基于掃頻振動門系統驅動電機殼體優化設計

王衛，貢智兵，譚文才，李錦偉，黃東盛

(南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210013)

0 引言

隨著全球氣溫變暖，能源危機逐漸加劇，新能源城市公交車逐漸取代傳統燃油公交車。電動內擺門相較于傳統氣動門省去了電能轉化為氣能然后再轉氣壓能，更節能，噪聲更小，因此電動門系統逐漸取代氣動門系統廣泛應用于公交車上，電動門上有電機作為動力輸出驅動門系統的開關，是電動門系統中的關鍵部件，滿足標準QC/678—2016《客車乘客門門泵》中規定的掃頻振動試驗是一項重要指標。

目前針對掃頻振動試驗零件破壞的研究主要集中于疲勞的計算方法。丁杰和張平[1]對電機控制器進行正弦掃頻疲勞仿真，分析X、Y和Z3個方向的振動疲勞損傷，得出結構薄弱部位的疲勞壽命結果。最后借助振動試驗檢測，驗證了仿真分析方法的可行性。周蘇楓等[2-3]

提出了一種振動疲勞壽命預計的簡便處理方法，在沒有適用的結構材料疲勞S-N曲線的情況下，利用計算或試驗測得的構件臨界部位的響應功率譜密度曲線，根據疲勞損傷量等效原則和疲勞損傷可“累積”原則計算所對應的疲勞損傷量。李琳琳等[4]以騎跨式機架為研究對象，為避免機架產生共振,在發動機安裝位置添加彈性元件，對機架采用減振方案的諧響應分析，計算得出應力、變形量的變化曲線，結合機架結構材料的S-N曲線和線性累積損傷理論,對機架進行疲勞分析。

文中以新能源大巴車電動內擺門門系統驅動機構電機殼體為研究對象，以振動試驗標準和理論為基礎，推導了掃頻振動結構中某點振動疲勞損傷量?；赪orkbench構建了有限元模型，進行掃頻振動分析，結合線性累積損傷理論Miner以及掃頻振動疲勞理論計算出掃頻試驗中電機殼體薄弱地方，并借助試驗驗證，對電機殼體進行結構加強改進，基于有限元仿真分析方法對新結構進行掃頻耐振性分析，同時將新結構帶入門系統進行門系統掃頻試驗，驗證了該計算方法的可行性和可靠性。

1 振動試驗標準

正弦振動試驗是試驗室中驗證機械系統耐振性經常采用的試驗方法，目前我國現行QC/T 678—2016《客車乘客門門泵》標準規定了對乘客室門系統耐振性能的要求[5]，標準中規定了掃頻試驗的振動方向和載荷嚴酷要求，如表1所示。

表1 掃頻振動要求

參考環境試驗標準GB/T 2423.10—2019中規定的掃頻振動參數[6]為：

(1)

(2)

(3)

f=f1ekt

(4)

式中：L是振動循環次數；X是倍頻程；T是一個掃頻循環振動時間(f1→f2→f1)；f2和f1是掃描上限頻率和下限頻率；SR是掃頻速率，倍頻程/分鐘(oct/min)。f為t時刻對應的頻率，k為掃描速率，如果是每分鐘一個倍頻程，則k=ln2=0.693，所以公式(4)可以寫成如下：

f=f1e0.693t

(5)

根據公式可得：從17 Hz開始掃頻到200 Hz截止，振動總次數為15 840次，總時間為3.556 min，其中17～60 Hz范圍內，振動次數為3 722次，振動時間為1.819 min；60～200 Hz范圍內，振動次數為12 118次，振動時間為1.737 min。為研究掃頻振動特性，等時間提取M個振動頻率點作為研究對象，根據公式(5)可得此時掃頻頻率為：

(6)

(7)

式中：m為提取序號，m≤M；fm為提取序號m對應的頻率；Nm為fm頻率下振動次數。

2 正弦掃頻振動疲勞計算

利用對數掃頻方式進行振動時，線性系統結構某點的應變響應為:

ε(t)=A0sin{2π[f1ekt+φ0]}

(8)

式中：A0是應變幅值；φ0是應變信號的初相位；f1為掃頻時開始激勵頻率；t為開始的時間。

課程主要分為通識教育課程，大學外語教育課程，專業教育課程，實踐教學環節四個類別，著重提高大學外語教育課程，實踐教學環節學分比例，同時提高選修課程比例，提高各模塊選修課程學分比例，分別設置通識教育類、外語類、專業方向類、專業任選類、實驗教學類選修課程，給學生提供更多的選擇機會。具體課程類別與學分占比如表1：

由胡克定律可得：

σ=Eε

(9)

式中：σ為結構某一點處應力；ε為改點的應變；E為材料的彈性模量。

為分析簡便，設正弦掃頻時結構處于單向應力狀態，且應力比K=-1，對應材料S-N曲線[7]為:

lgs=a+blgN

(10)

式中：s為結構的應力響應；N為對應于該應力響應的疲勞壽命；a、b分別是截距和斜率。

根據Miner累計損失理論，可以計算出在激勵時間T后，結構的疲勞損傷量為：

(11)

由式(11)可以看出，當M趨近無窮大時，D收斂于一個常數，同理頻率點取無限多時，結構某點的損傷值收斂于某常數。在結構彈性模量和S-N曲線不變的情況下，只要知道結構中某點應力響應就可估算出結構的疲勞壽命。

計算提取30個頻率點，30個頻率點對應的振動次數如表2所示。

表2 30個頻率點對應的振動次數

表中各個頻率點振動總次數為532 546，根據公式(1)計算出來為506 905，相對誤差為5.05%。這主要是由于掃頻試驗時各個頻率是連續的，而通過各個頻率點計算出來的振動次數是離散的，但是相對誤差只有5.05%，滿足工程使用精度要求。

3 電機殼體掃頻仿真

3.1 有限元模型建立

門系統物理掃頻試驗時，是將整個門系統進行掃頻試驗，為了研究門泵中驅動電機的耐振性能，節省計算資源，文中計算只將電機組件作為研究對象，如圖1所示。電機組件主要由電機1、減速器蓋板2、減速器殼體3、電機安裝板4、傳動齒輪5、機構固定板6等組成。主要零部件材料如表3所示。

圖1 原結構有限元模型

表3 有限元模型主要零部件材料屬性

3.2 掃頻試驗仿真

掃頻試驗仿真主要應用有限元分析中的諧響應分析模塊。諧響應分析主要且用于確定線性結構在承受隨時間按照正弦變化載荷的穩態響應的一種技術，并可以得到一些響應對應的曲線。

QC/T 678—2016《客車乘客門門泵》標準規定掃頻試驗分為兩段：一段是17～60 Hz,載荷為垂向0.35 mm，約束和載荷施加如圖2所示，圖中約束機構固定板X和Z向自由度，施加Y向位移載荷0.35 mm，掃描頻率設置為17～60 Hz，完全法求解，阻尼設置為0.01;另一段掃頻頻率為60～200 Hz，載荷為垂向50 m/s2加速度，約束和載荷施加如圖3所示，圖中機構固定板端面全約束，如圖中A所示，B為加速度載荷，用模態疊加法求解，阻尼設置為0.01。

圖2 17～60 Hz約束和位移載荷施加

圖3 60～200 Hz約束和載荷施加

3.3 掃頻疲勞分析

3.3.1S-N曲線確定

驅動殼體所用材料為YL101，一次掃頻試驗循環次數為506 905次，位于1 000～1×107區間內，查閱相關資料[7-8],取a=520 MPa，b=-0.076，所以YL101S-N曲線如圖4所示。

圖4 YL101 S-N曲線

3.3.2 危險點確定

門系統掃頻振動試驗時，門泵機構驅動電機殼體發生斷裂，斷裂形式如圖5所示。根據殼體斷裂形式并結合力學分析可得,如圖6所示4個點在掃頻振動時受力較危險，將4個危險點進行疲勞計算。

圖5 電機殼體斷裂形式

圖6 掃頻振動時受力危險點示意

3.3.3 危險點應力提取

文中計算提取30個頻率點，前6個頻率點應力如圖7所示，30個頻率點對應的應力如表4所示。

圖7 前6個頻率點對應應力云圖

表4 30個頻率點對應的應力

3.3.4 計算累積損傷

疲勞累積損傷理論認為：當材料或零件承受高于疲勞極限的應力時，每一個循環都使材料產生一定量的損傷，在循環載荷作用下，疲勞損傷會不斷累積，當損傷累積到達臨界時發生疲勞破壞。線性累積損傷Miner理論形式簡單、使用方便,在工程中得到廣泛應用，線性累積損傷Miner理論認為材料在各個應力下的疲勞損傷是獨立的，并且可以線性地累加起來，每次應力循環都會有損傷產生，當損傷值大于或等于1時，認為該結構則處于危險狀態。根據計算公式(11)計算出4個點損傷值分別為0，352，2 559和0，其中點2和點3的損傷值遠大于1 ，所以門泵系統驅動電機殼體掃頻振動時會發生破壞，正好印證了第3.3.2節中掃頻振動中電機殼體斷裂形式。

4 結構改進及驗證

4.1 結構改進

根據第3.3.4節計算可得，按照QC/T 678—2016《客車乘客門門泵》標準規定的掃頻試驗進行試驗時，門泵電機殼體可能會發生破壞，現需要在材料不變的條件下對電機殼體加強優化?？偣灿?處結構需要優化：(1)將殼體壁厚由原來的3 mm增加到3.5 mm;(2)在側邊增加3 mm厚筋;(3)在殼體底部增加3 mm厚筋，如圖8所示。

圖8 優化前后結構比較

4.2 結構驗證

對加強優化后的結構進行掃頻仿真，邊界條件與原結構分析相同，并根據第3.3.2節中確定的危險點，在優化后的結構中確定4個危險點作為衡量優化后結構的耐振性。4個危險參考點如圖9所示。經計算4個點損傷值分別為D后1=0，D后2=0.23，D后3=0.38，D后4=0，4個危險點損傷值均小于1，所以基于掃頻仿真獲得結果判斷優化后的結果滿足耐振要求。將加強優化的電機殼體帶入門系統進行掃頻試驗，電機殼體完好無損，門系統正常工作，說明優化后的結構滿足掃頻試驗要求，驗證了該計算方法的可行性和可靠性。

圖9 優化結構掃頻振動時受力危險點示意

5 結論

文中采用理論分析、數值仿真與試驗相結合的研究手段，開展了新能源公交車電動內擺門驅動機構電機殼體掃頻振動的研究得到如下結論：

(1)以掃頻振動試驗標準和振動疲勞理論為基礎，介紹了振動掃頻試驗和掃頻振動疲勞的計算方法，推導了掃頻振動結構中某點的振動疲勞損傷量。

(2)為研究電機殼體掃頻振動特性，可以將電機殼體組件作為研究對象，不必對整個門系統建模分析，提高了效率。

(3)基于理論計算和數值仿真對電機殼體掃頻壽命進行分析，然后根據分析結果進行結構加強，最后利用理論計算和試驗驗證了這種方法的可靠性和可行性，也為后期結構優化提供參考，加快研發進度。