基于掃頻振動(dòng)門(mén)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)

王衛(wèi)，貢智兵，譚文才，李錦偉，黃東盛

(南京康尼機(jī)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(jī)逐漸加劇，新能源城市公交車(chē)逐漸取代傳統(tǒng)燃油公交車(chē)。電動(dòng)內(nèi)擺門(mén)相較于傳統(tǒng)氣動(dòng)門(mén)省去了電能轉(zhuǎn)化為氣能然后再轉(zhuǎn)氣壓能，更節(jié)能，噪聲更小，因此電動(dòng)門(mén)系統(tǒng)逐漸取代氣動(dòng)門(mén)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于公交車(chē)上，電動(dòng)門(mén)上有電機(jī)作為動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，是電動(dòng)門(mén)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)QC/678—2016《客車(chē)乘客門(mén)門(mén)泵》中規(guī)定的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)是一項(xiàng)重要指標(biāo)。

目前針對(duì)掃頻振動(dòng)試驗(yàn)零件破壞的研究主要集中于疲勞的計(jì)算方法。丁杰和張平[1]對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行正弦掃頻疲勞仿真，分析X、Y和Z3個(gè)方向的振動(dòng)疲勞損傷，得出結(jié)構(gòu)薄弱部位的疲勞壽命結(jié)果。最后借助振動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)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(dòng)疲勞壽命預(yù)計(jì)的簡(jiǎn)便處理方法，在沒(méi)有適用的結(jié)構(gòu)材料疲勞S-N曲線(xiàn)的情況下，利用計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)得的構(gòu)件臨界部位的響應(yīng)功率譜密度曲線(xiàn)，根據(jù)疲勞損傷量等效原則和疲勞損傷可“累積”原則計(jì)算所對(duì)應(yīng)的疲勞損傷量。李琳琳等[4]以騎跨式機(jī)架為研究對(duì)象，為避免機(jī)架產(chǎn)生共振,在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置添加彈性元件，對(duì)機(jī)架采用減振方案的諧響應(yīng)分析，計(jì)算得出應(yīng)力、變形量的變化曲線(xiàn)，結(jié)合機(jī)架結(jié)構(gòu)材料的S-N曲線(xiàn)和線(xiàn)性累積損傷理論,對(duì)機(jī)架進(jìn)行疲勞分析。

文中以新能源大巴車(chē)電動(dòng)內(nèi)擺門(mén)門(mén)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)殼體為研究對(duì)象，以振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了掃頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)振動(dòng)疲勞損傷量?；赪orkbench構(gòu)建了有限元模型，進(jìn)行掃頻振動(dòng)分析，結(jié)合線(xiàn)性累積損傷理論Miner以及掃頻振動(dòng)疲勞理論計(jì)算出掃頻試驗(yàn)中電機(jī)殼體薄弱地方，并借助試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)電機(jī)殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)，基于有限元仿真分析方法對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻耐振性分析，同時(shí)將新結(jié)構(gòu)帶入門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行門(mén)系統(tǒng)掃頻試驗(yàn)，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可行性和可靠性。

1 振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)是試驗(yàn)室中驗(yàn)證機(jī)械系統(tǒng)耐振性經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，目前我國(guó)現(xiàn)行QC/T 678—2016《客車(chē)乘客門(mén)門(mén)泵》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)乘客室門(mén)系統(tǒng)耐振性能的要求[5]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了掃頻試驗(yàn)的振動(dòng)方向和載荷嚴(yán)酷要求，如表1所示。

表1 掃頻振動(dòng)要求

參考環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10—2019中規(guī)定的掃頻振動(dòng)參數(shù)[6]為：

(1)

(2)

(3)

f=f1ekt

(4)

式中：L是振動(dòng)循環(huán)次數(shù)；X是倍頻程；T是一個(gè)掃頻循環(huán)振動(dòng)時(shí)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的頻率，k為掃描速率，如果是每分鐘一個(gè)倍頻程，則k=ln2=0.693，所以公式(4)可以寫(xiě)成如下：

f=f1e0.693t

(5)

根據(jù)公式可得：從17 Hz開(kāi)始掃頻到200 Hz截止，振動(dòng)總次數(shù)為15 840次，總時(shí)間為3.556 min，其中17～60 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)次數(shù)為3 722次，振動(dòng)時(shí)間為1.819 min；60～200 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)次數(shù)為12 118次，振動(dòng)時(shí)間為1.737 min。為研究掃頻振動(dòng)特性，等時(shí)間提取M個(gè)振動(dòng)頻率點(diǎn)作為研究對(duì)象，根據(jù)公式(5)可得此時(shí)掃頻頻率為：

(6)

(7)

式中：m為提取序號(hào)，m≤M；fm為提取序號(hào)m對(duì)應(yīng)的頻率；Nm為fm頻率下振動(dòng)次數(shù)。

2 正弦掃頻振動(dòng)疲勞計(jì)算

利用對(duì)數(shù)掃頻方式進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，線(xiàn)性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)為:

ε(t)=A0sin{2π[f1ekt+φ0]}

(8)

式中：A0是應(yīng)變幅值；φ0是應(yīng)變信號(hào)的初相位；f1為掃頻時(shí)開(kāi)始激勵(lì)頻率；t為開(kāi)始的時(shí)間。

課程主要分為通識(shí)教育課程，大學(xué)外語(yǔ)教育課程，專(zhuān)業(yè)教育課程，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)四個(gè)類(lèi)別，著重提高大學(xué)外語(yǔ)教育課程，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分比例，同時(shí)提高選修課程比例，提高各模塊選修課程學(xué)分比例，分別設(shè)置通識(shí)教育類(lèi)、外語(yǔ)類(lèi)、專(zhuān)業(yè)方向類(lèi)、專(zhuān)業(yè)任選類(lèi)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)類(lèi)選修課程，給學(xué)生提供更多的選擇機(jī)會(huì)。具體課程類(lèi)別與學(xué)分占比如表1：

由胡克定律可得：

σ=Eε

(9)

式中：σ為結(jié)構(gòu)某一點(diǎn)處應(yīng)力；ε為改點(diǎn)的應(yīng)變；E為材料的彈性模量。

為分析簡(jiǎn)便，設(shè)正弦掃頻時(shí)結(jié)構(gòu)處于單向應(yīng)力狀態(tài)，且應(yīng)力比K=-1，對(duì)應(yīng)材料S-N曲線(xiàn)[7]為:

lgs=a+blgN

(10)

式中：s為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)；N為對(duì)應(yīng)于該應(yīng)力響應(yīng)的疲勞壽命；a、b分別是截距和斜率。

根據(jù)Miner累計(jì)損失理論，可以計(jì)算出在激勵(lì)時(shí)間T后，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷量為：

(11)

由式(11)可以看出，當(dāng)M趨近無(wú)窮大時(shí)，D收斂于一個(gè)常數(shù)，同理頻率點(diǎn)取無(wú)限多時(shí)，結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的損傷值收斂于某常數(shù)。在結(jié)構(gòu)彈性模量和S-N曲線(xiàn)不變的情況下，只要知道結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)就可估算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

計(jì)算提取30個(gè)頻率點(diǎn)，30個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)次數(shù)如表2所示。

表2 30個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)次數(shù)

表中各個(gè)頻率點(diǎn)振動(dòng)總次數(shù)為532 546，根據(jù)公式(1)計(jì)算出來(lái)為506 905，相對(duì)誤差為5.05%。這主要是由于掃頻試驗(yàn)時(shí)各個(gè)頻率是連續(xù)的，而通過(guò)各個(gè)頻率點(diǎn)計(jì)算出來(lái)的振動(dòng)次數(shù)是離散的，但是相對(duì)誤差只有5.05%，滿(mǎn)足工程使用精度要求。

3 電機(jī)殼體掃頻仿真

3.1 有限元模型建立

門(mén)系統(tǒng)物理掃頻試驗(yàn)時(shí)，是將整個(gè)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，為了研究門(mén)泵中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耐振性能，節(jié)省計(jì)算資源，文中計(jì)算只將電機(jī)組件作為研究對(duì)象，如圖1所示。電機(jī)組件主要由電機(jī)1、減速器蓋板2、減速器殼體3、電機(jī)安裝板4、傳動(dòng)齒輪5、機(jī)構(gòu)固定板6等組成。主要零部件材料如表3所示。

圖1 原結(jié)構(gòu)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(yàn)仿真

掃頻試驗(yàn)仿真主要應(yīng)用有限元分析中的諧響應(yīng)分析模塊。諧響應(yīng)分析主要且用于確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按照正弦變化載荷的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)，并可以得到一些響應(yīng)對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。

QC/T 678—2016《客車(chē)乘客門(mén)門(mén)泵》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定掃頻試驗(yàn)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(jī)構(gòu)固定板X(qián)和Z向自由度，施加Y向位移載荷0.35 mm，掃描頻率設(shè)置為17～60 Hz，完全法求解，阻尼設(shè)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(jī)構(gòu)固定板端面全約束，如圖中A所示，B為加速度載荷，用模態(tài)疊加法求解，阻尼設(shè)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(xiàn)確定

驅(qū)動(dòng)殼體所用材料為YL101，一次掃頻試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為506 905次，位于1 000～1×107區(qū)間內(nèi)，查閱相關(guān)資料[7-8],取a=520 MPa，b=-0.076，所以YL101S-N曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 YL101 S-N曲線(xiàn)

3.3.2 危險(xiǎn)點(diǎn)確定

門(mén)系統(tǒng)掃頻振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，門(mén)泵機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體發(fā)生斷裂，斷裂形式如圖5所示。根據(jù)殼體斷裂形式并結(jié)合力學(xué)分析可得,如圖6所示4個(gè)點(diǎn)在掃頻振動(dòng)時(shí)受力較危險(xiǎn)，將4個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行疲勞計(jì)算。

圖5 電機(jī)殼體斷裂形式

圖6 掃頻振動(dòng)時(shí)受力危險(xiǎn)點(diǎn)示意

3.3.3 危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力提取

文中計(jì)算提取30個(gè)頻率點(diǎn)，前6個(gè)頻率點(diǎn)應(yīng)力如圖7所示，30個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力如表4所示。

圖7 前6個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)力云圖

表4 30個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力

3.3.4 計(jì)算累積損傷

疲勞累積損傷理論認(rèn)為：當(dāng)材料或零件承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一個(gè)循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷會(huì)不斷累積，當(dāng)損傷累積到達(dá)臨界時(shí)發(fā)生疲勞破壞。線(xiàn)性累積損傷Miner理論形式簡(jiǎn)單、使用方便,在工程中得到廣泛應(yīng)用，線(xiàn)性累積損傷Miner理論認(rèn)為材料在各個(gè)應(yīng)力下的疲勞損傷是獨(dú)立的，并且可以線(xiàn)性地累加起來(lái)，每次應(yīng)力循環(huán)都會(huì)有損傷產(chǎn)生，當(dāng)損傷值大于或等于1時(shí)，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)則處于危險(xiǎn)狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算公式(11)計(jì)算出4個(gè)點(diǎn)損傷值分別為0，352，2 559和0，其中點(diǎn)2和點(diǎn)3的損傷值遠(yuǎn)大于1 ，所以門(mén)泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體掃頻振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，正好印證了第3.3.2節(jié)中掃頻振動(dòng)中電機(jī)殼體斷裂形式。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)第3.3.4節(jié)計(jì)算可得，按照QC/T 678—2016《客車(chē)乘客門(mén)門(mén)泵》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的掃頻試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，門(mén)泵電機(jī)殼體可能會(huì)發(fā)生破壞，現(xiàn)需要在材料不變的條件下對(duì)電機(jī)殼體加強(qiáng)優(yōu)化?？偣灿?處結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化：(1)將殼體壁厚由原來(lái)的3 mm增加到3.5 mm;(2)在側(cè)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(yōu)化前后結(jié)構(gòu)比較

4.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

對(duì)加強(qiáng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻仿真，邊界條件與原結(jié)構(gòu)分析相同，并根據(jù)第3.3.2節(jié)中確定的危險(xiǎn)點(diǎn)，在優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)中確定4個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)作為衡量?jī)?yōu)化后結(jié)構(gòu)的耐振性。4個(gè)危險(xiǎn)參考點(diǎn)如圖9所示。經(jīng)計(jì)算4個(gè)點(diǎn)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(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)損傷值均小于1，所以基于掃頻仿真獲得結(jié)果判斷優(yōu)化后的結(jié)果滿(mǎn)足耐振要求。將加強(qiáng)優(yōu)化的電機(jī)殼體帶入門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，電機(jī)殼體完好無(wú)損，門(mén)系統(tǒng)正常工作，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足掃頻試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可行性和可靠性。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)掃頻振動(dòng)時(shí)受力危險(xiǎn)點(diǎn)示意

5 結(jié)論

文中采用理論分析、數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，開(kāi)展了新能源公交車(chē)電動(dòng)內(nèi)擺門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)殼體掃頻振動(dòng)的研究得到如下結(jié)論：

(1)以?huà)哳l振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和振動(dòng)疲勞理論為基礎(chǔ)，介紹了振動(dòng)掃頻試驗(yàn)和掃頻振動(dòng)疲勞的計(jì)算方法，推導(dǎo)了掃頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)的振動(dòng)疲勞損傷量。

(2)為研究電機(jī)殼體掃頻振動(dòng)特性，可以將電機(jī)殼體組件作為研究對(duì)象，不必對(duì)整個(gè)門(mén)系統(tǒng)建模分析，提高了效率。

(3)基于理論計(jì)算和數(shù)值仿真對(duì)電機(jī)殼體掃頻壽命進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，最后利用理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可靠性和可行性，也為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，加快研發(fā)進(jìn)度。