基于瞬態(tài)沖擊的汽車前照燈調(diào)光電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮洋，李慶忠，裴羅特， 錢善華

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 艾默林汽車活動(dòng)照明組件(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214000)

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基于瞬態(tài)沖擊的汽車前照燈調(diào)光電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮洋1，李慶忠1，裴羅特2， 錢善華1

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 艾默林汽車活動(dòng)照明組件(無錫)有限公司，江蘇 無錫 214000)

摘要：以汽車前照燈調(diào)光電機(jī)為研究對(duì)象，通過ANSYSWorkbench軟件建立有限元模型。對(duì)調(diào)光電機(jī)部件進(jìn)行非線性接觸設(shè)置，采用完全法對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)沖擊分析，并對(duì)主要部件球頭桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，該方法有效、可行，優(yōu)化后模型的主要部件球頭桿的應(yīng)力降低了24.75%，提高了調(diào)光電機(jī)球頭桿的機(jī)械強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：汽車；照明；調(diào)光電機(jī)；瞬態(tài)沖擊；非線性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

汽車前照燈被國(guó)家列為汽車的安全部件之一，而調(diào)光電機(jī)作為汽車前照燈的一部分，是前照燈滿足照明要求，確保夜間車輛行駛安全的重要部件之一。根據(jù)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB4785-2007《汽車及掛車外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定》的要求，近光前照燈必須安裝調(diào)光裝置，并明確了調(diào)光電機(jī)在燈具上必須強(qiáng)制安裝[1]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)汽車前照燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性研究較少，國(guó)外對(duì)汽車前照燈系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性有所研究。Schrader[2]對(duì)前照燈外殼的振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了仿真研究，提出了對(duì)大燈外殼單個(gè)部件應(yīng)力的動(dòng)態(tài)分析方法。Yeon[3]等對(duì)隨向轉(zhuǎn)動(dòng)前照燈的連接耦合部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，研究表明建立前照燈的柔性模型可以模型出非線性連接部件的振動(dòng)疲勞壽命，但是對(duì)前照燈系統(tǒng)內(nèi)調(diào)光電機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。調(diào)光電機(jī)通過球頭卡扣與近光反光鏡連接，在車輛行駛過程和產(chǎn)品運(yùn)輸過程中受到來自路面不平度的激勵(lì)時(shí)，受到瞬態(tài)沖擊力，有可能導(dǎo)致調(diào)光電機(jī)傳動(dòng)部件球頭桿的斷裂，因此增加調(diào)光電機(jī)的球頭桿強(qiáng)度尤為重要。

實(shí)際汽車部件的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)多數(shù)屬于非線性系統(tǒng)[4],要考慮零件之間的非線性接觸，才能準(zhǔn)確的求解出大變形條件下零件在裝配體中的受力。本文建立了調(diào)光電機(jī)的有限元模型，以球頭桿的實(shí)際所受瞬態(tài)沖擊力作為載荷邊界條件，根據(jù)實(shí)際情況為調(diào)光電機(jī)添加了約束邊界，設(shè)置調(diào)光電機(jī)部件之間的非線性接觸，對(duì)其進(jìn)行了基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的多目標(biāo)多尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1建立調(diào)光電機(jī)三維實(shí)體模型

利用CATIA軟件，對(duì)調(diào)光電機(jī)組件按照實(shí)際尺寸進(jìn)行三維實(shí)體參數(shù)化建模。調(diào)光電機(jī)由外殼、電動(dòng)機(jī)、二階齒輪、大齒輪、球頭桿、PCB板等部件組成。在車輛行駛過程和產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，調(diào)光電機(jī)內(nèi)電動(dòng)機(jī)、二階齒輪、PCB板等部件對(duì)球頭桿的受力影響較小，為提高計(jì)算效率，將以這些部件省略，調(diào)光電機(jī)三維實(shí)體模型如圖1所示。

1—外殼；2—大齒輪；3—球頭桿圖1　調(diào)光電機(jī)實(shí)體模型

2建立調(diào)光電機(jī)有限元模型

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)調(diào)光電機(jī)部件之間的接觸進(jìn)行設(shè)置。調(diào)光電機(jī)外殼之間通過卡扣連接在一起，設(shè)置為綁定接觸。大齒輪與球頭桿之間是內(nèi)外螺紋連接，為方便求解，簡(jiǎn)化成綁定接觸。大齒輪與外殼之間存在間隙，在受力過程中部分接觸外殼，設(shè)置為無摩擦非線性接觸。球頭桿與外殼之間設(shè)置為無摩擦非線性接觸。有限元法能夠很好的模擬沖擊力學(xué)特性，網(wǎng)格細(xì)化、細(xì)節(jié)模擬有助于深化研究[5]。對(duì)外殼主體部分采用自由網(wǎng)格劃分。球頭桿是載荷施加部件，與球頭桿接觸的外殼凸臺(tái)和大齒輪的應(yīng)力較大，因此要對(duì)球頭桿、外殼凸臺(tái)、大齒輪及它們之間的接觸進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單位大小為0.2mm，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元網(wǎng)格劃分單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1335667和1915821。

調(diào)光電機(jī)凸出的前端通過支架與前照燈外殼固定，上下表面與外殼直接配合固定。因此，將調(diào)光電機(jī)與支架、外殼連接的表面固定。外部載荷根據(jù)企業(yè)瞬態(tài)沖擊力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在球頭桿的球頭處施加10N的力，方向垂直于調(diào)光電機(jī)上平面向下。調(diào)光電機(jī)約束方式和瞬態(tài)沖擊力加載方式如圖2所示。

圖2　調(diào)光電機(jī)約束邊界條件和載荷邊界條件

3調(diào)光電機(jī)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

完成調(diào)光電機(jī)的邊界條件設(shè)置，載荷施加后，設(shè)置時(shí)長(zhǎng)為0.1s，步長(zhǎng)為50步，最小子步為5步，最大子步為500步，對(duì)調(diào)光電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)沖擊分析，如圖3所示瞬態(tài)沖擊迭代可以收斂。

圖3　迭代計(jì)算收斂圖

調(diào)光電機(jī)是有限元分析的主體。調(diào)光電機(jī)外殼凸臺(tái)倒角處是容易發(fā)生應(yīng)力集中的地方。球頭桿是有限元分析的主要部件，在外部載荷作用下產(chǎn)生彎曲形變，在實(shí)際過程中發(fā)生螺紋末端應(yīng)力集中斷裂。如圖4所示，最大應(yīng)力處于外殼的卡扣處，球頭桿與外殼接觸，受載荷作用力的方向偏移，力傳遞到外殼上，導(dǎo)致外殼卡扣處的最大應(yīng)力為45.64MPa。外殼凸臺(tái)倒角處應(yīng)力為15.4MPa。球頭桿最大等效應(yīng)力為13.21MPa。球頭桿斷裂處最大軸向正應(yīng)力為4.31MPa。

圖4　調(diào)光電機(jī)應(yīng)力云圖

4球頭桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1　優(yōu)化尺寸選擇

針對(duì)球頭桿選取如圖5所示的兩個(gè)尺寸,P1為導(dǎo)向肋的縮短長(zhǎng)度，P2為導(dǎo)向肋下柱體的長(zhǎng)度。改變這些優(yōu)化尺寸只對(duì)中間結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改，不會(huì)改變整體尺寸，因此符合設(shè)計(jì)的思路。另一方面，這些尺寸是相對(duì)獨(dú)立的，優(yōu)化過程中不會(huì)導(dǎo)致再生失敗，因此可以實(shí)現(xiàn)尺寸優(yōu)化[6]。優(yōu)化尺寸的初始值和變化范圍如表1所示。

圖5　優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

表1　設(shè)計(jì)變量參數(shù)表　　　　mm

4.2　優(yōu)化目標(biāo)選擇

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是以不增加調(diào)光電機(jī)外殼卡扣處應(yīng)力為前提，降低球頭桿對(duì)外殼凸臺(tái)倒角處的應(yīng)力和球頭桿斷裂處的應(yīng)力，增強(qiáng)球頭桿的強(qiáng)度。因此選擇調(diào)光電機(jī)應(yīng)力、外殼凸臺(tái)倒角處的應(yīng)力、球頭桿的等效應(yīng)力和球頭桿斷裂處軸向正應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)。

4.3　優(yōu)化尺寸靈敏度分析

優(yōu)化尺寸靈敏度分析是通過一定的數(shù)學(xué)方法和手段，計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)應(yīng)力隨優(yōu)化尺寸變化的靈敏度，從而選擇對(duì)應(yīng)力影響較大的尺寸。基于Six Sigma的判定原則，利用全局變量法來確定哪些尺寸對(duì)調(diào)光電機(jī)的應(yīng)力有較大影響，以便完成全局靈敏度分析。通過迭代，2個(gè)尺寸對(duì)目標(biāo)應(yīng)力的影響因子如圖6所示[7]。

圖6　優(yōu)化尺寸靈敏度分析

圖6中優(yōu)化尺寸的靈敏度為正值，表示當(dāng)這個(gè)尺寸增大時(shí)，目標(biāo)函數(shù)的值會(huì)響應(yīng)的增大。同樣的，尺寸的靈敏度為負(fù)值，表示當(dāng)這個(gè)尺寸減小時(shí)，目標(biāo)函數(shù)的值會(huì)相應(yīng)的減小。通過對(duì)圖的分析，可以看出P1、P2對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響因子都比較大，因此選用這兩個(gè)尺寸對(duì)調(diào)光電機(jī)進(jìn)行最終的尺寸優(yōu)化。

4.4　尺寸優(yōu)化及結(jié)果分析

在調(diào)光電機(jī)外殼卡扣處的應(yīng)力≤45.642MPa作為約束的前提下對(duì)球頭桿進(jìn)行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后的尺寸P1為1.8，P2為1.3。按照優(yōu)化尺寸對(duì)模型進(jìn)行再生，對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)的應(yīng)力值對(duì)比如表2所示。

圖7　優(yōu)化后的調(diào)光電機(jī)應(yīng)力云圖

表2　優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果對(duì)比　　　MPa

從表2可以看出，優(yōu)化后的外殼凸臺(tái)倒角處的應(yīng)力、球頭桿的等效應(yīng)力和球頭桿斷裂處軸向正應(yīng)力均有所降低，優(yōu)化后調(diào)光電機(jī)的球頭桿機(jī)械強(qiáng)度性能得到了顯著提高。

5結(jié)語(yǔ)

為解決汽車前照燈調(diào)光電機(jī)在車輛行駛過程和產(chǎn)品運(yùn)輸過程中受到來自路面不平度的激勵(lì)導(dǎo)致傳動(dòng)部件球頭桿斷裂的問題，對(duì)調(diào)光電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)其傳動(dòng)部件球頭桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：1) 建立調(diào)光電機(jī)的非線性有限元分析模型，采用完全法能夠模擬調(diào)光電機(jī)所受的瞬態(tài)沖擊力，計(jì)算能夠收斂求解出部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。2) 基于瞬態(tài)沖擊對(duì)球頭桿尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到了最優(yōu)解。優(yōu)化后的模型在保證不增加調(diào)光電機(jī)卡扣應(yīng)力的前提下，提高了調(diào)光電機(jī)的球頭桿機(jī)械強(qiáng)度性能，達(dá)到了預(yù)期效果。

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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

中圖分類號(hào)：O347.3;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0082-04

作者簡(jiǎn)介：馮洋(1990-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械動(dòng)力學(xué)及機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。

收稿日期：2014-11-04 2014-12-05