刘元春

（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心）

在汽车行驶过程中，路面激励、发动机和传动系统的振动都会引起车身振动，可能造成后视镜不同程度的抖动。严重的抖动会造成后方视野不清，导致驾驶员因判断失误进而引发交通事故。因此，后视镜除了满足有关法规和标准要求，合理选择曲率半径、镜面大小及安装位置外，必须注意后视镜的动态特性。文章主要对后视镜的结构形式与振动模态分析结果进行研究。

1 后视镜的分类及基本特性

汽车的后视镜应使驾驶员具有良好的后视野，能根据各种身高坐姿的驾驶员视野要求进行适应性调节[1]，并且不应产生严重的影像失真。按安装位置分为内后视镜和外后视镜。

内后视镜安装在驾驶员的上方位置，主要为驾驶员提供正后方的视野。内后视镜为镀铝平面镜，其反射率＞80%，失真率＜3%。

外后视镜一般安装在左右前车门前部，主要为驾驶员提供左右后方的视野，为此外后视镜的镜片制成球面镜。镜面的曲率半径为（1 400±200）mm，失真率＜3%。反射面镀层有2种：一种为镀铝镜，其反射率＞80%；另一种为镀铬镜，其反射率为（50±5）%。

2 后视镜的结构特点

2.1 内后视镜的结构特点

内后视镜主要由镜壳本体和镜杆两部分构成，镜杆部分与前风挡玻璃或车身顶盖前端连接。图1和图2分别示出安装在前风挡玻璃上和安装在顶盖前端的内后视镜。

根据2种安装位置可知，导致内后视镜振动的振动源就是风挡玻璃和车身顶盖。安装在风挡玻璃上的内镜更牢固，因为本身风挡玻璃传递的振动较小，而且安装在风挡玻璃上的内镜在满足视野法规的情况下镜杆更短，振幅传递路径更短，振动就更小。经过振动试验验证，在同一汽车上安装2种内镜，在怠速工况下，前风挡上粘贴的后视镜在x和y方向上的振动明显小于安装在顶盖前端的后视镜的振动，而在z方向上的振动与安装在顶盖前端的后视镜z方向上的振动差别不是很大；在缓加速工况下，前风挡上粘贴的后视镜在x方向上的振动在1 000～6 000 r/min范围内均小于安装在顶盖前端的后视镜的振动，而在y和z方向上的振动在1 000～6 000 r/min范围内与安装在顶盖前端的后视镜y和z方向上的振动差别不大。

2.2 外后视镜的结构特点

外后视镜与车身连接一般为三点式，螺柱与螺栓连接安装，图3示出外后视镜上的三点式连接螺柱。

外后视镜总成结构，如图4所示。镜片分总成由镜片和镜托板组成，采用卡接和粘接连接，通过镜托板连接到转向器上，转向器再通过螺钉安装在基板上，基板固定于镜壳上，镜壳通过基板与转轴连接带动镜壳的转动，转轴又通过螺钉连接在固定座分总成上，3个车身连接螺栓预埋或安装在外后视镜固定座分总成上，有的外后视镜固定座分总成内部带金属固定支架与车身连接。

决定外后视镜振动模态的主要影响结构是基板和固定座分总成的强度。有的固定座分总成内部不带金属固定支架，采用塑料一体结构，如图5所示。为提高固定座本体强度，一般采用内部布置加强筋。

3 外后视镜结构的有限元模型描述

3.1 外后视镜有限元分析概述

由于汽车行驶工况的复杂性及随着车速变化引起的轮胎不平衡等因素，使得传到后视镜的激励力在一个频率范围内变化，为了保证外后视镜的振动在国家及企业标准内，要对其固有频率进行控制，避免行驶中发生共振。企业对后视镜的设计规范中，要求进行固有频率测定。利用加速度传感器布置在后视镜及车身上，对后视镜施加激振打击，通过40通道模态信息采集器测定后视镜的固有频率。评定标准为：外后视镜固有频率必须≥40 Hz。

采用有限元分析的主要目的是在设计阶段解决性能问题，缩短开发时间，节省试验和后续设计变更带来的费用。前处理软件使用HyperMesh10.0，求解器使用Nastran，后处理软件使用 HyperView10.0[2]。

3.2 带金属固定支架形式的外后视镜模态

后视镜使用2阶实体单元模拟，基本单元尺寸为5 mm。镜座护罩、转向灯总成、转向电机和弹簧采用集中质量单元进行建模，螺栓等连接使用RBE2刚性单元模拟[3]。建成的后视镜有限元模型，如图6所示，后视镜固定于车门有限元模型，如图7所示。

后视镜总质量为1 175 g，其中弹簧30 g，电动转向器110 g。模型中使用的材料参数，如表1所示[4]。

表1 外后视镜有限元模型中使用材料参数

3.3 塑料一体固定座形式的外后视镜模态

使用10节点四面体实体单元模拟，基本单元尺寸为3.5 mm。除了弹簧之外，结构采用详细模型描述，弹簧采用集中质量单元进行建模，螺栓等连接使用RBE2刚性单元模拟。建立外后视镜模态计算有限元模型，固定座加强筋结构优化前后模型，如图8所示。

塑料一体固定座形式外后视镜与带金属固定支架形式外后视镜有限元模型的材料参数基本一致，只有固定座的变化，表2示出2种形式固定座的参数对比。

表2 外后视镜2种形式固定座的参数对比

4 外后视镜模态结果分析

4.1 带金属固定支架形式的后视镜模态结果分析

计算带金属固定支架形式的外后视镜本体模态时，约束与车门连接处的3个螺栓孔；计算固定于车门的外后视镜模态时，约束车门转轴、门锁和胶条。计算分析外后视镜前100 Hz模态，重点关注垂向模态频率。计算后得到：外后视镜本体垂向模态频率为82.45 Hz，固定于车门的外后视镜垂向模态频率为54.59 Hz。一般情况下，汽车的垂向模态频率在22～30 Hz，当固定于车门的外后视镜垂向模态频率为54.59 Hz时，远高于汽车的模态频率，所以可以有效避免外后视镜发生振动。后视镜模态频率较高的主要原因是镜座支架采用铝合金材料，铝合金弹性模量较高。后视镜垂向模态位移云图，如图9所示，红色部分位移量最大。

4.2 塑料一体固定座形式的外后视镜模态结果分析

主要计算了后视镜的前5阶模态，重点关注垂向模态。约束方式：固定于车门后视镜垂向模态频率。原结构固定座加强筋模型的模态频率为35.7 Hz，优化筋结构模型的模态频率为43.9 Hz。后视镜连接板加强筋优化之后垂向频率有所提高，可见加强筋的优化方案有效提高了模态频率，由分析结果可知加强筋布置在后视镜固定座下部区域更为有效，上部区域可去除加强筋，降低固定座本体质量和节省模具成本。

5 结论

因为带金属固定支架形式的外后视镜模态频率比塑料一体固定座形式的外后视镜模态频率高，所以能更好地避免汽车行驶过程中的后视镜振动。但带金属固定支架形式的外后视镜成本比塑料一体固定座形式的外后视镜高，塑料一体固定座形式的外后视镜结构经优化设计也可以满足一般车辆行驶要求。基于模态分析的外后视镜结构设计，可以在成本与性能之间选择最佳结合点，在新车型开发时，根据车型定位的要求，来选择不同结构形式的外后视镜。汽车后视镜属于汽车上的安全件，GB 15084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。外后视镜作为汽车宽度方向上最外缘的产品，受车体振动影响最大，而且作为驾驶观察工具，振动对后视镜的影响直接涉及到行车安全，所以后视镜的振动特性需要在新车开发阶段特别重视。采用仿真分析的手段提前掌握不同结构形式后视镜的振动模态，可以在设计阶段规避振动问题，提高设计质量，节省模具修改的费用，同时合理的结构方案通过CAE手段得到验证，使后视镜开发周期得以缩短。后视镜振动模态分析只是NVH大课题中的一部分，关于后视镜在行车中的噪声仿真分析等方面还需要做进一步探索。