電池箱體的氣密性檢測工裝受力分析及優(yōu)化

中圖分類號：TH167 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240355

Force Analysis and Structural Optimization of Airtightness Testing Fixture for Battery Box

YuanDaimin，WuJunlong，Li Bin，HeBangyan，Gu Chengbo （AISN Innovative Design and Manufacturing Co.，Ltd.，Liuzhou 545000）

Abstract：To address the issue of inaccurate test resultscaused byunstable clamping andleakage in the airtightness testing tooling forelectricvehiclebatterybox，aforceanalysisisconductedonthefixture，andaselflockingverificationoftheclampingmechanismisperformed.Thisproves thatsuffcientandstableclamping is the necessry and suffcientcondition for the fixture toachievesealing and thereby conduct accurate testing.Based on this finding，this paper proposes anoptimized fixturedesign.Theverificationresules shows thatthe designcan significantly improve the fixture's sealing performance and accuracy of airtightness testing.

KeyWords：Batteryboxairtightness，Testing fixture，F(xiàn)orceanalysis，Clamping Stability

1前言

新能源電動汽車電池包的性能至關(guān)重要，電池箱體的氣密性是電池包的關(guān)鍵性能之一[]。箱體氣密性不足可能導(dǎo)致外界的水汽、粉塵等滲透進(jìn)入電池包，引發(fā)電芯短路等故障，最終造成電池?zé)崾Э鼗蜃匀?]。因此，箱體的氣密性檢測是箱體制造過程中的關(guān)鍵工序。

現(xiàn)有的箱體氣密性檢測工裝存在諸多問題，例如，工裝結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致夾緊失效等，這些問題直接影響氣密性檢測結(jié)果3]。當(dāng)氣密性檢測條件等存在較大變化時，會提高檢測過程中的不確定性

為解決上述問題，本文分析了現(xiàn)有檢測工裝的缺陷，提出了解決方案，以提高箱體的氣密性檢測準(zhǔn)確性，縮短檢測時間，提升生產(chǎn)效率。

2工裝檢測原理及存在問題

2.1 檢測原理

常見箱體的氣密性檢測工裝有3種，即四連桿式、轉(zhuǎn)角下壓式和框架下壓式，如圖1＼～圖3所示，其檢測原理相同，具體檢測步驟為：首先將箱體倒扣在工裝托板的密封膠圈上，壓臂壓緊箱體背面；然后側(cè)堵機(jī)構(gòu)密封箱體側(cè)面接插口；最后氣密儀在一定時間內(nèi)向箱體內(nèi)充入一定壓強(qiáng)的氣體，保壓一定時間后，在一定時間內(nèi)檢測箱體的泄漏量，與此同時，檢測人員通過在箱體焊縫上涂抹氣泡液來觀察泄漏處的情況，結(jié)合氣密檢測值，判斷箱體是否合格，若合格則箱體流轉(zhuǎn)下序，若箱體不合格，則標(biāo)記泄漏位置并返工，重新進(jìn)行氣密性檢測。

2.2 存在的問題

當(dāng)前所用的工裝存在一些缺陷，如壓臂壓緊箱體不穩(wěn)定、工裝的零部件易變形、工裝的操作空間不足等。這些缺陷大幅降低了檢測準(zhǔn)確度，不便于觀察焊縫和發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)，導(dǎo)致部分箱體需重復(fù)檢測。氣密檢測工序的生產(chǎn)節(jié)拍緩慢，成為瓶頸工序，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。

3 問題分析

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一個箱體在同一次裝夾的情況下，存在第1次氣密性檢測不合格、第2次氣密性檢測合格，或第1次合格、第2次卻不合格的情況。而這些箱體的IP68級5沉水試驗(yàn)結(jié)果均滿足密封性能要求。另外，對氣密檢測儀進(jìn)行重復(fù)精度標(biāo)定，確定氣密儀正常。因此，氣密性檢測結(jié)果穩(wěn)定性差與箱體和氣密儀無關(guān)，而與工裝有關(guān)，推測與工裝對箱體的夾緊密封有關(guān)，為此，對工裝進(jìn)行裝夾受力分析。

3.1轉(zhuǎn)角下壓式工裝的受力分析

以某下壓式氣密工裝為例，其沿箱體周圍一圈均勻布置有17個壓臂組件，采用羅門壓板夾緊方式，轉(zhuǎn)角缸提供下壓力，壓臂一端通過尼龍壓塊壓緊箱體，另一端通過螺柱支撐在氣缸的支撐板上，如圖4、圖5所示。箱體受壓臂的下壓夾緊力，同時受到箱體內(nèi)空氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的上提力，如圖6所示。

當(dāng)箱體與工裝上的硅膠圈在接觸處密封時，如圖7所示，硅膠圈受到壓力 F 作用，其與下壓夾緊力 F_j 和上提力 F_k 存在如下關(guān)系：

F=F_j-F_k

接觸力學(xué)理論表明，具有不同表面粗糙度和不同彈性性質(zhì)的2個固體之間的接觸，其有效模量E *如下[]：

式中： E₁ 為接觸體1的彈性模量， E₂ 為接觸體2的彈性模量， V₁ 為接觸體1的泊松比， V₂ 為接觸體2的泊松比。

箱體和硅膠圈的材質(zhì)、彈性模量及泊松比如表1所示。

在接觸前，硅膠圈的橫截面近似為半圓狀，如圖8中虛線所示，接觸后其截面如實(shí)線所示。硅膠圈外形尺寸及所圍面積與箱體的接近，如圖9所示。硅膠圈各個尺寸及其數(shù)值如表2所示。

隨著不斷擠壓，接觸面因2種材質(zhì)發(fā)生相互接觸滲透，接觸面產(chǎn)生密封效果。此時，接觸半徑 R 、壓縮量8和均方根粗糙度斜率 ξ 關(guān)系如下：

當(dāng)硅膠圈在與箱體的接觸處正好達(dá)到密封狀態(tài)時，硅膠圈所受壓強(qiáng)為臨界壓強(qiáng) P₀ ，其與有效模量 E *和均方根粗糙度斜率 ξ 的關(guān)系如下：

P₀=0.23ξE^*

臨界壓強(qiáng)對應(yīng)的壓力為臨界壓力 F₀ ，由壓強(qiáng)原理可知，硅膠圈受到的臨界壓力 F₀ 與壓強(qiáng) P₀ 接觸寬度 B 和硅膠圈周長 L 的關(guān)系如下：

F₀=P₀BL

同理可知，箱體受到的上提力 F_k 與箱體內(nèi)充氣壓強(qiáng) P₁ 和作用面積 s （硅膠圈所圍面積）的關(guān)系如下：

F_k=P₁×S

壓縮空氣站的正常氣體壓強(qiáng)通常為 0.75MPa 由GB50029—2014《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，壓縮空氣壓強(qiáng)有 0.05MPa 的波動為正常情況。因此，通過計(jì)算可驗(yàn)證在正常氣壓值及最大波動氣壓值2種條件下工裝對箱體的密封效果差異性。

當(dāng)氣缸回路中空氣壓力正常時，由杠桿原理可知，箱體受到的夾緊力 F_j 與轉(zhuǎn)角氣缸數(shù)量 n 單個氣缸壓力 壓緊力臂 L₁ 和支撐力臂 L₂ 的關(guān)系如下：

當(dāng)氣缸回路中空氣壓力存在壓降波動時，氣缸壓力減小。同理可知，箱體受到的夾緊力 F_j^′ 與轉(zhuǎn)角氣缸數(shù)量 n 、單個氣缸壓力 F_g^′ 、壓緊力臂 L₁ 和支撐力臂 L₂ 的關(guān)系如下：

表3為工裝和氣缸的各個參數(shù)及具體數(shù)值。本例中所使用的氣缸型號為亞德客 QCKR63×10 夾緊氣缸，當(dāng)氣壓為 0.75MPa 時，夾緊力為 F_g ，當(dāng)氣壓為 0.70MPa 時，夾緊力為 F_gc^′

由式（1）～式（7），經(jīng)計(jì)算可得 F=3267Ngt; F₀=2566N 。

由此可知，當(dāng)工裝夾緊氣缸氣路的氣壓壓強(qiáng)為正常水平時，硅膠圈的夾緊力大于臨界壓力，硅膠圈能夠?qū)崿F(xiàn)密封。

由式（1）＼～式（8），經(jīng)計(jì)算可得： F^′=2536Nlt; F₀=2566N. 。

由此可知，當(dāng)工裝夾緊氣缸氣路的氣壓壓強(qiáng)低于正常水平時，硅膠圈的夾緊力小于臨界壓力，硅膠圈不能實(shí)現(xiàn)密封。

綜上所述，當(dāng)工裝氣缸氣路中的壓強(qiáng)存在波動時，氣缸的夾緊力不足，工裝的密封性不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣密檢測結(jié)果不穩(wěn)定，與氣密檢測結(jié)果穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符，如表4所示。

3.2框架下壓式工裝的受力分析

以某框架下壓式工裝為例，其采用10個缸徑為 80mm 的氣缸來壓緊箱體，如圖10所示。同上，按3.1節(jié)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：當(dāng)壓縮空氣壓強(qiáng)波動的下限為 0.70MPa 時，單個氣缸的壓力為3520N，總夾緊力為 35200N^[7] 。由式（6）可知，氣壓對箱體的上提力為 7650N 。由式（1）可得，硅膠圈受到壓力為27550N，遠(yuǎn)大于密封時需要的臨界壓力2566N，因此，采用框架下壓式工裝不存在密封問題。

由實(shí)際使用效果可知，框架下壓式工裝存在氣密檢測結(jié)果不穩(wěn)定的問題，即足夠的夾緊力未能使工裝達(dá)到穩(wěn)定密封狀態(tài)。原因分析如下：由工裝的受力分析結(jié)果可知，足夠的夾緊力僅為工裝密封的必要條件。當(dāng)氣缸氣路中的壓縮空氣壓強(qiáng)波動時，夾緊力下降，硅膠圈回彈或工裝變形，硅膠圈與箱體的接觸界面上發(fā)生細(xì)微泄漏，工裝呈現(xiàn)非密封狀態(tài)；當(dāng)氣缸氣路中的壓縮空氣壓強(qiáng)穩(wěn)定時，夾緊力穩(wěn)定，硅膠圈與箱體的接觸界面不存在泄漏，工裝呈現(xiàn)密封狀態(tài)。箱體在氣密檢測時，受壓縮空氣波動影響，工裝在密封和非密封狀態(tài)之間切換，最終氣密性檢測結(jié)果表現(xiàn)為不穩(wěn)定。因此，穩(wěn)定夾緊的狀態(tài)是工裝能夠密封的充分條件。

4解決方案和驗(yàn)證

4.1夾緊驗(yàn)證

在框架下壓式工裝上對不同箱體進(jìn)行夾緊驗(yàn)證。裝夾箱體到位后，將所有壓緊氣缸的進(jìn)/出氣口閥門關(guān)閉，即氣缸夾緊自鎖，再對箱體進(jìn)行重復(fù)氣密性檢測，如圖11所示。由統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果可知，3個不同箱體的所有一次性測試值均小于標(biāo)準(zhǔn)值，一次性測試結(jié)果均合格，如表5所示，說明檢測工裝測試結(jié)果相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)合格與不合格同時存在的矛盾情況，說明以上的理論計(jì)算及分析正確。

其中，第1#、2#和3-1#為不同箱體，各重復(fù)測試3次，每組測試數(shù)值的最大偏差為 4.40mL/min 相對于要求值的最大誤差為 29.3% ，如圖12所示。3-1#、3-2#和3-3#為同一個箱體在不同情況下各測試3次，每組測試數(shù)值的最大偏差為4.40mL/min ，相對于要求值的最大誤差為 29.3% ，如圖13所示。因此，考慮每次檢測時手動關(guān)閉接頭存在較大誤差，與現(xiàn)有工裝相比，本次驗(yàn)證的氣密性檢測重復(fù)精度較高，能達(dá)到穩(wěn)定夾緊的效果。

4.2 解決方案

工裝夾緊自鎖對提升氣密性檢測穩(wěn)定性效果顯著，據(jù)此，設(shè)計(jì)了一種利用帶自鎖功能的氣缸實(shí)現(xiàn)夾緊箱體的氣密性檢測工裝方案，如圖14、圖15所示。該方案配置有14個夾緊力矩為 537N?m 的亞德客JCK氣缸，力臂長度為 167.5mm 。同樣地，參考3.1節(jié)中的受力分析，經(jīng)過計(jì)算可知，所有氣缸的總夾緊力遠(yuǎn)大于密封所需的臨界夾緊力。氣缸內(nèi)部有四連桿自鎖機(jī)構(gòu)，能夠在夾緊時實(shí)現(xiàn)自鎖。

4.3 工裝驗(yàn)證

利用帶自鎖功能的肘夾制作簡易的夾緊工裝進(jìn)行驗(yàn)證。工裝配置有19個肘夾，其中，夾緊力可達(dá) 7000N^[9] ，力臂比為 1：2 ，如圖16所示。經(jīng)計(jì)算，所有肘夾的總夾緊力遠(yuǎn)大于密封所需的臨界夾緊力。利用該簡易工裝進(jìn)行了約150臺次的穩(wěn)定氣密性檢測后，僅當(dāng)肘夾產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生夾緊失效時，工裝的氣密性檢測結(jié)果出現(xiàn)合格與不合格同時存在的現(xiàn)象。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明解決方案真實(shí)有效。

5 結(jié)束語

經(jīng)過理論計(jì)算及分析可知，箱體的氣密檢測工裝能夠?qū)崿F(xiàn)密封的充要條件是其密封膠圈受到穩(wěn)定且足夠的夾緊力，夾緊驗(yàn)證證實(shí)了該充要條件是成立的。同時，提出了一種氣密工裝的解決方案，并進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案真實(shí)有效。

后續(xù)可在以上解決方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)壓緊和定位等標(biāo)準(zhǔn)化組件，可在平臺上自由布置，實(shí)現(xiàn)一套氣密性檢測工裝能適配不同尺寸箱體[]，達(dá)到柔性化生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低工裝開發(fā)成本。另外，可設(shè)計(jì)開發(fā)一套氣密檢測流水線設(shè)備，包含有上下料系統(tǒng)、裝夾系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng)等，可連續(xù)作業(yè)，將大幅提高箱體氣密檢測的作業(yè)效率。

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