姜震,趙億，王建民，謝寧，高偉中，孫環(huán)忠，郭亞軍，周承，趙密

(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

小型汽車零部件振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的基本要素

姜震,趙億，王建民，謝寧，高偉中，孫環(huán)忠，郭亞軍，周承，趙密

(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

介紹小型汽車零部件產(chǎn)品的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的基本要素。通過分析夾具的材料、結(jié)構(gòu)、安裝、制作等多種因素后得到結(jié)論，唯有經(jīng)過細(xì)致周全的考慮才有可能設(shè)計(jì)出完整并符合振動(dòng)試驗(yàn)使用要求的夾具。

振動(dòng)夾具；汽車零部件；振動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

振動(dòng)夾具是小型汽車零部件產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)時(shí)涉及的因素很多，稍有不慎即可能造成設(shè)計(jì)缺陷。因此為能設(shè)計(jì)出滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求的夾具和確保振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行，作者對(duì)小型汽車零部件產(chǎn)品振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的基本要素做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

1 確保振動(dòng)夾具的剛性

任何振動(dòng)夾具在振動(dòng)頻率達(dá)到其固有頻率時(shí)就產(chǎn)生了共振，有時(shí)候即使是看上去很堅(jiān)固的夾具，也會(huì)在使用頻率范圍內(nèi)存在振型節(jié)點(diǎn)、共振和波谷，使振動(dòng)傳遞力增加或衰減。因此為能確保振動(dòng)夾具的剛性，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)確保選用剛度大的材料

制作夾具時(shí)需要選用剛度大、阻尼大的材料以便實(shí)現(xiàn)在整個(gè)使用頻率范圍內(nèi)具有良好的振動(dòng)傳遞和頻率響應(yīng)，經(jīng)常被選用的材料有硬度達(dá)到HBS100的鋁合金等。

(2)確保結(jié)構(gòu)厚實(shí)

夾具的結(jié)構(gòu)要盡可能地厚實(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)要避免出現(xiàn)任何形式的弱體帶實(shí)體、懸臂和斷臂等結(jié)構(gòu)，如無法避免時(shí)可作加固處理以避免夾具在振動(dòng)中出現(xiàn)任何的整體或局部的剛性不足。

(3)確保連接層次少

夾具的連接層次應(yīng)盡可能地少以避免振動(dòng)試驗(yàn)中夾具內(nèi)部出現(xiàn)敲擊使振動(dòng)放大或縮小，有條件時(shí)可采用一體結(jié)構(gòu)。

(4)確保連接強(qiáng)度足夠

對(duì)于螺栓連接振動(dòng)夾具，為確保夾具的連接強(qiáng)度，夾具設(shè)計(jì)時(shí)需確保足夠的夾具配合面平面度、足夠的螺栓連接密度(尤其是邊角處)和螺栓直徑、足夠的螺栓能咬合厚度(見圖1)、咬合面平面度和符合連接要求的表面粗糙度、足夠的螺紋孔強(qiáng)度(必要時(shí)可鑲剛套)以及夾具安裝時(shí)采用足夠強(qiáng)度的螺栓等以避免夾具在振動(dòng)中出現(xiàn)內(nèi)部敲擊、螺孔滑絲、螺栓斷裂、夾具解體等問題。

圖1 螺栓安裝沉孔示意圖

(5)確保結(jié)構(gòu)對(duì)稱

夾具的結(jié)構(gòu)應(yīng)確保夾具在安裝上試件后的重心處于振動(dòng)臺(tái)面的中心軸位置，以避免振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)面出現(xiàn)搖擺或振動(dòng)波形失真。

(6)確保重心低

夾具的重心應(yīng)盡可能地低以避免振動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生較大幅度的傾覆力矩(尤其是水平方向振動(dòng))或試驗(yàn)進(jìn)行不下去。

(7)確保體積小

夾具的體積應(yīng)盡可能地小以避免因體積問題而導(dǎo)致的剛性或試驗(yàn)一致性差等問題。

2 確保振動(dòng)夾具的質(zhì)量輕

試驗(yàn)物品越重對(duì)振動(dòng)臺(tái)推力的要求就越大，搬運(yùn)也會(huì)越困難，因此設(shè)計(jì)夾具應(yīng)在確保剛性的前提下采用盡可能的輕質(zhì)，設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

(1)確保選用輕質(zhì)材料

夾具設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地選用輕質(zhì)材料，如硬鋁合金，對(duì)某些必須采用較重材料的夾具可采用輕重材料搭配等方法來減輕夾具的質(zhì)量。

(2)確保減重處理

夾具的初步設(shè)計(jì)完成后，可在不破壞夾具結(jié)構(gòu)和不影響夾具剛性的前提下，對(duì)夾具采取削除多余邊角、懸臂、在合適處挖孔等方法來減輕夾具的質(zhì)量。

3 確保振動(dòng)夾具能與振動(dòng)臺(tái)面正確地連接

剛性再好的夾具，如果不能與振動(dòng)臺(tái)面正確、可靠地連接，振動(dòng)試驗(yàn)的質(zhì)量就不可能得到保證，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)夾具上用于和振動(dòng)臺(tái)連接的安裝孔的布孔位置應(yīng)能確保試驗(yàn)(振動(dòng)夾具加上產(chǎn)品)安裝在振動(dòng)臺(tái)面上正確位置和試驗(yàn)的重心處于振動(dòng)臺(tái)面的中心位置；

(2)夾具上有足夠的可用于夾具固定的安裝孔密度和安裝孔有足夠?qū)挼目讖剑?/p>

(3)夾具安裝孔處有足夠的能讓連接螺栓咬合的厚度和咬合面平面度；

(4)夾具底平面有足夠的平面度；

(5)夾具安裝時(shí)采用足夠強(qiáng)度的螺栓連接，螺栓強(qiáng)度等級(jí)通常可為12.8級(jí)。

夾具設(shè)計(jì)剛性部分要素效果圖如圖2所示。

圖2 夾具設(shè)計(jì)剛性部分要素效果圖

4 確保試驗(yàn)產(chǎn)品在振動(dòng)夾具上能正確地安裝

產(chǎn)品在夾具上的安裝通常需要符合試驗(yàn)委托方的要求或模擬在整車上的實(shí)際情況，否則就可能做出無效的振動(dòng)試驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)確保產(chǎn)品在夾具上的安裝方法符合試驗(yàn)委托方的要求或模擬在整車上的實(shí)際情況

夾具上產(chǎn)品安裝處的形狀、尺寸、材料、方向等需符合試驗(yàn)委托方的要求或模擬在整車上的實(shí)際安裝情況，如產(chǎn)品在實(shí)車上的安裝處是有突臺(tái)的，夾具設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的安裝處就應(yīng)對(duì)該突臺(tái)進(jìn)行模擬；另外夾具設(shè)計(jì)還應(yīng)確保產(chǎn)品不論是通過夾具還是通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的振動(dòng)方向，都不會(huì)出現(xiàn)因試驗(yàn)方向的更換而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)少做或多做試驗(yàn)方向的問題。

(2)確保夾具上用于固定產(chǎn)品的孔的孔徑和深度正確

夾具上用于固定產(chǎn)品的孔的孔徑和深度需符合要求，孔徑通常取決于產(chǎn)品，孔深通?？蔀榭讖降?倍以避免安裝時(shí)螺栓會(huì)頂?shù)铰菘椎撞俊a(chǎn)品沒有被緊固卻造成已緊固的假象。另外為確保夾具能耐久使用，固定孔可作鑲鋼套處理。

(3)確保產(chǎn)品連接件能在振動(dòng)夾具/振動(dòng)臺(tái)面上正確地固定

設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品相關(guān)部件的固定，如線纜、對(duì)接線纜、管路等，通常這些相關(guān)件需固定在夾具上或振動(dòng)臺(tái)面上以避免振動(dòng)中前、后端會(huì)出現(xiàn)相位差，固定的距離和轉(zhuǎn)彎半徑等也要符合試驗(yàn)委托方的要求或模擬整車的實(shí)際安裝情況。

(4)確保產(chǎn)品的其他要求

夾具的設(shè)計(jì)還要滿足產(chǎn)品的其他要求，如夾具是否需要設(shè)計(jì)氣道、液道、通氣孔等以滿足產(chǎn)品的特殊加載需要等。

5 確保加速度傳感器能在振動(dòng)夾具上正確地安裝

因加速度傳感器擺放位置的不同而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異的案例并不少見，這些差異影響到了試驗(yàn)的可置信度和復(fù)現(xiàn)性，因此為確保加速度傳感器能在夾具上實(shí)現(xiàn)正確的安裝和實(shí)現(xiàn)正確的信號(hào)傳遞，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)確保加速度傳感器連接穩(wěn)固

很多產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)的同時(shí)需要疊加溫、濕度試驗(yàn)，為使加速度傳感器在試驗(yàn)中不會(huì)輕易松脫，采用螺紋連接是不錯(cuò)的方法，同時(shí)也為確保傳感器能順利安裝，傳感器安裝孔的孔徑、孔深都要能滿足傳感器的安裝要求。目前常用的傳感器安裝孔的孔徑為M5，孔深通常大于10 mm即可。

(2)確保加速度傳感器擺放在正確的位置和實(shí)現(xiàn)正確的控制

通常振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)加速度傳感器擺放位置的要求是在夾具上靠近產(chǎn)品的安裝處，即振動(dòng)力傳遞給產(chǎn)品的位置，如果采用單點(diǎn)控制策略，將可能造成夾具或試件上其他點(diǎn)的振動(dòng)量級(jí)高于或低于控制點(diǎn)，因此為使試件上各點(diǎn)的加速度值均勻，可采用二點(diǎn)或多點(diǎn)平均控制。

(3)確保加速度傳感器安裝面的平面度符合要求

夾具上用于加速度傳感器安裝面的平面度需符合要求。

(4)確保加速度傳感器方向的擺放

夾具設(shè)計(jì)要確保試驗(yàn)產(chǎn)品不論是通過夾具還是通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的3個(gè)方向上，加速度傳感器安裝孔都不會(huì)有遺漏。

6 確保試驗(yàn)相關(guān)部件安裝不會(huì)互相干涉

夾具設(shè)計(jì)需留有間距以避免試驗(yàn)相關(guān)部件在安裝時(shí)會(huì)互相干涉、在振動(dòng)試驗(yàn)中會(huì)因振動(dòng)變形而導(dǎo)致互相碰撞，因此設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

(1)確保試驗(yàn)物品之間不會(huì)互相干涉

夾具設(shè)計(jì)要能確保夾具、試驗(yàn)產(chǎn)品、試驗(yàn)加載件、加速度傳感器等物品能實(shí)現(xiàn)正常的安裝并留有一定的間距，在條件允許的情況下可在數(shù)模中先模擬裝配。

(2)確保試驗(yàn)物品與試驗(yàn)設(shè)備之間不會(huì)互相干涉

夾具設(shè)計(jì)還要能確保試驗(yàn)不會(huì)與振動(dòng)臺(tái)面、溫度箱底部等發(fā)生干涉并留有一定的間距，尤其是產(chǎn)品的線束、管路等的固定不會(huì)出現(xiàn)因夾具問題而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)彎半徑過小等影響到試驗(yàn)質(zhì)量的情況。

7 確保振動(dòng)夾具不會(huì)引起安全問題

某些小型汽車零部件產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)涉及到試驗(yàn)液，因此為避免振動(dòng)試驗(yàn)出現(xiàn)安全問題，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)避免試驗(yàn)液的外泄

設(shè)計(jì)燃油泵等帶試驗(yàn)液產(chǎn)品的夾具時(shí)必須要經(jīng)過慎重的考慮，如夾具之間連接的高可靠性和密封性、選擇較高密度的材料和密封效果好的密封圈、管路連接的高可靠性和應(yīng)力的避免等以避免夾具或試驗(yàn)出現(xiàn)泄漏并引發(fā)安全隱患。

(2)確保材料能耐腐蝕

設(shè)計(jì)帶試驗(yàn)液產(chǎn)品的夾具，必須選用能耐腐蝕的材料以避免出現(xiàn)試驗(yàn)產(chǎn)品、試驗(yàn)液、振動(dòng)夾具在試驗(yàn)期間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和引發(fā)安全隱患。

(3)確保試驗(yàn)帶了安全保護(hù)

某些產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)涉及到火(如點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火)，這些試驗(yàn)原則上是要帶惰性氣體進(jìn)行安全保護(hù)的，因此夾具是否要設(shè)計(jì)氣道、氣道的走向等因素是需要考慮的以確保試驗(yàn)?zāi)馨踩M(jìn)行。

(4)確保所有的邊角鈍化處理

夾具制作需確保所有的邊角都要作銳角倒鈍處理，以避免不小心傷害到操作人員。

8 確保振動(dòng)夾具的人性化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性

對(duì)需要反復(fù)使用的夾具，如果采用人性化設(shè)計(jì)，將會(huì)給夾具的搬運(yùn)、試驗(yàn)的裝夾、試驗(yàn)方向的更換等帶來長(zhǎng)期便利，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下事項(xiàng)：

(1)確保試驗(yàn)?zāi)芸焖傺b夾

設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)盡可能地把試驗(yàn)的裝夾部分設(shè)計(jì)在顯眼、宜操作處，以方便試驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)快速的裝夾。

(2)確保試驗(yàn)?zāi)芸焖俑鼡Q方向

假如是體積小、數(shù)量多的產(chǎn)品做振動(dòng)試驗(yàn)，如果通過拆裝產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)方向的更換將需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)拆裝過程也容易導(dǎo)致產(chǎn)品的損壞，因此還要考慮如何設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)不需要拆裝產(chǎn)品就能快速更換試驗(yàn)方向的夾具。

(3)確保防錯(cuò)設(shè)計(jì)

如果是組合夾具，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮安裝防錯(cuò)，使安裝件只有處于正確的位置、方向時(shí)才可能被安裝以避免出現(xiàn)安裝錯(cuò)誤，另外還可以通過在夾具上做標(biāo)記等方法使夾具的安裝不會(huì)輕易出現(xiàn)方向安裝錯(cuò)誤。

(4)確保起重的便利性

如果是體積較大、質(zhì)量較大的夾具，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮起重孔、吊環(huán)安裝孔、抓手等以便夾具能實(shí)現(xiàn)高效搬運(yùn)。

(5)確保夾具的經(jīng)濟(jì)性

如果產(chǎn)品是多品種、多外形的，為每一種外形的產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)一款?yuàn)A具，夾具的需求量就會(huì)很大。因此夾具設(shè)計(jì)還需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型的夾具以避免不必要的浪費(fèi)。如可通過設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)夾具主體，不同外形的產(chǎn)品通過過渡板實(shí)現(xiàn)與主體的連接，這樣就可做到每個(gè)外形的產(chǎn)品可以共享一個(gè)夾具主體的目的，使夾具的制作費(fèi)用得到降低。

9 確保振動(dòng)夾具正確的裝配和加工

夾具設(shè)計(jì)需能確保夾具裝配的正確性和確保是能夠被傳統(tǒng)工藝加工的，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

(1)確保夾具的連接無過定位現(xiàn)象

對(duì)組合夾具，需確保夾具各組合件之間的裝配不會(huì)發(fā)生過定位等情況，必要時(shí)可采用定位銷等輔助定位的方法來幫助實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。

(2)確保夾具能夠被傳統(tǒng)工藝加工

夾具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)確保夾具不會(huì)出現(xiàn)加工死角等傳統(tǒng)工藝無法加工的部分，如果是復(fù)雜結(jié)構(gòu)夾具，加工死角無法避免時(shí)，可采用將夾具拆分再組合的方法以確保夾具是可以被傳統(tǒng)工藝加工的。

10 總結(jié)

以上是作者總結(jié)的小型汽車零部件產(chǎn)品振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的基本要素。如果在日常的夾具設(shè)計(jì)中能認(rèn)真考慮這些要素，再加上制作完成后對(duì)夾具的掃頻和特性分析檢驗(yàn)，將可能在實(shí)現(xiàn)高效振動(dòng)試驗(yàn)的同時(shí)把因夾具原因而導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)失敗的可能性降低。

[1]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).道路車輛 電器及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 機(jī)械負(fù)荷:GB/T 28046.3-2011[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[2]全國(guó)電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc:振動(dòng)(正弦):GB/T 2423.10-2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3]全國(guó)電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fd:寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)——一般要求:GB/T 2423.11-1997[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[4]全國(guó)電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分:試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Ea和導(dǎo)則:沖擊:GB/T 2423.5-1995[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996.

[5]電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)說明書[M].

[6]振動(dòng)控制儀說明書[M].

BasicFactorsofVibrationFixtureDesignforSmallAutomobileComponents

JIANG Zhen，ZHAO Yi，WANG Jianmin，XIE Ning，GAO Weizhong，SUN Huanzhong，GUO Yajun，ZHOU Cheng，ZHAO Mi

(United Automotive Electronic Systems Co., Ltd., Shanghai 201206,China)

The basic factors of vibration fixture design for small automobile components were analyzed, including material, structure, installation and manufacture etc.The conclusion is that rational fixtures which meet the vibration experiment requirements can be designed only by deep technical thinking.

Vibration fixture; Automobile components; Vibration test

U468.4

A

1674-1986(2017)09-091-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.023

2017-07-24

姜震，碩士，主要從事汽車驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)工作。E-mail:peilili123@sina.com。