基于多功能柔性組合的振動(dòng)試驗(yàn)工裝夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉江楊，吳袁生，袁文強(qiáng)

中汽檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510530

0 引言

近年來(lái)，汽車(chē)已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，成為日常生活必不可少的交通工具，人們對(duì)汽車(chē)駕駛的舒適性及安全性要求也越來(lái)越高。振動(dòng)試驗(yàn)是以預(yù)期零部件在實(shí)際使用中的疲勞極力學(xué)邊界條件，采用振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備加載到零部件上，通過(guò)試驗(yàn)可提前暴露產(chǎn)品缺陷，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料選型的合理性，能有效地降低汽車(chē)研發(fā)周期，提高整車(chē)零部件的可靠性。因此振動(dòng)試驗(yàn)成為檢驗(yàn)汽車(chē)零部件可靠性和耐久性必需的一項(xiàng)工作[1]，對(duì)保證整車(chē)質(zhì)量和行駛可靠性有著重要意義。

振動(dòng)試驗(yàn)體現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可用工程語(yǔ)言的頻率、速度、加速度和振幅來(lái)表示。在實(shí)際環(huán)境中，零部件主要受力來(lái)源于兩個(gè)方面，分別是往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的推力脈動(dòng)變化和來(lái)自行駛過(guò)程中路面對(duì)汽車(chē)的隨機(jī)沖擊，而振動(dòng)試驗(yàn)可根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)應(yīng)輸出機(jī)械沖擊、正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)及其疊加振動(dòng)波形的激勵(lì)。

本文基于常見(jiàn)的振動(dòng)試驗(yàn)，以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器和車(chē)載冷凝器為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)優(yōu)化多功能柔性組合的振動(dòng)試驗(yàn)工裝夾具，從而縮短設(shè)計(jì)制造周期，保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

1 現(xiàn)有振動(dòng)試驗(yàn)夾具存在的問(wèn)題

夾具在傳遞能量給試樣時(shí)，存在一定的失真。如圖1所示，試驗(yàn)夾具是振動(dòng)試驗(yàn)中的重要組成部分，在與單軸往復(fù)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的剛性連接中，需要滿(mǎn)足在笛卡爾坐標(biāo)系中X、Y、Z3個(gè)軸向的轉(zhuǎn)換，其中振動(dòng)臺(tái)的垂直狀態(tài)可執(zhí)行試樣的Z方向試驗(yàn)，而水平狀態(tài)則可執(zhí)行X和Y。實(shí)際使用中散熱器多采用方型鋼管焊制，這類(lèi)型的夾具具有加工便捷且成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但由于強(qiáng)度低且固有頻率容易與樣品重疊，容易造成“過(guò)振動(dòng)”而導(dǎo)致試驗(yàn)失效?；趭A具方案的強(qiáng)度、輕量化、成本和加工工藝等因素的限制，尤其是當(dāng)組裝的試驗(yàn)夾具和試樣的固有頻率在試驗(yàn)頻率范圍有重疊時(shí)，通常無(wú)法保證準(zhǔn)確的能量傳輸，也影響著試驗(yàn)的有效性。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)中垂直和水平狀態(tài)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(shè)計(jì)的試驗(yàn)夾具無(wú)法完全適配汽車(chē)散熱器和冷凝器的多種固定結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)有汽車(chē)散熱器和冷凝器的固定方式在結(jié)構(gòu)上分為下壓式、側(cè)裝式、邊托式、底托式及其組合形式，試驗(yàn)夾具在主體框架的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)產(chǎn)品的不同結(jié)構(gòu)形式來(lái)設(shè)計(jì)制造其固定零件。供應(yīng)商送檢的產(chǎn)品各異，傳統(tǒng)定制夾具的設(shè)計(jì)制造占整個(gè)試驗(yàn)流程周期的70%，非常不利于現(xiàn)代化檢測(cè)機(jī)構(gòu)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。定制型夾具通常只能適配空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器或發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器，專(zhuān)件專(zhuān)用，這大大地限制了該類(lèi)型振動(dòng)夾具的通用性。

2 振動(dòng)試驗(yàn)工裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在工程應(yīng)用中，振動(dòng)試驗(yàn)夾具往往限定于特定試驗(yàn)條件和對(duì)應(yīng)試驗(yàn)樣品。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，降低設(shè)計(jì)和制造成本是一個(gè)重要的考慮條件。降低成本不僅要求夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，而且要求設(shè)計(jì)過(guò)程盡可能采用成熟技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式、減少設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的工作量[2]。因此，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中，以多功能和柔性化的設(shè)計(jì)理念來(lái)滿(mǎn)足使用需求顯得尤為重要。

2.1 多功能的設(shè)計(jì)理念及實(shí)施方案

夾具主要由主框架構(gòu)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(gòu)由一個(gè)垂直安裝立柱、一個(gè)底部滑塊安裝槽、一個(gè)底板和一個(gè)立柱加強(qiáng)筋通過(guò)螺栓定位連接后焊接而成的一個(gè)整體，如圖3所示。主框架構(gòu)主要承擔(dān)連接振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備與試樣，保證能量的有效傳遞，同時(shí)為配套安裝零部件提供基體。

圖3 主框架構(gòu)示意

在實(shí)際應(yīng)用中，主框架的底座與振動(dòng)水平滑臺(tái)或垂直拓展臺(tái)之間采用螺栓緊固后，根據(jù)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(cè)向安裝塊、側(cè)托安裝塊、下托安裝塊和兩個(gè)安裝塊橫梁。

圖4 總成架構(gòu)示意

2.2 柔性化的設(shè)計(jì)理念及實(shí)施方案

在大多數(shù)情況下，每個(gè)試件的安裝位置也會(huì)因車(chē)型不一致而導(dǎo)致安裝具體點(diǎn)不一致，此時(shí)，基于選用好配套的安裝零件后，還需要柔性化的微調(diào)空間。全段長(zhǎng)圓孔固然可解決此柔性化需求，但在振動(dòng)試驗(yàn)中不能滿(mǎn)足強(qiáng)度和輕量化的設(shè)計(jì)原則。因此，在設(shè)計(jì)中采用分段長(zhǎng)圓孔+偏心安裝模塊的解決方案來(lái)解決柔性化安裝問(wèn)題。

安定位夾緊點(diǎn)位置也是不完全相同的，所以柔性工裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要對(duì)各個(gè)定位點(diǎn)和夾緊裝置的位置進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié)。在工裝方案中，安裝模塊的位置均設(shè)計(jì)有5個(gè)長(zhǎng)圓孔和配合安裝塊的尺寸，如圖5所示。同時(shí)通過(guò)安裝塊的安裝孔在長(zhǎng)圓槽中的滑動(dòng)和正方向安裝，從而實(shí)現(xiàn)全段柔性可調(diào)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(jié)果驗(yàn)證

振動(dòng)試驗(yàn)夾具的一階固有頻率是衡量夾具設(shè)計(jì)可靠性的重要參數(shù)之一，也是振動(dòng)試驗(yàn)可靠性關(guān)鍵因素之一[3]。

通過(guò)設(shè)計(jì)方案在實(shí)際投產(chǎn)前進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)合理性分析，可見(jiàn)該夾具各階的模態(tài)幅值變化和共振頻率點(diǎn)。夾具建模模型通過(guò)HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分再放在HyperView軟件上模擬運(yùn)行空間6個(gè)自由度的幅值變化。夾具的一階模態(tài)分析結(jié)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(tài)分析結(jié)果如圖8所示，幅值變形主要集中在夾具中上部的兩側(cè)加強(qiáng)筋，共振頻率為196.32 Hz。夾具的三階模態(tài)分析結(jié)果如圖9所示，幅值變形主要集中在夾具中部的兩側(cè)加強(qiáng)筋，共振頻率為250.68 Hz。通過(guò)有限元分析，幅值范圍主要集中在振動(dòng)夾具的中上部位，可見(jiàn)越偏離運(yùn)動(dòng)中心軸線(xiàn)越接近共振點(diǎn)范圍。

圖7 夾具的一階模態(tài)分析結(jié)果

圖8 夾具的二階模態(tài)分析結(jié)果

圖9 夾具的三階模態(tài)分析結(jié)果

4 夾具共頻分析和結(jié)果驗(yàn)證

為了評(píng)價(jià)此夾具在實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)中的性能，結(jié)合有限元分析結(jié)果在夾具的頂端作為監(jiān)控點(diǎn)布置電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度傳感器，并以振動(dòng)臺(tái)面作為控制點(diǎn)布置加速度傳感器，進(jìn)行諧振搜索試驗(yàn)及分析,如圖10所示。

圖10 諧振搜索試驗(yàn)

本夾具是針對(duì)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JS D 1601汽車(chē)零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的剛性試驗(yàn)載體，要求其振動(dòng)試驗(yàn)采用頻率為33 Hz或67 Hz，即設(shè)計(jì)要求是確保不失真地傳遞運(yùn)動(dòng)載荷，且在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不發(fā)生共振，即夾具的一階固有頻率要高于試驗(yàn)頻率的上限，則可滿(mǎn)足試驗(yàn)環(huán)境需求。

結(jié)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(guó)圣地亞試驗(yàn)室的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范[5]中25～250 kg的小于500 Hz，最終確定試驗(yàn)頻率范圍在10～200 Hz。其余參數(shù)設(shè)定為：加速度1g，掃頻速率1 oct/min，在X、Y、Z3個(gè)方向各進(jìn)行1次掃頻，試驗(yàn)結(jié)果如圖11至圖13所示。

圖11 夾具X方向諧振搜索試驗(yàn)結(jié)果

圖12 夾具Y方向諧振搜索試驗(yàn)結(jié)果

圖13 夾具Z方向諧振搜索試驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)際諧振搜索試驗(yàn)結(jié)果分析可知，該夾具在X、Y、Z3個(gè)激勵(lì)輸入中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)在10～200 Hz頻率范圍內(nèi)均未見(jiàn)共振點(diǎn)?？梢?jiàn)第3節(jié)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(lì)分解后均未見(jiàn)影響，此振動(dòng)試驗(yàn)夾具具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多功能柔性化振動(dòng)試驗(yàn)的夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，正迎合了檢測(cè)行業(yè)數(shù)字化和專(zhuān)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。該方案能夠通過(guò)快速調(diào)節(jié)工裝夾具上安裝模塊的夾緊點(diǎn)位置，來(lái)滿(mǎn)足不同尺寸不同形狀的機(jī)械設(shè)計(jì)加工要求，統(tǒng)配性較強(qiáng)。同時(shí)該方案通過(guò)了有限元分析和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足試驗(yàn)需求，具有提高設(shè)計(jì)效率、大幅降低設(shè)計(jì)成本等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)本文的研究，可為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器和車(chē)載空調(diào)冷凝器類(lèi)型試件的振動(dòng)試驗(yàn)提供夾具方案支持，有效加快試驗(yàn)周期進(jìn)程并提高效率，同時(shí)降低試驗(yàn)成本，避免了以往振動(dòng)試驗(yàn)以經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的夾具設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致試驗(yàn)譜對(duì)試件的“欠振動(dòng)”或“過(guò)振動(dòng)”的能量傳遞，為汽車(chē)零部件疲勞可靠性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供了技術(shù)保障。