貫穿式尾燈固定方案設(shè)計(jì)研究
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摘要：近年來(lái)，貫穿式尾燈成為了汽車尾部造型的一種新風(fēng)尚。貫穿燈長(zhǎng)度在1.2m左右，相比傳統(tǒng)尾燈其安裝定位的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。本文介紹一款貫穿式尾燈固定方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)力學(xué)模擬和公差分析初步評(píng)判了固定方案的合理性，并在PT件上完成了振動(dòng)試驗(yàn)的驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該項(xiàng)目的固定方案是可靠的，兩項(xiàng)力學(xué)模擬結(jié)果也具有參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：貫穿式尾燈；安裝；定位
車燈如同汽車的眼睛，不僅提供照明及信號(hào)功能，保證車輛行駛的安全性，同時(shí)也是汽車外飾造型中最活躍的點(diǎn)睛之筆。隨著車燈技術(shù)的發(fā)展，光源和材料的不斷升級(jí)更替，燈具造型也可以實(shí)現(xiàn)更多的突破。2012年林肯MKZ首次使用貫穿式尾燈，此后國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠相繼推出貫穿式尾燈新車型，掀起了一體式發(fā)光的新風(fēng)尚。貫穿式車燈具有更高的辨識(shí)度和延展效果，深受消費(fèi)者喜愛［1］。相比傳統(tǒng)后蓋尾燈，貫穿式尾燈長(zhǎng)度和質(zhì)量都更大，安裝在非一體式后蓋上，需要匹配的零件也更多，因此對(duì)安裝和定位的要求也更為苛刻。本文論述一款貫穿式尾燈項(xiàng)目固定方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，考慮材料變形及熱膨脹、燈具質(zhì)量分布、外觀匹配關(guān)注點(diǎn)及鈑金公差等因素，通過(guò)力學(xué)模擬和公差分析，確定了貫穿式尾燈的安裝及定位方案，并且在PT件上完成了振動(dòng)試驗(yàn)及匹配驗(yàn)證。
1RPS定義
1.1根據(jù)鈑金形式設(shè)置X向RPS點(diǎn)
按照3-2-1原則，與傳統(tǒng)后蓋尾燈相同，貫穿燈將3個(gè)平移自由度定義在X方向，限制X方向的移動(dòng)。后蓋鈑金分為一體式和分體式兩種情況，X向定位點(diǎn)設(shè)置也有一定區(qū)別。1）一體式后蓋尾燈安裝面在后蓋外板上一次沖壓成型，尾燈3個(gè)X向定位點(diǎn)可選擇盡量大的三角形。一體式后蓋尾燈Fx分布見圖1。2）分體式后蓋本文所述項(xiàng)目后蓋鈑金為分體式，由后蓋外板和尾燈板焊接而成，尾燈安裝面分布在3個(gè)零件上，因此X向RPS點(diǎn)我們選擇布置在較大且居中的后蓋外板上，并考慮到后蓋外板與尾燈板焊接公差，將尾燈板上的固定點(diǎn)設(shè)置為X向可調(diào)整，補(bǔ)償鈑金焊接公差，保證尾燈與尾燈板之間的配合密封［2-3］。分體式后蓋尾燈Fx分布見圖2。
1.2Y向RPS點(diǎn)居中布置
貫穿式尾燈Y向尺寸較大，一般都在1.2m左右，孔新星等人在《貫穿式汽車尾燈PMMA燈罩應(yīng)力與壽命研究》一文中指出，在應(yīng)力水平較高情況下，60℃高溫工作環(huán)境下，材料蠕變量較低溫低應(yīng)力水平下更快，而低溫低應(yīng)力下，蠕變緩慢趨于穩(wěn)定。因此由外界環(huán)境溫升高導(dǎo)致的材料熱膨脹會(huì)對(duì)裝配后的零件尺寸產(chǎn)生影響，使A、B燈間隙發(fā)生變化［4］。Y向RPS點(diǎn)設(shè)置應(yīng)盡量居中，使零件兩側(cè)變形量保持一致，避免間隙變化集中在一側(cè)，導(dǎo)致與周邊零件干涉或縫道不均勻等問(wèn)題。
1.3設(shè)置Z向輔助RPS
貫穿式尾燈與后蓋鈑金Z向縫道是外觀關(guān)注重點(diǎn)，除2個(gè)Z向主RPS之外，該項(xiàng)目還設(shè)置了一些Z向輔助定位墊塊，保證整條Z向縫道均勻。貫穿式尾燈fz示意圖見圖3。
2固定點(diǎn)布置
2.1根據(jù)質(zhì)量分布布置固定點(diǎn)
尾燈造型決定了貫穿燈質(zhì)量主要功能集中在兩側(cè)主B燈上，中間的光帶部分質(zhì)量較輕，因此，在采用螺釘固定方案的基礎(chǔ)上，在主B燈上均勻布置更多的螺釘固定點(diǎn)，中間光帶部分則采用球頭和螺釘混合使用的固定方式。球頭的優(yōu)點(diǎn)是既可用于定位，又可用于固定，并且裝拆只需要在鈑金正面操作即可，可減少在后蓋內(nèi)板及內(nèi)飾上開孔，更利于整車穩(wěn)定性及成本控制。貫穿尾燈螺釘及球頭分布見圖4。
2.2導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于貫穿式尾燈尺寸較大，為了便于生產(chǎn)線工人裝配，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很重要。尾燈通常采用卡扣與導(dǎo)向槽進(jìn)行預(yù)定位，即安裝過(guò)程中先將卡扣固定在鈑金上，然后沿?zé)艟甙惭b方向?qū)敉迫脞k金，過(guò)程中卡扣先進(jìn)入燈體導(dǎo)向槽，從而使盲裝的定位球頭一次性順利卡入固定球帽中。導(dǎo)向作用示意圖見圖5，貫穿尾燈導(dǎo)向結(jié)構(gòu)布置見圖6。
2.3貫穿式尾燈固定點(diǎn)設(shè)計(jì)特殊性
前文中已經(jīng)提到，由于貫穿式尾燈較傳統(tǒng)后蓋尾燈尺寸大很多，受高分子材料自身性質(zhì)影響，當(dāng)工作溫度逐漸升高時(shí)，貫穿燈會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。當(dāng)居中設(shè)計(jì)Y向定位后，熱膨脹會(huì)產(chǎn)生越靠近兩側(cè)越大的趨勢(shì)。若主B燈兩側(cè)固定點(diǎn)為剛性連接，會(huì)導(dǎo)致連接處應(yīng)力集中，發(fā)生安裝點(diǎn)變形甚至斷裂失效的情況。本文所述項(xiàng)目參考了AudiA7批量尾燈以及VW貫穿尾燈安裝方案，在主B燈兩側(cè)使用了Y向自適應(yīng)安裝螺釘（圖7），使螺釘與燈體之間有一定的Y向緩沖，避免了剛性連接導(dǎo)致的安裝點(diǎn)斷裂問(wèn)題。對(duì)于尾燈縫道定義，不僅需要分析靜態(tài)下零件之間的距離，還需要校核后蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，燈與周邊的間隙是否安全。劉宏霞等人在《汽車后組合燈的設(shè)計(jì)分析》一文中已詳細(xì)論述了動(dòng)態(tài)校核的過(guò)程及注意事項(xiàng)。貫穿式尾燈需要將熱膨脹因素也考慮到校核當(dāng)中，這也是貫穿式尾燈車型A、B燈間隙較傳統(tǒng)尾燈更大的原因［5］。
3力學(xué)模擬結(jié)果
3.1安裝點(diǎn)振動(dòng)模擬分析
本文所述貫穿尾燈在主B燈側(cè)采用Y向自適應(yīng)螺釘，中央密封區(qū)域采用螺釘固定，需要對(duì)整燈進(jìn)行振動(dòng)模擬分析，驗(yàn)證安裝點(diǎn)布置是否可靠。模擬主要原理是將燈的RPS點(diǎn)定義為邊界條件的支撐點(diǎn)，根據(jù)精確計(jì)算的整燈質(zhì)量，模擬X、Y、Z方向隨機(jī)振動(dòng)工況下，每個(gè)安裝受力點(diǎn)的最大應(yīng)力，根據(jù)結(jié)構(gòu)及材料屬性，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的安全系數(shù)。以此項(xiàng)目為例，通過(guò)振動(dòng)模擬分析判斷各安裝點(diǎn)受力情況，安全系數(shù)均大于1，可判斷安裝點(diǎn)布置是合理并且可靠的。振動(dòng)模擬分析結(jié)論見表1。
3.2球頭拉拔力分析及密封墊壓縮量確定
對(duì)于有拉拔力要求的球頭固定點(diǎn)，還需要模擬球頭在3種隨機(jī)振動(dòng)工況下的脫出力。項(xiàng)目中討論了密封墊在不同壓縮量下，球頭脫出力的變化，最終確定了合理的密封墊壓縮量。脫出力計(jì)算結(jié)果（圖8）顯示，當(dāng)壓縮量增大時(shí)，密封墊對(duì)球頭的反作用力使球頭的脫出力增大，但是3種工況下，密封墊在40%~60%壓縮量范圍內(nèi)，球頭的脫出力都小于該球頭的拉拔力下限。因此，綜合考慮密封性和力學(xué)因素，該項(xiàng)目選擇了50%的密封墊壓縮量。
4公差分析結(jié)果
尾燈公差分析，以建立好的裝配關(guān)系為基準(zhǔn)，在CAD模型中選取若干測(cè)量點(diǎn)，間隔40~60mm，分析各測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)上下偏差的正態(tài)分布。合格率未滿足要求時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)整RPS點(diǎn)，重新建立裝配模型。尾燈與周邊間隙的公差分析，是在尾燈和周邊零件公差已知的情況下，考慮裝配和焊接公差等因素，分析2個(gè)零件之間的公差帶及裝配合格率，以此判斷縫道及公差定義是否合理。合格率較低時(shí)，需要縮小單個(gè)零件公差范圍或者賦予復(fù)合輪廓度等要求，也可以根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整縫道定義。本文所述項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)兩次RPS調(diào)整，尾燈所有測(cè)量點(diǎn)分析結(jié)果在滿足尺寸驗(yàn)收要求的條件下，合格率也是滿足要求的。而尾燈和周邊匹配間隙，受到貫穿式尺寸較大的影響，需要對(duì)尾燈再賦予復(fù)合輪廓度的要求，才可以滿足整車裝配后，公差合格率達(dá)到要求。
5PT件試驗(yàn)結(jié)果
尾燈PT件主要用于造型驗(yàn)證及性能驗(yàn)證，對(duì)于已有模擬分析結(jié)果的，通過(guò)試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比，可以對(duì)分析手段的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)判。本文討論的振動(dòng)模擬和拉拔力分析，在PT件的振動(dòng)試驗(yàn)中均得到了驗(yàn)證。振動(dòng)分析結(jié)果顯示，在3種隨機(jī)振動(dòng)工況下，實(shí)際零件振動(dòng)試驗(yàn)后均未出現(xiàn)安裝點(diǎn)斷裂以及球頭脫出產(chǎn)生的零件變形。PT件振動(dòng)試驗(yàn)見圖9。
6結(jié)語(yǔ)
本文從RPS定義、固定點(diǎn)布置、力學(xué)模擬、公差分析和PT件驗(yàn)證等幾個(gè)方面，闡述了一款貫穿式尾燈安裝定位方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，針對(duì)貫穿式尾燈Y向尺寸大的特點(diǎn)，著重說(shuō)明了安裝方案的特殊性。通過(guò)PT件振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，該項(xiàng)目的安裝方案是可靠的，同時(shí)也可以看出，兩項(xiàng)力學(xué)模擬結(jié)果也是具有參考性的。以上內(nèi)容可以為新項(xiàng)目的開發(fā)提供參考方向。
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作者：白孟瑤 金立軍 王坤陽(yáng) 單位：上汽大眾汽車有限公司