基于ANSYS的汽车遮雨装置的设计研究

欧阳婧璇，寇 允，王 淦，高靖萱，郭千楚，徐华东

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

在我国人口老龄化加速，老年人出行问题受到越来越多关注的情况下，老年代步车从根本上提升了老年人的出行质量，深受老年人欢迎[1]。当前老年人的知识结构、日常行为需求和生活水平较之以往有很大变化，这类用户对于驾驶体验的要求越来越高[2]。为进一步优化老年电动代步车相关设计，进一步下雨天提高老年人的行车舒适感，智能遮雨装置的设计和研发尤为重要。

目前，许多研究者设计出了具有特定功能的智能汽车遮雨装置。梁爽[3]等设计了一款可以自动收缩的汽车遮雨行李架，实现在下雨时通过开关能够打开遮雨器起到保护行李的作用。张丹[4]设计了一种新型公共汽车遮雨棚，通过车门开关传感器带动安装在公共汽车车门上方的折叠遮雨棚运作，提高出行舒适感。李成铭[5]设计了一种汽车遮雨装置，通过遮雨板对汽车前挡玻璃进行遮挡，有效保证了驾驶员雨天出行时的良好视野。

综合上述国内研究，各汽车遮雨装置都能够较好的实现其特定功能。然而传统的汽车遮雨设备，无法满足在雨天时，对老年人打开车门后进行遮雨，这会使得雨水滴落到老年人的身上，给老年人带来不便。因此，设计一种安装在老年电动代步车上的汽车遮雨装置[6]对提高老年人的行车舒适感具有重要意义。

1 汽车遮雨装置结构

1.1 样车数据采集

根据山东迈巴车业生产的迈巴X系列X3老年代步车，研究样车原来的车顶功能，测量样车数据，作为边界数据。如表1所列。

表1 样车及三维模型边界数据 /mm

1.2 结构设计

驱动方式：电机驱动。考虑到该装置翻转力矩不大，且电源易提供，故采用电机驱动方式。

遮雨方式：两块智能翻转板。各板都带有太阳能电池板对蓄电池充电，绿色环保。

安装方式：强力吸盘。考虑到老年电动代步车车速不高，且体积不大，行驶阻力小，故采用带有高低调节装置的强力吸盘吸附在车顶，且不对车体造成损害。

1.3 设计思路

汽车遮雨装置的总体方案布局主要由控制器、驱动组件以及遮雨结构三部分组成。其总体方案布局如图1所示。

图1 汽车遮雨装置总体方案布局

控制器设有无线通信模块，并与控制系统、雨量压力传感器电连接。控制器获得开启指令后，即接收到控制系统的汽车解锁信号以及雨量压力传感器检测到有雨水的信号后，控制驱动组件开启。驱动组件通过电机驱动遮雨结构自汽车顶部收纳位置向最大伸展位置移动，即电机驱动翻转轴，使得太阳能翻转板向外翻转，当太阳能翻板移动至最大伸展位置时，驱动组件停止工作。同理，也可控制遮雨结构从最大伸展位置向汽车顶部收纳位置移动，从而实现遮雨装置的开闭。

1.4 三维模型构建

根据设计参数，运用三维建模软件Solidworks构建汽车遮雨装置遮雨结构的三维模型。如图2。

图2 汽车遮雨结构的三维模型1.主框架 2.翻转轴 3.吸盘 4.垫块 5.太阳能翻板 6.电机

2 ANSYS静力学分析

目前，将ANSYS分析应用于汽车遮雨装置设计的文献较少，针对这一领域进行研究，并对其中的主要承重结构和主要连接构件进行分析，得到满足特定功能且符合国家生产标准的汽车遮雨装置设计。

为保证主框架的承重能力及稳定性，避免出现应力集中、断裂等现象，对主框架进行静力学分析，掌握装置应力集中的分布区域，对确保汽车遮雨装置的安全性十分重要。同时，翻转轴是汽车遮雨装置中连接太阳能翻板和电机的主要部件。电机通过翻转轴将动力传递给太阳能翻板，而太阳能翻板又是遮雨装置中最重要的工作部分，因此翻转轴的强度和寿命对装置的性能影响极大，所以对翻转轴进行强度分析同样具有重要意义。

ANSYS软件作为一种广泛应用CAE软件，应用有限元法可以进行结构分析、热力学分析、电磁学分析、流体分析等多种分析。通过ANSYS软件的应用，可以大大缩零件的设计周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发[7]。

2.1 主框架应力分析

2.1.1 主框架的有限元模型

将汽车遮雨装置三维实体模型导入到ANSYS软件中进行有限元分析。主框架材料选用性能较好的45号钢，其弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.27，屈服极限σs=355 MPa,安全系数选用ns=1.8，则许用应力大小为[σ]=σs/ns=197.22 MPa[8]。根据汽车遮雨装置模型的特点，采用高阶3维20节点的Solid 186对本装置进行网格自由划分。

2.1.2 载荷及边界条件的设定

在标准状态下根据基本风速计算基本风压的公式可得:

ω0=v02/1600

(1)

式中：ω0为基本风压；v0为基本风速

取此工况下v=45 km/h，由式(1)计算得出此时风压为77.16 Pa。

根据汽车遮雨装置的安装位置和作用效果，将四个支腿限制XYZ方向的位移，在宽度方向迎风面施加100 Pa的压力。

2.1.3 仿真结果分析

将载荷和边界约束条件施加于模型之后，运用ANSYS中的Static Structural模块求解,得到主框架在此工况下的位移及应力分布云图，如图3、4所示。

图3 主框架变形位移云图 图4 主框架等效应力云图

由图3可知，主框架最大变形量为0.233×10-3mm，出现在宽度方向迎风面中间位置；由图4可知，主框架在前支腿后方应力最大。最大应力为0.034 MPa<[σ]=197.22 MPa，此位置应对其加固处理。

有限元分析结果表明，在刚度方面，汽车遮雨装置主框架的整体变形最大量只有0.233×10-3mm，基本无变形，满足设计要求；在强度方面，主框架在该工况下最大应力为0.034 MPa，远小于许用应力[σ]=197.22 MPa，满足了刚度要求。

2.2 翻转轴应力分析

2.2.1 翻转轴的有限元模型

该汽车遮雨装置的翻转轴材料，同样选用性能较好的45号钢，根据翻转轴的特点，采用高阶3维20节点的Solid 186对本装置进行网格自由划分。

2.2.2 载荷及边界条件的设定

翻转轴主要承受来自本侧太阳能翻板的重力，该装置太阳能翻板采用的是单晶硅材料，重力约为86 N。根据式(2)，翻转轴所受力矩为43 N·m，电机扭矩T约为65 N·m。

M=G1·L

(2)

根据翻转轴的工作特点在其两端进行Y和Z方向限制位移，在其表面施加70 N·m的扭矩。

2.2.3 仿真结果分析

将载荷和边界约束条件施加于模型之后，运用ANSYS中的Static Structural模块求解,得到旋转轴在此工况下的位移及应力分布云图，如图5、6所示。

图5 翻转轴变形位移云图 图6 翻转轴等效应力云图

由图5可知，翻转轴最大变形量为0.158 mm，出现在翻转轴的中间位置；由图6可知，翻转轴应力主要集中在两端轴承部分，最大值为64 MPa，满足设计要求。

3 结 语

设计了一种安装在老年电动代步车上的汽车遮雨装置，并利用Solidworks的高级建模功能，在汽车遮雨装置进行参数化建模的基础上，对装置实体模型进行了有限元模型的建立和有限元分析。得出了遮雨装置主要承重装置主框架和主要连接构件翻转轴的等效应力云图以及变形位移图。发现主框架最大变形量为0.233×10-3mm，出现在宽度方向迎风面中间位置，应力主要集中在前支腿后方，最大值为0.034 MPa；翻转轴最大变形量为0.158 mm，出现在翻转轴的中间位置，应力主要集中在两端轴承部分，最大值为64 MPa。

通过ANSYS对汽车遮雨装置进行结构静力学分析，分析结果直观地表示出危险截面位置以及受力变形情况，为后续装置的优化设计提供了理论依据。