簡析汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

喻建軍　李辰　張玉哲

摘 要：本文簡要介紹了汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)構(gòu)想，將有限元分析的理論計(jì)算結(jié)果與振動(dòng)檢測(cè)的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為我們?cè)谠O(shè)計(jì)汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具的過程中提供一種可借鑒的模板。

關(guān)鍵詞：振動(dòng);模板

1 前言

伴隨著汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)工藝技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車內(nèi)飾件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求也越來越貼近實(shí)車在真實(shí)路況中的使用狀態(tài)。因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備性能與檢測(cè)技術(shù)人員的專業(yè)技能要求也越來越高。

同時(shí)許多新檢測(cè)技術(shù)也被應(yīng)用到汽車內(nèi)飾件的相關(guān)檢測(cè)中。而作為衡量汽車內(nèi)飾件產(chǎn)品品質(zhì)之一的振動(dòng)性能也越來越受到各大主機(jī)廠的重點(diǎn)關(guān)注。

希望通過對(duì)汽車內(nèi)飾件中較為典型的汽車門板振動(dòng)夾具模型的簡析，能夠形成一整套可以借鑒的成熟設(shè)計(jì)模板，從而縮短夾具的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，同時(shí)也可以大大縮短內(nèi)飾件產(chǎn)品測(cè)試周期，降低制造成本，見圖1。

2 汽車內(nèi)飾件振動(dòng)試驗(yàn)簡介

以往國內(nèi)汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)商對(duì)于產(chǎn)品的振動(dòng)測(cè)試并未進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，因此在制定國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)振動(dòng)測(cè)試還停留在掃頻或定頻振動(dòng)的單一類型測(cè)試階段。直到國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠商引進(jìn)外資并通過學(xué)習(xí)、吸收了外資方的企業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)后，才逐步開始推廣隨機(jī)振動(dòng)、路譜信號(hào)采集振動(dòng)以及“隨機(jī)+路譜”等復(fù)合型振動(dòng)模式。

通常汽車內(nèi)飾件振動(dòng)測(cè)試需要借助定制的振動(dòng)夾具。首先將內(nèi)飾件總成模擬實(shí)車安裝狀態(tài)緊固在夾具上，再將其和振動(dòng)夾具一起固定在電磁振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體上;接著在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面布置好振動(dòng)加速度傳感器，設(shè)置功率放大器的各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù);最后在振動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面上選擇振動(dòng)類型，諸如定頻、掃頻、隨機(jī)、路譜等或是導(dǎo)入振動(dòng)采集數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)而影響整個(gè)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的各種因素中，除去電磁振動(dòng)臺(tái)自身的性能、樣件、振動(dòng)夾具的安裝固定外，振動(dòng)夾具的耐振性能顯得尤為重要。振動(dòng)夾具的選材、設(shè)計(jì)、加工都可能直接影響整個(gè)測(cè)試的成敗。故而分析影響夾具耐振性的因素，總結(jié)振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，形成一套成熟的振動(dòng)夾具三維模型模板將會(huì)節(jié)約大量的測(cè)試周期及成本，見圖2。

3 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)原理

正如我們所知汽車內(nèi)飾件振動(dòng)試驗(yàn)主要是考核在某一特定的頻率范圍內(nèi)對(duì)內(nèi)飾件施加某一特定的激勵(lì)條件（如加速度、位移等），觀察內(nèi)飾件樣品是否出現(xiàn)共振、異響、噪音、緊固件松脫，扭矩?fù)p失等不良變化。

通常在振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可能影響振動(dòng)結(jié)果的主要有三個(gè)因素：1.電磁振動(dòng)臺(tái)自身振動(dòng)性能;2.振動(dòng)夾具與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的固定安裝方式;3.振動(dòng)夾具耐振性能。對(duì)于前2個(gè)因素而言，只需對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行周期性保養(yǎng)維護(hù)且每年定期的計(jì)量校準(zhǔn)，基本可以保障振動(dòng)臺(tái)自身性能的可靠及穩(wěn)定性;同時(shí)盡量將振動(dòng)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心區(qū)域并與臺(tái)面緊固連接即可。由此可知，因素三——振動(dòng)夾具自身的耐振性能將會(huì)成為直接影響測(cè)試結(jié)果成敗的一環(huán)。

為了能夠得到一組具有實(shí)際參考意義的內(nèi)飾件振動(dòng)性能的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，通常情況下首先要排除振動(dòng)夾具耐振性能不足而導(dǎo)致誘發(fā)自身共振、異響等不良情況。故而在振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)階段就需要分別從材料、結(jié)構(gòu)、總體質(zhì)量等多方面綜合考量，才能設(shè)計(jì)出“固有頻率高于激勵(lì)頻率，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，總體質(zhì)量適中，材料成本合理”的振動(dòng)夾具。振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)定型并制作出來后可以通過電磁振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行掃頻測(cè)試，以便驗(yàn)證其固有頻率（共振頻率）是否高于激勵(lì)頻率。

眾所周知，某一物體系統(tǒng)的固有頻率與外部激勵(lì)測(cè)試條件無關(guān)，而僅與其自身的固有特性有關(guān)，如剛度分布與質(zhì)量分布。共振頻率是指某一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動(dòng)的情形，此特定頻率被稱為共振頻率。而當(dāng)某一物理系統(tǒng)的固有頻率與外界激勵(lì)頻率接近或數(shù)值相等時(shí)（通常情況下當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻尼非常小時(shí)，共振頻率近似等于結(jié)構(gòu)的固有頻率），出現(xiàn)共振、異響的概率會(huì)大大增加，即使很小的外部激勵(lì)都可能會(huì)產(chǎn)生很大的振幅。

故而綜上所述，如何使汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具在受到外部激勵(lì)時(shí)，其共振頻率能高于外部激勵(lì)頻率就成為了夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心。更進(jìn)一步說其實(shí)也就是汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具自身的固有頻率一定要高于外部激勵(lì)頻率。通常為了避免由于振動(dòng)工裝固有頻率過低導(dǎo)致工裝實(shí)體制作完成后的反復(fù)修改，我們會(huì)引入CAE有限元分析軟件輔助夾具設(shè)計(jì)工程師完善設(shè)計(jì)方案，在數(shù)模設(shè)計(jì)階段進(jìn)行外部激勵(lì)條件仿真（諧響應(yīng)）或夾具固有頻率計(jì)算（模態(tài)分析），求證振動(dòng)性能的理論計(jì)算值結(jié)果。在此我們借助有限元軟件——ANSYS workbench對(duì)門護(hù)板的振動(dòng)夾具進(jìn)行模態(tài)分析。

模態(tài)分析是一種多自由度振動(dòng)系統(tǒng)分析方法。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)和機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即固有頻率和振型，也是諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和譜分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使其微分方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

有限元模態(tài)計(jì)算是利用有限元法將無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，劃分為有限個(gè)自由度的離散系統(tǒng)，再利用模態(tài)計(jì)算的數(shù)值方法求解系統(tǒng)的有限個(gè)固有頻率和振型的方法。模態(tài)分析的理論過程如下：根據(jù)能量守恒原理建立多自由度彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)微分方程的表達(dá)式為：

公式1 多自由度彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)微分方程的表達(dá)式

模態(tài)分析的是自由振動(dòng)（由于門護(hù)板振動(dòng)夾具的鋼結(jié)構(gòu)阻尼比很小，故而可以忽略），可以看做是忽略阻尼影響的無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)方程可以簡化為：

公式2 簡化方程

4 汽車內(nèi)飾件振動(dòng)夾具模板

我們以汽車內(nèi)飾件中的汽車門護(hù)板為例，分析其振動(dòng)夾具的振動(dòng)性能，尤其是如何改變提升其固有頻率，從而避免振動(dòng)夾具在外部激勵(lì)條件下出現(xiàn)共振。由于汽車內(nèi)飾件振動(dòng)測(cè)試條件多為低頻振動(dòng)，故只需提取低階模態(tài)即可，即計(jì)算出振動(dòng)夾具數(shù)模的前6階固有頻率和振型，根據(jù)其振型特點(diǎn)，通過修改振動(dòng)夾具數(shù)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高其固有頻率。

根據(jù)不同汽車主機(jī)廠提供的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其汽車門護(hù)板的振動(dòng)性能的外部激勵(lì)測(cè)試條件會(huì)有所差異（例如日系測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)多采用“振動(dòng)方向：Z軸;頻率范圍：0～50Hz;加速度：Max 2.4g”作為測(cè)試條件。而歐系測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)多采用“振動(dòng)方向：X，Y，Z軸;頻率范圍：5～100Hz;加速度：Max 1g” 作為測(cè)試條件），但正如之前所述振動(dòng)夾具出現(xiàn)共振和異響主要還是受其自身固有頻率影響，與外部激勵(lì)無關(guān)。因此根據(jù)不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具并確保其“有限元分析的固有頻率理論值”高于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的振動(dòng)頻率上限值的20%～30%即可。

首先當(dāng)汽車門護(hù)板的振動(dòng)夾具的外部框架使用50#壁厚4mm方管焊接，橫向剖面為等腰梯形，中部樣件安裝面為6mm厚45#鋼板，內(nèi)襯為“井”字框架時(shí)，其1階固有頻率有限元理論計(jì)算值約為105Hz（如圖3所示），且振幅最大區(qū)域集中在夾具頂部，振型如圖3所示。

而僅僅當(dāng)振動(dòng)夾具的橫向剖面修改為等腰三角形，外部框架依然使用50#壁厚4mm方管焊接，中部樣件安裝面為也仍然沿用6mm厚45#鋼板，內(nèi)襯為“井”字框架時(shí)，其1階固有頻率有限元理論計(jì)算值上升至約為153Hz（如圖4所示）。

最后按照有限元分析確認(rèn)后的設(shè)計(jì)要求將門護(hù)板的振動(dòng)夾具制作出來，將其置于振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)體振動(dòng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其共振頻率約為110Hz（如圖5 所示），相對(duì)于其有限元理論計(jì)算值偏低約28%，既滿足了日系標(biāo)準(zhǔn)也能滿足歐系標(biāo)準(zhǔn)，所以此種門護(hù)板振動(dòng)夾具的數(shù)模結(jié)構(gòu)可行性較高。

綜上所述，對(duì)于汽車內(nèi)飾件振動(dòng)測(cè)試振動(dòng)夾具的耐振性能是振動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵，而如何通過設(shè)計(jì)修改夾具的結(jié)構(gòu)、更換材料來提升振動(dòng)夾具的固有頻率則是振動(dòng)測(cè)試順利成功的核心。故而建立一套成熟可行的汽車內(nèi)飾件產(chǎn)品的振動(dòng)夾具模型庫顯得極具重要工程應(yīng)用意義，也希望通過此次的總結(jié)能對(duì)從事汽車內(nèi)飾件檢測(cè)領(lǐng)域的同仁提供一點(diǎn)新思路。

5 結(jié)束語

對(duì)于汽車內(nèi)飾件檢測(cè)領(lǐng)域而言，應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注相關(guān)行業(yè)的技術(shù)革新與總結(jié);并積極主動(dòng)的進(jìn)行探索和嘗試，將更多的高新技術(shù)引入到汽車內(nèi)飾件檢測(cè)領(lǐng)域中。對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行不斷的提升，促進(jìn)該領(lǐng)域向著更準(zhǔn)確，更客觀，更真實(shí)，更可靠的宗旨不斷的邁進(jìn)。同時(shí)也更夠?yàn)閺V大的汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)商提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，促進(jìn)國產(chǎn)汽車內(nèi)飾件質(zhì)量水平的穩(wěn)步提升。

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