張忠東， 王 珂， 劉鑫明

(1.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點實驗室， 山東 聊城 252000；2.中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000)

在一款9 m團體旅游客車的樣車可靠性試驗中，駕駛員反饋該車的外后視鏡出現(xiàn)輔助鏡片碎裂情況。為消除該問題帶來的安全隱患，本文結合經驗判斷與問題再現(xiàn)、模態(tài)測試等方法對該款后視鏡進行問題診斷分析，并對原結構進行改進，解決了輔助鏡片碎裂的問題。

1 問題診斷分析

1.1 主觀診斷

客車外后視鏡輔助鏡片碎裂情況如圖1所示，裂痕方向為車身橫向(即Y向)。鏡體產生較大振幅及變形的原因主要有安裝缺陷、自身結構缺陷兩種。該后視鏡采用的是與車身卡槽定位、5顆M12螺栓緊固的安裝方式，固定牢靠，鏡片碎裂后檢查安裝位置無松動、晃動現(xiàn)象。根據鏡片裂痕及鏡片安裝結構初步判斷，該問題不是由安裝引起的，而是由鏡體框架變形擠壓鏡片引起，與后視鏡自身結構有關。

圖1 鏡片碎裂狀態(tài)

為驗證出現(xiàn)該問題的原因，決定對該款后視鏡樣品進行振動臺掃頻試驗及試驗模態(tài)分析測試。

1.2 振動臺掃頻試驗

將后視鏡安裝至電磁振動試驗臺上，三軸加速度傳感器分別固定在1個參考點和4個測試點上，如圖2所示。試驗時振動臺以1g加速度作垂直正弦振動，頻率以每分鐘1/2倍頻程的掃頻速率，在5～100 Hz頻率之間進行掃頻試驗，重復掃描3次。使用LMS 測試系統(tǒng)[1](包括LMS Test.lab測試分析軟件及數(shù)據采集前端設備)進行數(shù)據采集。

圖2 電磁振動臺測試圖

試驗中，當激勵頻率處于6～8 Hz時，鏡體出現(xiàn)大幅振動并伴隨明顯的“咔嚓咔嚓”聲。試驗完成后發(fā)現(xiàn)鏡片出現(xiàn)碎裂情況，且裂痕與1.1節(jié)所述一致。該試驗證明，此并非偶發(fā)性問題，該鏡片在一定工況下會出現(xiàn)碎裂，存在安全隱患。

在LMS Test.Lab中計算試驗中采集的各測點位置的振動數(shù)據，得到該后視鏡的振動位移幅值頻響函數(shù)曲線[2]，如圖3所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，參考點振幅變化曲線光滑，說明設備輸出激勵正常；4個測點都在6.7 Hz附近出現(xiàn)振動峰值，且測點1與測點2之間出現(xiàn)突變，需重點關注；頻率高于8 Hz后振幅下降明顯，20 Hz后振幅很低，無異常表現(xiàn)，不再展示。

圖3 測點位置位移頻響函數(shù)曲線

1.3 實驗模態(tài)分析測試

根據實驗模態(tài)基本原理[3-5]可知，頻響函數(shù)矩陣是對稱的，因此只要測試頻響函數(shù)矩陣的一行或是一列就可以識別出所有模態(tài)參數(shù)，而且合理布置測點才能測出所關心的模態(tài)參數(shù)。

采用錘擊法中的移動力錘法對該款后視鏡進行實驗模態(tài)分析測試[6-8]，并在LMS Test.Lab中計算得到該款后視鏡在0～50 Hz范圍內的典型模態(tài)為5 Hz、7 Hz、19 Hz、29 Hz四階，5 Hz模態(tài)振型主要為左右擺動，與鏡片碎裂工況不符；7 Hz模態(tài)振型主要為鏡頭的上下“點頭”，如圖4所示，變形最大處與鏡片位置一致，與鏡片碎裂時的情況相吻合。

圖4 7 Hz模態(tài)振型圖

1.4 問題確定

根據振動臺掃頻試驗及模態(tài)分析測試結果，可判斷出該后視鏡的鏡片碎裂問題是該后視鏡低頻典型模態(tài)在一定工況下與路面激勵產生共振引起的。

2 改進方案及效果

2.1 改進方案

根據后視鏡結構及問題分析，有三個改進方案可供選擇：

1) 改進后視鏡外殼，增大鏡片安裝空間以增大鏡片與殼體之間的間隙，將周圈間隙擴大3～5 mm即可解決該問題。但此方法需要更改模具來實現(xiàn)，費用較高且無法降低后視鏡鏡體振幅。該方案不易實現(xiàn)。

2) 縮小輔助鏡片的尺寸，同樣可將鏡片與殼體之間的周邊間隙擴大(較易實現(xiàn))。但此方法會降低鏡片的作用，影響駕駛員視野，安全性下降。

3) 增強鏡體骨架剛度，改變鏡體的低頻模態(tài)。此方法不涉及高額費用且能減小鏡體整體振幅，較易實現(xiàn)。

2.2 結構改進

經對比發(fā)現(xiàn)，方案3)的經濟性、實用性和可操作性更好，決定采用此方案來解決該鏡片碎裂問題。

該鏡體原有結構為骨架加塑料外飾的復合結構。其中骨架為兩段式組合結構，如圖5所示；兩段的對接位置結構如圖6所示。從圖中可以看出，鏡片碎裂位置正好處于兩段骨架對接附近，該位置的結構剛度和強度較弱?；诖?，改進方案為在圖6所示對接膠套尺寸保持不變的前提下將對接膠套1的材料由Q235A普通碳素結構鋼更換為510 L高強鋼，并將對接膠套2的厚度由4 mm減小至2 mm。這樣調整是為了在保證后視鏡骨架系統(tǒng)具有一定柔性的前提下提升對接位置剛度，繼而改變后視鏡整體結構的模態(tài)，避免因對接位置出現(xiàn)較大形變造成鏡片碎裂。

圖5 該后視鏡骨架圖

圖6 對接位置局部剖視圖

2.3 改進驗證

將改進后的后視鏡結構在試驗臺上再次進行5～100 Hz的掃頻試驗，傳感器安裝位置、參數(shù)設置、數(shù)據計算方法與首次試驗一致。測試數(shù)據在LMS Test.lab中計算的位移幅值頻響函數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 改進后測點位置位移頻響函數(shù)曲線

試驗結果如下：

1) 試驗過程中，主觀感受鏡體在低頻階段的振幅下降明顯。

2) 試驗結束后檢查，未出現(xiàn)鏡片碎裂問題。

3) 對比圖3中曲線，振幅峰值頻率向右偏移，共振頻率由6.7 Hz提高為8.7 Hz。

4) 共振位移幅值下降明顯，以振幅最大的測點3(鏡頭)為例，振動峰值由原來的19.5 mm下降為9.5 mm。

試驗結果說明，通過結構改進已經改變鏡體自身模態(tài)，鏡片碎裂問題得到解決。

3 結束語

針對某中型團體旅游客車后視鏡鏡片碎裂問題，基于LMS測試系統(tǒng)對該后視鏡進行了振動臺掃頻試驗及實驗模態(tài)分析測試，確定了其成因并設計了相應的改進措施。結果表明，改進后的后視鏡結構剛度增強，共振頻率提高，振幅下降，解決了鏡片碎裂問題。