汽車防撞雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計

王志勇++尚偉科++李釗++陸景松++王田++楊林

摘 要

汽車防撞雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)兼顧重量、體積、工藝、環(huán)境適應(yīng)性等多方面要求，需要進(jìn)行統(tǒng)籌和細(xì)致的考慮。以某汽車防撞雷達(dá)為例，針對雷達(dá)使用的環(huán)境要求，簡述了該雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了其結(jié)構(gòu)組成、力學(xué)載荷分析和熱設(shè)計等，對類似的汽車防撞雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】汽車防撞雷達(dá) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 載荷分析

1 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

汽車防撞雷達(dá)（以下簡稱雷達(dá)）安裝在車輛側(cè)后部骨架上，車輛在天線陣面前方安裝有高分子材料制成的保險杠，雷達(dá)布局時需避開汽車尾燈和其他強(qiáng)反射的金屬物等，和保險杠也應(yīng)保留足夠的變形空間和安全距離，在有限的車體空間內(nèi)，防撞雷達(dá)的“適裝性”設(shè)計尤為重要，系統(tǒng)設(shè)計時必須突破雷達(dá)常規(guī)的結(jié)構(gòu)功能單元劃分概念。

該雷達(dá)從系統(tǒng)架構(gòu)上分為了微帶天線、射頻前端、中頻模擬、數(shù)字處理和系統(tǒng)電源等部分，隨著電子器件封裝密度不斷提高和集成電路的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將天線和射頻前端等模擬電路和信號處理數(shù)字電路集成到一張電路板（圖1），宏觀上由單張電路板實(shí)現(xiàn)完整的雷達(dá)功能，最大限度的實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的集成設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

基于雷達(dá)工作需單面透波的特點(diǎn)，除包含多層電路板和連接器的電訊器材外，其他雷達(dá)結(jié)構(gòu)件簡化為天線罩、盒體兩部分，天線罩采用工程塑料注塑成型，盒體選用鋁合金制造，二者通過螺釘固定，方便拆裝和維護(hù)，同時也需方便結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工，降低制造成本。

2.1 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線罩安裝于雷達(dá)陣面前方，單層罩結(jié)構(gòu)形式，外表面為等厚度的平面，離天線的距離值恒定，用于保護(hù)雷達(dá)天線免受惡劣環(huán)境的影響。但天線罩同時自身也影響了天線的電性能，因此選用的原材料應(yīng)具備良好的透波性，需重點(diǎn)關(guān)注“介電常數(shù)”和“介電損耗角正切”等參數(shù)值，經(jīng)過調(diào)研使用（PPO）材料通過模具熱注塑成型，該天線罩具備優(yōu)良的綜合性能，剛度高、重量輕、制造工藝性好和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。天線罩安裝時需要使用螺紋孔，基于聚苯醚材料不易加工有應(yīng)力開裂傾向的特點(diǎn)，在螺紋孔處安裝相應(yīng)的鋼絲螺套，增強(qiáng)構(gòu)件螺紋的強(qiáng)度和耐用性。如圖1所示。

2.2 盒體結(jié)構(gòu)設(shè)計

盒體是雷達(dá)的結(jié)構(gòu)主體，除了安裝和固定雷達(dá)電訊器材外，同時需要快速將雷達(dá)工作產(chǎn)生熱量傳出雷達(dá)，并且可以將輕微彎曲變形的天線陣面進(jìn)行校直。盒體采用鋁合金加工，設(shè)計時保證盒體端面的平面度和粗糙度要求，安裝雷達(dá)多層壓制電路板時通過螺釘?shù)木o固力使多層電路板緊密貼合接觸面，保證雷達(dá)微帶天線的平面度要求；盒體內(nèi)腔設(shè)置凸臺，結(jié)合橡膠導(dǎo)熱襯墊緊密貼合多層電路板上的發(fā)熱器件和芯片，將雷達(dá)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至外側(cè)的翅片中，改善雷達(dá)的工作環(huán)境。如圖2所示。

2.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于汽車涉水行進(jìn)的要求，雷達(dá)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相應(yīng)的防水等級，不受惡劣環(huán)境中的水、鹽霧等對元器件的影響，決定將防水等級定為IP67（GB4208-2008），即水下一米持續(xù)半小時不泄露。除了選用符合要求的連接器外，對結(jié)構(gòu)件連接處的密封尤為重要，因此對雷達(dá)密封可能的密封圈方案和膠封方案進(jìn)行比較選擇，其中密封圈方案檢測方便、易于拆裝，但是需要配合溝槽結(jié)構(gòu)形式，以及較多緊固件，同時需要密封的接觸面是連續(xù)的空間布局，空間尺寸和實(shí)現(xiàn)難度均較大，最終選擇膠封方案，通過將天線罩、盒體和連接器之間設(shè)計為嵌入式接觸，端面連接處預(yù)留一定的縫隙，液態(tài)密封膠通過灌封牢固附著于結(jié)合面上，形成均勻穩(wěn)定的皮膜，填充結(jié)合面的微小凹凸部后，達(dá)到對油、氣、水密封的作用。對于貫穿盒體和電路板的螺釘緊固件，通過封膠達(dá)到密封效果是最簡單和便捷的辦法。如圖3所示。

2.4 透氣閥設(shè)計

雷達(dá)周圍環(huán)境氣溫會伴隨季節(jié)起伏和晝夜更迭而循環(huán)變化，以及雷達(dá)伴隨車輛啟停而反復(fù)開關(guān)機(jī)而帶來的發(fā)熱和冷卻，將帶來雷達(dá)盒體內(nèi)腔氣體反復(fù)膨脹和收縮，引起結(jié)構(gòu)件應(yīng)力變形，削弱密封效果，產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”導(dǎo)致內(nèi)腔積水，造成設(shè)備安全隱患，雷達(dá)通過安裝透氣閥來解決該問題。透氣閥內(nèi)的膨體聚四氟乙烯薄膜內(nèi)部為三維立體網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu)，可有效過濾空氣的微粒，加上聚四氟乙烯材料自身的疏水性特征，達(dá)到防塵防水的效果，因此可有效解決平衡腔體內(nèi)外的氣體壓差，避免結(jié)構(gòu)密封失效，改善雷達(dá)內(nèi)腔的工作環(huán)境。

3 雷達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

雷達(dá)安裝于汽車后部，必須滿足車輛載臺的力學(xué)環(huán)境要求。依據(jù)某汽車載臺的技術(shù)條件，使用有限元計算方法，利用計算機(jī)軟件對雷達(dá)的數(shù)字模型進(jìn)行仿真分析，為雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供驗(yàn)證和優(yōu)化的依據(jù)，也為后期試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

3.1 分析內(nèi)容

要求雷達(dá)在指定的載荷作用下，保持足夠的剛強(qiáng)度，減少雷達(dá)天線的應(yīng)力和應(yīng)變，滿足電訊指標(biāo)中的精度要求。

（1）工況1：邊界條件約束狀態(tài)下，計算前五階固有頻率。

（2）工況2：在半正弦沖擊波、加速度300m/s?載荷作用下，雷達(dá)天線陣面應(yīng)力和應(yīng)變。

（3）坐標(biāo)系定義：依據(jù)雷達(dá)安裝與車輛側(cè)后方位置，定義車輛前進(jìn)方向?yàn)閄向，車身側(cè)向?yàn)閅向，車輛重力加速度方向?yàn)閆向。

（4）邊界約束條件：雷達(dá)通過盒體的4處安裝孔與安裝框架連接，此處設(shè)置全約束。

（5）材料特性。如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 模態(tài)仿真

在邊界約束條件下，天線的模態(tài)分析的前5階固有頻率見表2。

天線的前5階振型如圖5所示，從圖5中可以看出，結(jié)構(gòu)頻率較高，雷達(dá)整體剛度較好；相對而言天線平面的中央應(yīng)變較大，局部剛度較低，分析結(jié)果滿足天線安裝剛強(qiáng)度要求。

3.2.2 沖擊載荷仿真

雷達(dá)伴隨汽車前進(jìn)過程中承受不同方向的載荷，考察天線陣面在不同方向上的應(yīng)力和應(yīng)變情況可以看出，工作狀態(tài)下天線陣面的應(yīng)力和應(yīng)變都非常小，雷達(dá)整體具有足夠的剛度和強(qiáng)度，受到?jīng)_擊時的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，滿足車輛使用的力學(xué)條件。如表3所示。

4 雷達(dá)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計

盡管雷達(dá)方案設(shè)計時已考慮高效低功耗的器材選型，但隨著電子設(shè)備集成度的提高，局部過高的熱流密度仍是熱設(shè)計必須解決的問題，也是提高設(shè)備可靠性的必然環(huán)節(jié)。

雷達(dá)通過支架安裝在汽車后部，位于車輛鈑金件和后方保險杠之間的夾層中，常規(guī)的液冷和強(qiáng)制風(fēng)冷措施難以實(shí)現(xiàn)，通過熱傳導(dǎo)將器材發(fā)出的熱量的傳到汽車鈑金件上和空氣中是最為可行的方案思路。雷達(dá)盒體與散熱翅片結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，通過外側(cè)翅片提高空氣對流的散熱能力；優(yōu)化系統(tǒng)方案，將電源等高功率模塊調(diào)整安裝面，有效貼合導(dǎo)熱襯墊；減少熱源至翅片傳熱路徑以減少熱阻，盒體底部設(shè)計凸臺，結(jié)合導(dǎo)熱襯墊快速將熱量傳遞到翅片上；利用計算機(jī)軟件仿真分析，優(yōu)化散熱翅片的布局和尺寸。圖6為環(huán)境溫度85℃，10分鐘后的穩(wěn)態(tài)下工作時的溫度云圖。

分析結(jié)果證明結(jié)構(gòu)方案滿足雷達(dá)器件的散熱設(shè)計要求；雷達(dá)實(shí)物隨后進(jìn)行了高低溫工作試驗(yàn)，試驗(yàn)期間雷達(dá)工作正常，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效和可靠。

5 結(jié)束語

汽車防撞雷達(dá)具有廣闊的發(fā)展前景，國內(nèi)研究開始起步。本文論述了某防撞雷達(dá)實(shí)物產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，此方案結(jié)構(gòu)簡單、功能齊備、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了雷達(dá)系統(tǒng)總體的使用要求，具備了低成本大批量制造的工業(yè)化生產(chǎn)的前提條件。

本文介紹的雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)，也為其他防撞雷達(dá)研究提供了參考和借鑒作用。

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作者簡介

王志勇（1980-），男，安徽省銅陵市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師，從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088