基于多功能柔性組合的振動試驗工裝夾具的優化設計

葉江楊，吳袁生，袁文強

中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510530

0 引言

近年來，汽車已經走進千家萬戶，成為日常生活必不可少的交通工具，人們對汽車駕駛的舒適性及安全性要求也越來越高。振動試驗是以預期零部件在實際使用中的疲勞極力學邊界條件，采用振動試驗設備加載到零部件上，通過試驗可提前暴露產品缺陷，驗證其設計結構和材料選型的合理性，能有效地降低汽車研發周期，提高整車零部件的可靠性。因此振動試驗成為檢驗汽車零部件可靠性和耐久性必需的一項工作[1]，對保證整車質量和行駛可靠性有著重要意義。

振動試驗體現的動力學參數可用工程語言的頻率、速度、加速度和振幅來表示。在實際環境中，零部件主要受力來源于兩個方面，分別是往復式活塞發動機不平衡轉動而產生的推力脈動變化和來自行駛過程中路面對汽車的隨機沖擊，而振動試驗可根據試驗標準條件對應輸出機械沖擊、正弦振動和隨機振動及其疊加振動波形的激勵。

本文基于常見的振動試驗，以汽車發動機散熱器和車載冷凝器為試驗對象，設計優化多功能柔性組合的振動試驗工裝夾具，從而縮短設計制造周期，保證試驗結果的有效性。

1 現有振動試驗夾具存在的問題

夾具在傳遞能量給試樣時，存在一定的失真。如圖1所示，試驗夾具是振動試驗中的重要組成部分，在與單軸往復電動振動臺的剛性連接中，需要滿足在笛卡爾坐標系中X、Y、Z3個軸向的轉換，其中振動臺的垂直狀態可執行試樣的Z方向試驗，而水平狀態則可執行X和Y。實際使用中散熱器多采用方型鋼管焊制，這類型的夾具具有加工便捷且成本較低的優點，但由于強度低且固有頻率容易與樣品重疊，容易造成“過振動”而導致試驗失效。基于夾具方案的強度、輕量化、成本和加工工藝等因素的限制，尤其是當組裝的試驗夾具和試樣的固有頻率在試驗頻率范圍有重疊時，通常無法保證準確的能量傳輸，也影響著試驗的有效性。

圖1 振動試驗中垂直和水平狀態示意

某散熱器夾具案例如圖2所示。

圖2 某散熱器夾具案例

定制設計的試驗夾具無法完全適配汽車散熱器和冷凝器的多種固定結構形式。現有汽車散熱器和冷凝器的固定方式在結構上分為下壓式、側裝式、邊托式、底托式及其組合形式，試驗夾具在主體框架的基礎上，需要根據產品的不同結構形式來設計制造其固定零件。供應商送檢的產品各異，傳統定制夾具的設計制造占整個試驗流程周期的70%，非常不利于現代化檢測機構企業競爭。定制型夾具通常只能適配空調系統的冷凝器或發動機的散熱器，專件專用，這大大地限制了該類型振動夾具的通用性。

2 振動試驗工裝夾具的結構設計

在工程應用中，振動試驗夾具往往限定于特定試驗條件和對應試驗樣品。在設計過程中，降低設計和制造成本是一個重要的考慮條件。降低成本不僅要求夾具結構簡單、易于制造，而且要求設計過程盡可能采用成熟技術和結構形式、減少設計分析和試驗驗證的工作量[2]。因此，對于實際應用中，以多功能和柔性化的設計理念來滿足使用需求顯得尤為重要。

2.1 多功能的設計理念及實施方案

夾具主要由主框架構和配套安裝零件兩部分組成，材料均為7075航空鋁材。主框架構由一個垂直安裝立柱、一個底部滑塊安裝槽、一個底板和一個立柱加強筋通過螺栓定位連接后焊接而成的一個整體，如圖3所示。主框架構主要承擔連接振動試驗設備與試樣，保證能量的有效傳遞，同時為配套安裝零部件提供基體。

圖3 主框架構示意

在實際應用中，主框架的底座與振動水平滑臺或垂直拓展臺之間采用螺栓緊固后，根據不同的安裝需求選用配套的安裝零件，如圖4中的下壓安裝塊、側向安裝塊、側托安裝塊、下托安裝塊和兩個安裝塊橫梁。

圖4 總成架構示意

2.2 柔性化的設計理念及實施方案

在大多數情況下，每個試件的安裝位置也會因車型不一致而導致安裝具體點不一致，此時，基于選用好配套的安裝零件后，還需要柔性化的微調空間。全段長圓孔固然可解決此柔性化需求，但在振動試驗中不能滿足強度和輕量化的設計原則。因此，在設計中采用分段長圓孔+偏心安裝模塊的解決方案來解決柔性化安裝問題。

安定位夾緊點位置也是不完全相同的，所以柔性工裝夾具的結構設計要對各個定位點和夾緊裝置的位置進行細致調節。在工裝方案中，安裝模塊的位置均設計有5個長圓孔和配合安裝塊的尺寸，如圖5所示。同時通過安裝塊的安裝孔在長圓槽中的滑動和正方向安裝，從而實現全段柔性可調如圖6所示。

圖5 配合安裝尺寸(單位：mm)

圖6 柔性化安裝模式示意

3 有限元分析和結果驗證

振動試驗夾具的一階固有頻率是衡量夾具設計可靠性的重要參數之一，也是振動試驗可靠性關鍵因素之一[3]。

通過設計方案在實際投產前進行必要的結構合理性分析，可見該夾具各階的模態幅值變化和共振頻率點。夾具建模模型通過HyperMesh進行網格劃分再放在HyperView軟件上模擬運行空間6個自由度的幅值變化。夾具的一階模態分析結果如圖7所示，幅值變形主要集中在夾具中上部，共振頻率為151.54 Hz。夾具的二階模態分析結果如圖8所示，幅值變形主要集中在夾具中上部的兩側加強筋，共振頻率為196.32 Hz。夾具的三階模態分析結果如圖9所示，幅值變形主要集中在夾具中部的兩側加強筋，共振頻率為250.68 Hz。通過有限元分析，幅值范圍主要集中在振動夾具的中上部位，可見越偏離運動中心軸線越接近共振點范圍。

圖7 夾具的一階模態分析結果

圖8 夾具的二階模態分析結果

圖9 夾具的三階模態分析結果

4 夾具共頻分析和結果驗證

為了評價此夾具在實際振動試驗中的性能，結合有限元分析結果在夾具的頂端作為監控點布置電動振動試驗系統加速度傳感器，并以振動臺面作為控制點布置加速度傳感器，進行諧振搜索試驗及分析,如圖10所示。

圖10 諧振搜索試驗

本夾具是針對日本工業標準JS D 1601汽車零部件振動試驗方法標準中的剛性試驗載體，要求其振動試驗采用頻率為33 Hz或67 Hz，即設計要求是確保不失真地傳遞運動載荷，且在試驗頻率范圍內不發生共振，即夾具的一階固有頻率要高于試驗頻率的上限，則可滿足試驗環境需求。

結合主流的兩種夾具要求：一階固有頻率大于試件固有頻率的3～5倍[4]和美國圣地亞試驗室的振動夾具設計規范[5]中25～250 kg的小于500 Hz，最終確定試驗頻率范圍在10～200 Hz。其余參數設定為：加速度1g，掃頻速率1 oct/min，在X、Y、Z3個方向各進行1次掃頻，試驗結果如圖11至圖13所示。

圖11 夾具X方向諧振搜索試驗結果

圖12 夾具Y方向諧振搜索試驗結果

圖13 夾具Z方向諧振搜索試驗結果

由實際諧振搜索試驗結果分析可知，該夾具在X、Y、Z3個激勵輸入中，結構響應在10～200 Hz頻率范圍內均未見共振點。可見第3節的有限元分析中一階固有頻率和二階固有頻率在單軸向激勵分解后均未見影響，此振動試驗夾具具有實際工程應用價值。

5 結束語

本文提出了一種多功能柔性化振動試驗的夾具優化設計方案，正迎合了檢測行業數字化和專業化的發展趨勢。該方案能夠通過快速調節工裝夾具上安裝模塊的夾緊點位置，來滿足不同尺寸不同形狀的機械設計加工要求，統配性較強。同時該方案通過了有限元分析和標準試驗驗證，滿足試驗需求，具有提高設計效率、大幅降低設計成本等優點。

通過本文的研究，可為汽車發動機散熱器和車載空調冷凝器類型試件的振動試驗提供夾具方案支持，有效加快試驗周期進程并提高效率，同時降低試驗成本，避免了以往振動試驗以經驗為主導的夾具設計思路導致試驗譜對試件的“欠振動”或“過振動”的能量傳遞，為汽車零部件疲勞可靠性試驗的準確性提供了技術保障。