的各阶固有频率及振型。利用LMS测试软件，通过锤击法测试计算系统的各阶固有频率及振型以验证仿真模型的有效性。仿真与试验结果表明：后视镜在侧向与垂向的抖动较大，且1阶固有频率偏低，在该频率的激励下易产生共振，影响安全性，需将其控制在规定阈值内。因此对传统后视镜进行结构优化并进行模态分析，仿真结果表明，改进后的结构提高了系统的一阶固有频率，很好地降低了共振的危险性，提升了整车的NVH性能。这为今后设计开发后视镜提供了预测，也为提高客车整车NVH提供了依据。

后视镜；模态分析；固有频率；振型；共振

在汽车行驶过程中，路面激励、发动机、加速减速和传动系统的振动都会引起车身振动，会造成外后视镜不同程度的抖动。作为驾驶观察工具，振动对后视镜的影响直接关系到行车安全，严重的抖动会影响驾驶员对车周的视野与操作，从而导致交通安全事故[1]。因此，后视镜的结构设计除了满足相关法规和标准外，还应当着重注意后视镜的振动特性[2-8]。

运用模态分析方法可以确定结构或部件的振动特性，即固有频率和振型，这是后视镜结构设计的重要参数。对后视镜进行适当的动态特性分析，避免在整车工作范围内出现共振，对于提高后视镜的性能、降低整车振动和噪声十分重要[9-13]。

本文对某企业设计的一款后视镜进行模态分析。采用Hypermesh软件对后视镜结构进行网格划分并做约束模态分析，得到后视镜的固有频率和振型，并通过试验模态对仿真模型进行验证。在对后视镜模态分析时发现，该后视镜的低阶固有频率接近发动机怠速工作时的基频，易产生共振[1]。因此，对后视镜进行结构优化，提高其1阶固有频率，以避免在相应的激振频率下产生共振，从而改善客车的NVH性能，也为今后的开发设计提供了预测。

1 后视镜的有限元仿真分析

1.1 后视镜有限元模型的求解

为了分析后视镜的动态特性，必须先建立有限元模型。在后视镜的振动计算中，系统圆频率取决于系统本身的参数M及K，而与初始条件无关。这表明它是系统本身固有的特性，称作固有频率，是振动分析中的一个极为重要的参数。

根据弹性力学有限元法，得到系统振动的运动微分方程为

(1)

本文根据后视镜实际的工作状态，以其一端为参考并将参考端固定，另一端自由，进行约束模态下的动态特性研究。

为讨论系统的固有特性，建立系统的模态模型，即令激励{F(t)}=0。求解系统自由振动的固有频率和振型时，阻尼对它们影响不大，因此阻尼项可以略去，此时无阻尼自由振动的运动方程为

(2)

其对应的特征方程为

(3)

其中pi为结构系统的第i个特征值。

通过进一步计算，得出pi、ri，其中pi称作系统的固有频率，ri称作系统的固有振型或主振型。pi、ri只取决于系统本身的物理属性([M]及[K])，而与外部激励或初始条件无关。系统所做运动称作固有振动或主振动，每一个主振动称作一个模态，pi及对应的ri组成第i阶模态参数[14]。

1.2 后视镜的模态分析

后视镜的模态分析是利用有限元软件提取其固有频率，防止在工作过程中与激振频率相近产生共振而导致后视镜振动继而影响驾驶员观看路况。在对后视镜进行模态分析时，为确保计算结果能真实地反映其模态特性，在有限元软件中固定其一端，模拟后视镜的真实工作状态。

模态分析属于线性分析，因此将单元类型和材料参数定义为线性，采取约束模态来提取后视镜的固有频率。通过对结构的模态分析可以求得动态特性参数，从而评价结构的动态特性是否符合要求，并校验理论计算结果的正确性。

根据模态分析理论，在对后视镜进行模态分析时，往往采用前几阶模态，因为这些低频更接近于发动机的激励频率和路面的激励频率，同时与整车其他相连系统的频率也较接近，更容易产生共振[15]。因此，低阶频率对后视镜动态特性影响最大[16-18]。

在三维建模软件CATIA中画出后视镜的三维模型，如图1所示。

图1 后视镜的几何模型

该后视镜用于12.8 m长的大客车，主要材料为铁，在方管与圆管连接处的关节部位采用铝合金材料来减小振动，其主要用于后视镜的折叠。其中镜子端质量m=3.696 kg。在Hypermesh中划分网格并定义材料、属性、约束和模态阶数，图2为该后视镜的网格模型。与镜子连接处由一段厚度为5 mm的蓝色圆管连接前后两段厚度为3 mm的圆管，此处均采用壳(SHEEL)单元，其余各部件均采用四面体单元，各个部件之间的固定连接采用RBE2单元模拟实际约束。在边界约束施加过程中尽可能模拟后视镜的实际工作状态，即固定其一端，这里采用RBE2单元模拟4个螺栓孔的固定。

根据仿真分析可知，前3阶振型为该后视镜的主要振型，因此对仿真结果只提取前3阶固有频率与振型。后视镜前3阶固有频率及振型见表1及图3。其中以固定端面为基准，由固定端指向后视镜长度方向为X方向；以其安装在客车上的方向为准，后视镜左右方向为Y方向，垂直于后视镜向上为Z方向。

1.固定端；2.方管；3.铝关节；4.圆管1；5.套管；6.圆管2；7.镜子

振型阶次固有频率f/Hz振型描述110．32在XY平面内摆动214．87在XZ平面内摆动336．27绕Z轴扭转

图3 前3阶模态振型

由此看出，后视镜的低阶固有频率较小，尤其是第1阶固有频率f=10.32 Hz。当发动机在怠速(600 r/min)下工作时，其1阶频率与该后视镜的1阶频率较接近，因此易产生共振。这是后文要解决的主要问题。

2 后视镜的试验模态验证

试验模态分析是建立在试验基础上的，所得到的动态特征参数比较符合实际情况(尤其是低阶模态)。因此，在结构动态设计建模中，将试验与计算分析联合应用，使得所建模型较为符合实际结构。

为了模拟后视镜的实际安装，固定夹具采用实际的姿态、方向以及角度。整体坐标系的建立符合右手螺旋定则，X方向设为后视镜前伸方向，Y方向设为乘员左侧水平方向，Z方向设为垂直向上，根据后视镜在车上的实际装配，模拟其约束状态，见图4。

图4 坐标系与实际约束

利用LMS Test.Lab测试软件、美国PCB的ICP三向加速度传感器及力锤，通过锤击法(Impact Test)测试该后视镜的固有频率与振型[19]。选择3个响应点，每个响应点包括X、Y、Z3个方向自由度，布置原则尽量选取刚度比较大的点。各响应点(传感器)布置见图5。

利用LMS中的PolyMAX模块对采集到的数据在频域内进行参数识别，综合所有响应点频响函数FRF计算出后视镜系统的频响函数稳定图，如图6所示。

由图6可以看出：1阶固有频率为10.016 Hz，2阶固有频率为14.828 Hz，3阶固有频率为34.769 Hz。这与在Hypermesh中仿真得到的模态固有频率差值较小，且各阶振型与Hypermesh模态分析仿真一致。

后视镜在安装到客车前，还将装配一些外壳以美化外观。对安装完成的后视镜总成，传感器按原位置布置，测得其频响函数如图7所示。

图5 响应点布置

图6 带镜子时的频响函数

图7 后视镜总成的频响函数

由图中可得，1阶固有频率为9.707 Hz，2阶固有频率为14.668 Hz，3阶固有频率为31.620 Hz，4阶固有频率为36.832 Hz，5阶固有频率为42.877 Hz。该结果与无外壳时固有频率差值较小，由此可得：后视镜的外壳对后视镜固有频率影响不大。

由以上仿真分析与试验模态的结果可知：后视镜的低阶固有频率较小，尤其是第1阶固有频率f=10.32。为了避免镜面抖动严重，在客车的相关规定中，后视镜各阶固有频率应当避免客车的结构频率与客车运行时的频率，以免引起共振。

后视镜属于汽车的安全件，GB15084和ECE R46标准都对其性能进行了强制性要求，但强制性要求中只是对视野、安装及反射率等进行要求，对于振动特性则需要企业依据自己的标准进行考核评价[2]。客车与轿车不同，该企业结合发动机怠速时的基频规定后视镜的1阶固有频率应高于15 Hz。因此，在后视镜的设计与研发中，应考虑改变后视镜的相关参数来提高后视镜的第1阶固有频率。

3 后视镜的结构优化

用模态分析得到的模态参数对有限元模型进行修改，使其更符合实际，从而提高有限元分析的精度，这也是设计产品的主要手段。用模态分析的结果进行结构参数修改，使动态特性达到预定的要求，并使其优化，这也是模态分析的目的之一。

采用仿真分析的方式了解不同结构形式的后视镜振动模态，对后期设计阶段避免振动问题、提高设计质量、节省模具修改的费用都有很大的作用，这使得后视镜开发周期大大缩短。下面从材料刚度和结构形状2个方面对后视镜进行改进，从而提高固有频率。

3.1 后视镜的固有频率与刚度的关系

针对后视镜中间部位的铝关节弯曲较大，与前端的方管处有明显的折弯现象，建议改变该结构材料属性以提高刚度，从而提高整个后视镜的模态值。对该铝关节列举了不同材料进行仿真，得到各种材料下的模态值，见表2。

表2 改变材料后的第1阶固有频率

由仿真数据得到：通过改变材料来改变局部刚度可以改变该后视镜的1阶固有频率。因此在该后视镜设计中，可以采取刚度差距不大的材料，以免出现振型弯曲明显。同时针对模态结果改变局部刚度来改变固有频率，避开与客车其他部位的共振。

在产品设计开发的过程中，若改变材料刚度，将对生产成本造成一定影响。为降低预算，一般在材料选择完成后，通过改变结构形状达到预期效果。

3.2 后视镜的固有频率与结构的关系

1) 方案1

根据后视镜实物，在圆管中间的套管上安装1个侧视镜，厂家设计该套管的另一用途是吸振。为了研究该套管的位置变化对后视镜的模态影响，在其他任何条件不变的情况下，通过改变圆管1和圆管2的长度，以及随之改变的套管的位置，得到该后视镜的固有频率变化。

将套管向上移动，即管1变短，管2变长，此时测得的模态振型与原来的一致，而各阶固有频率均有所增加。若将套管向下移动，即管1变长，管2变短，此时测得的模态振型与原来的一致，而各阶固有频率均有所减小。将3种情况作对比，结果分别如图8和表3所示。

通过分析得知：随着套管的位置变化，该后视镜的固有频率也有变化，但变化幅度较小。具体变化规律可总结为：在其他所有条件不变时，套管沿圆管由上向下位移时，后视镜的固有频率将由大变小。但该结果对提高1阶固有频率效果不大，故该方案不予考虑。

图8 改变套管位置

阶次位置上中下110．8110．3210．05215．5914．8714．24336．4736．2735．96

2) 方案2

在后视镜的1阶振型图中发现，后视镜中间部位的铝关节处振幅较大，尤其与前端的方管处弯曲变形较明显。因此考虑改变该铝关节的结构，如图9所示，将该部件由原先的复杂结构改变为一个形状简易的过渡连接件。

图9 改变铝关节的形状

通过仿真分析得到前2阶的固有频率为：1阶固有频率为17.9 Hz，2阶固有频率为23.3 Hz。

因此，改变铝关节的结构有助于提高1阶固有频率。后期可以考虑将该部位的形状优化，或改变其材料选择刚度更高的材料来提高模态值。

4 结论

1) 通过模态分析，根据振型结果找出结构的薄弱环节，为后视镜的开发设计提供了预测，减小了设计人员的工作周期，也极大地降低了设计成本。

2) 模态分析结果表明，低阶次模态下固有频率相差较小，且固有频率较低，因此易发生共振，干扰驾驶员的视线，继而影响驾驶员对路况的判断，对于驾驶安全性有着重要影响。

3) 为避免第1阶固有频率与发动机怠速时基频接近，通过改进该后视镜的结构、材料及刚度来提高该频率。仿真结果表明所设计的后视镜结构提高了系统的1阶固有频率，有效地避免了共振，很好地降低了危险性，这为今后提高客车整车NVH性能提供了依据。

[1] 陈卫强.中型客车后视镜抖动的分析与改进[J].客车技术与研究,2014( 6):34-36.

[2] 刘元春.基于模态分析的汽车后视镜结构设计[J].汽车工程师,2015(4):35-37.

[3] 张伟，何田，夏兆旺,等.车内后视镜振动特性仿真与实验分析[J].噪声与振动控制,2010(6):105-108.

[4] 王述建.大货车后视镜震动工况原因实测实验及仿真研究[J].研究与开发,2013(6)：43-46.

[5] 熊成晨.微型车高速行驶时后视镜振动研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.

[6] 乔珍，吉佳娜，张学宏.高速行驶外后视镜镜片抖动浅谈[J].工程技术与产业经济,2013(9):95-96.

[7] 方瑞华，徐苏斌.后视镜振动抖动光学性能评价方法研究[J].汽车技术,2007(12):18-20.

[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].研究与开发,2014,52(602)：19-23.

[9] 韩清凯,于涛,孙伟.机械振动系统的现代动态设计与分析[M].北京:科学技术出版社,2010:17-31.

[10] 兰靛靛，张军，黄建,等.基于实验模态分析的外后视镜结构动态修改[J].噪声与振动控制,2008(5):120-131.

[11] 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.

[12] 朱茂桃，何志刚，徐凌,等.车身模态分析与振型相关性研究[J].农业机械学报,2004,35(3)：13-19.

[13] 张立军，余卓平，靳晓雄.汽车整车及零部件试验模态分析测试技术[J].试验与研究,2000(5):37-40.

[14] 张准，汪凤全.振动分析[M].南京：东南大学出版社,1991.

[15] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京：机械工业出版社，2015.

[16] 梁军，赵登峰.模态分析方法综述[J].现代制造工程,2006(8):139-141.

[17] 曹妍妍，赵登峰.有限元模态分析理论及其应用[J].机械工程与自动化,2007(1):73-74.

[18] 龙英，滕召金，赵福水.有限元模态分析现状与发展趋势[J].湖南农机,2009,36(4)：27-45.

[19] 曾发林，阮洋，李建康.基于PolyMAX的汽车驾驶室系统试验模态分析[J].郑州大学学报(工学版),2015，36(3):54-58.

VibrationPerformancePredictionandStructureOptimizationofPassengerVehicleRear-ViewMirror

LIU Xuyua, ZENG Falinb, LI Jiankangb

(a.School of Automotive and Traffic Engineering;b.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Rear-view mirror is an important basis for bus drivers to see the situation around the bus. In order to improve the safety of the automobile in driving, the dynamic properties of rear-view mirror should be simulated and analyzed. The constraint modal analysis of the rear-view was conducted by Hypermesh software, the natural frequencies and mode shapes were got to verify the validity of the simulation model through the impact test of LMS test software. The result indicates that the rear-view mirror has large lateral and vertical vibration and small first natural frequency, which should be controlled within a certain threshold frequency. The structure was optimized based on the result of modal analysis. The simulation result shows that the optimization design improved the first natural frequency and deduced the dangerousness of sympathetic vibration. This provides a prediction for the future design and development of the rear-view mirror as well as a basis to improve the NVH performance for the bus.

rear-view mirror; modal analysis; natural frequencies; mode shapes; sympathetic vibration

2017-09-12

江苏省高校自然科学研究项目(11KJA580001)

刘旭宇(1991—)，女，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事振动与噪声方面的研究，E-mail：1548686739@qq.com。

刘旭宇，曾发林，李建康.大客车后视镜振动性能预测与结构优化[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(12):47-52,77.

formatLIU Xuyu, ZENG Falin, LI Jiankang.Vibration Performance Prediction and Structure Optimization of Passenger Vehicle Rear-View Mirror[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):47-52,77.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.008

U463.85+6

A

1674-8425(2017)12-0047-06

(责任编辑杨黎丽)