馬強(qiáng)++李楠++王喬穆

摘 要：新能源汽車電動(dòng)機(jī)振動(dòng)可靠性對(duì)行駛安全有非常重大的作用，所以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)耐久試驗(yàn)非常重要。在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，工裝夾具具有非常重要的作用，它可以將模擬路譜信號(hào)的振動(dòng)不失真地傳遞給電動(dòng)機(jī)，工裝夾具的設(shè)計(jì)將直接影響到振動(dòng)耐久試驗(yàn)的效果。本文結(jié)合新能源電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了橫向懸臂式和底座承載式兩種工裝夾具設(shè)計(jì)安裝方案，并結(jié)合此次設(shè)計(jì)總結(jié)了選材、重量、對(duì)中、制造過程。本文還對(duì)夾具進(jìn)行了模態(tài)分析和頻響計(jì)算，結(jié)合夾具高度和結(jié)構(gòu)外型對(duì)響應(yīng)頻率的影響，計(jì)算改變結(jié)構(gòu)的夾具各階響應(yīng)頻率并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī) 工裝夾具 模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0104-02

振動(dòng)耐久試驗(yàn)夾具的功能主要是從振動(dòng)臺(tái)把振動(dòng)能量傳遞給試驗(yàn)樣件，而在能量傳遞過程中盡量不失真。工裝夾具首先要夾持試驗(yàn)樣件，還應(yīng)該在能量傳遞中避開試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)的共振頻率。試驗(yàn)系統(tǒng)的頻率、重心、質(zhì)量等特性是影響振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的主要影響因素。本次設(shè)計(jì)采用路譜激勵(lì)的方法，在試驗(yàn)臺(tái)上模擬新能源汽車電動(dòng)機(jī)振動(dòng)耐久過程，從而達(dá)到在很短時(shí)間內(nèi)考察電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)耐久特性的目的。本試驗(yàn)的本質(zhì)是對(duì)新能源電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)可靠性的試驗(yàn)室模擬。利用各種工況的路譜激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)耐久試驗(yàn)，其目的是通過試驗(yàn)設(shè)備模擬電動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)耐久特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以考核其可靠性品質(zhì)。

依據(jù)新能源汽車電動(dòng)機(jī)在整車上的布置形式，目前主要的工裝夾具分為橫向懸臂式和底座承載式兩種，如圖1所示。

底盤承載式夾具的技術(shù)方案，可通過調(diào)節(jié)裝配件立板上的螺栓位置裝件的，來滿足不同測(cè)試樣件對(duì)底座安裝孔位的要求，通過調(diào)節(jié)裝配件底板上的腰形孔的位置達(dá)到與不同間距的振動(dòng)臺(tái)螺孔安裝的目的，從而實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)電動(dòng)機(jī)的通用性要求。夾具采用底板與立板整體鑄造成型的結(jié)構(gòu)并布置多個(gè)加強(qiáng)筋，有效地增強(qiáng)整體剛度。整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻較高而且阻尼很大，可以有效地避免試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生共振。此類夾具安裝方便，可以大量節(jié)約試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高工作效率。橫向懸臂式夾具的技術(shù)方案，可以調(diào)節(jié)橫梁下部和整體框架上部型槽中的螺栓的位置，來滿足不同樣件的安裝需求，從而實(shí)現(xiàn)不同樣件的通用安裝。橫向懸臂式振動(dòng)試驗(yàn)夾具采用型鋼材料并增加了斜向支撐，可以有效增加夾具的剛度。

此次工裝夾具的設(shè)計(jì)加工過程主要包括選材、重量、對(duì)中、制造過程。振動(dòng)耐久試驗(yàn)夾具應(yīng)選用剛度大、阻尼大的材料。材料的剛度大則夾具對(duì)振動(dòng)影響較小而且頻響寬，對(duì)試驗(yàn)影響更小從而傳遞振動(dòng)路譜的性能更符合實(shí)際路況信息。夾具的重量應(yīng)該盡量小，因?yàn)楦鶕?jù)公式，只有提高剛度k，減小質(zhì)量m，工裝夾具整體的固有頻率fn才會(huì)提高。另外也要考慮夾具的強(qiáng)度問題，避免因強(qiáng)度過小導(dǎo)致夾具損壞。當(dāng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，最理想的情況是試件樣件和工裝夾具的系統(tǒng)重心與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的中心線重合，以免引起振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的晃動(dòng)，從而導(dǎo)致振動(dòng)波形失真。所以工裝夾具應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成對(duì)稱的、低重心結(jié)構(gòu)，如立方體、盒形、半球形和錐形等對(duì)稱封閉形狀。還應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重心的變化，特別是彈性負(fù)載甚至是液體負(fù)載樣件的情況。夾具設(shè)計(jì)還應(yīng)盡量避免截面的急劇變化，因?yàn)檫@樣會(huì)降低夾具的剛度，同時(shí)降低夾具的固有頻率。

夾具制作的主要方法有整體加工、螺釘連接、鑄造、焊接、粘接等。在各種制作方法當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮整體加工。螺栓連接夾具應(yīng)適當(dāng)降低互相配合的表面粗糙度，螺栓預(yù)緊力應(yīng)比計(jì)算出來的振動(dòng)分離力至少大10%。對(duì)體積較大的高頻（大于2000Hz）夾具，螺栓間距不要超過80mm。制作時(shí)應(yīng)特別注意選用的螺釘或螺栓的剪切力，鋁合金或鋁鎂合金，材質(zhì)較軟，螺栓連接時(shí)應(yīng)采用粗牙螺紋。對(duì)拆卸頻繁的工裝夾具，應(yīng)采用不銹鋼硬螺紋襯套或鋼絲螺套。也可在螺釘連接的部位，用環(huán)氧樹脂膠合，這樣可以有效地提高連接強(qiáng)度。當(dāng)使用水平滑臺(tái)時(shí)，特別要注意剪切力，應(yīng)使工裝夾具各部件間連接緊密，同時(shí)螺孔要盡量使用脹銷“填滿”或用環(huán)氧樹脂填充。剪切時(shí)的“毛束”現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致波形失真，對(duì)于形狀較復(fù)雜的曲面或厚度、截面有變化的夾具，一般應(yīng)用鑄造的方法制作。鑄造合金的阻尼相對(duì)比較大，所以有利于減小共振狀況。鑄造好的夾具經(jīng)過打磨，阻尼將會(huì)減小，對(duì)減振不利。焊接夾具制作相對(duì)更方便，成本較低，但焊接質(zhì)量一定需要保證，否則焊接部位在振動(dòng)時(shí)容易斷裂。焊接夾具與螺栓連接夾具相比無“毛刺”，比鑄造節(jié)省時(shí)間。對(duì)小型的工裝夾具，粘接比焊接速度更快且節(jié)省費(fèi)用，比較常用的是用環(huán)氧樹脂作為粘接材料，螺接、焊接、環(huán)氧樹脂粘接連接方式制造同樣的夾具時(shí)，焊接的共振諧頻稍高一些，而環(huán)氧樹脂粘接連接方式的共振放大倍數(shù)稍低一些，焊接與環(huán)氧樹脂粘接的共振頻率和共振放大倍數(shù)均大于螺接。結(jié)合具體情況，本次工裝夾具采用了焊接和螺栓連接的形式。

對(duì)用于較復(fù)雜工況完成初始設(shè)計(jì)的工裝夾具，還要進(jìn)行模態(tài)分析和頻譜計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面簡(jiǎn)要介紹用于新能源汽車電動(dòng)機(jī)的底座承載式夾具的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。如圖2所示為經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的六階響應(yīng)頻率下的共振圖像。

一般在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，很少考慮材料的強(qiáng)度和疲勞特性，夾具高頻特性所要求的高剛度使夾具基本不會(huì)因強(qiáng)度不足而損壞。而夾具的重量常常是夾具設(shè)計(jì)時(shí)最重要的參數(shù)，所以本次設(shè)計(jì)選用鋁鎂合金作為夾具材料同時(shí)也不再進(jìn)行響應(yīng)頻譜求解。在夾具設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及使用要求，對(duì)夾具的整體采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。由于振動(dòng)臺(tái)與工裝夾具的接觸面為正方形，設(shè)計(jì)固定試驗(yàn)樣件的臺(tái)面時(shí)需要將尺寸盡量加大，以便使夾具能滿足通用試驗(yàn)的要求。因此夾具設(shè)計(jì)外沿直徑為Φ900mm，與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)螺栓連接。同時(shí)為減輕重量，在底面區(qū)域內(nèi)開減重槽。擴(kuò)大后的夾具頂面臺(tái)面為1100mm×1100mm的正方形，并用8根等距加強(qiáng)筋加固以增加剛度，同時(shí)提高響應(yīng)頻率。設(shè)計(jì)過程中，固定夾具的連接螺栓分布方向與加強(qiáng)筋的方向處于同一角度上，這樣可以提高夾具的響應(yīng)頻率。在使用Ansys軟件模態(tài)分析時(shí)，為了網(wǎng)格的方便劃分，可以將模型中及試驗(yàn)樣件連接部分簡(jiǎn)化處理，這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程，而對(duì)計(jì)算結(jié)果影響并不大。endprint

在設(shè)計(jì)過程中，首先確定的尺寸參數(shù)是結(jié)構(gòu)為底面為直徑Φ900mm的圓，頂部為1100mm×1100mm正方形，工裝夾具的倒角部分為120mm，高度為300mm。經(jīng)過模態(tài)分析，其一階響應(yīng)頻率較低，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此將夾具的高度改為200mm，其他尺寸保持不變，對(duì)其進(jìn)行頻響分析后可知，在滿足使用要求的前提下，降低工裝夾具高度對(duì)提高其響應(yīng)頻率有非常明顯的效果。不過計(jì)算機(jī)模擬分析具有局限性，因此實(shí)際的工裝夾具在振動(dòng)耐久試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的頻響數(shù)據(jù)，總是比模擬的計(jì)算值稍低一些。同時(shí)使用Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于計(jì)算機(jī)計(jì)算的局限性，無論如何也無法將網(wǎng)格細(xì)分到可以完全真實(shí)再現(xiàn)試驗(yàn)試件的程度，因此計(jì)算結(jié)果也會(huì)有偏大的傾向。所以實(shí)際試驗(yàn)試件的真實(shí)頻率不一定能滿足高頻試驗(yàn)要求，因此有必要再次進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

降低了工裝夾具的整體高度以后，可以將頂面變更為Φ1100mm的圓形，其他數(shù)據(jù)不變，此時(shí)的夾具尺寸參數(shù)為高度200mm，底面直徑Φ900mm，頂面直徑Φ1100mm的雙圓形結(jié)構(gòu)。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算響應(yīng)頻率，結(jié)果顯示優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)頻率得到了顯著提高。而且對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分進(jìn)一步細(xì)化為0.015以后，其各階響應(yīng)頻率降低有限，可以得到更真實(shí)的數(shù)據(jù)。通過模擬分析，可以認(rèn)為設(shè)計(jì)的夾具響應(yīng)頻率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，其一階980Hz、六階1474Hz的模擬結(jié)果也可以滿足新能源電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)耐久性試驗(yàn)需要。

振動(dòng)試驗(yàn)用工裝夾具制造完成后，掃頻測(cè)試其固有頻率，測(cè)試得到一階固有頻率為996Hz，與模態(tài)分析結(jié)果略有偏差。工裝夾具在仿真模擬的時(shí)候，由于Ansys軟件對(duì)實(shí)際試件的仿真程度限制，總是會(huì)產(chǎn)生偏差的；機(jī)械加工過程中的誤差，如表面粗糙度和平行度、連接螺栓孔的位置精度等，都會(huì)對(duì)實(shí)際試驗(yàn)的頻響結(jié)果產(chǎn)生影響；此外試驗(yàn)時(shí)，螺栓緊固程度的差別等人為因素也可能導(dǎo)致結(jié)果的少許偏差。

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