小型汽車零部件振動夾具設計的基本要素

姜震,趙億，王建民，謝寧，高偉中，孫環忠，郭亞軍，周承，趙密

(聯合汽車電子有限公司，上海 201206)

小型汽車零部件振動夾具設計的基本要素

姜震,趙億，王建民，謝寧，高偉中，孫環忠，郭亞軍，周承，趙密

(聯合汽車電子有限公司，上海 201206)

介紹小型汽車零部件產品的振動夾具設計的基本要素。通過分析夾具的材料、結構、安裝、制作等多種因素后得到結論，唯有經過細致周全的考慮才有可能設計出完整并符合振動試驗使用要求的夾具。

振動夾具；汽車零部件；振動試驗

0 引言

振動夾具是小型汽車零部件產品振動試驗的關鍵部分，設計時涉及的因素很多，稍有不慎即可能造成設計缺陷。因此為能設計出滿足振動試驗要求的夾具和確保振動試驗能順利進行，作者對小型汽車零部件產品振動夾具設計的基本要素做個簡單介紹。

1 確保振動夾具的剛性

任何振動夾具在振動頻率達到其固有頻率時就產生了共振，有時候即使是看上去很堅固的夾具，也會在使用頻率范圍內存在振型節點、共振和波谷，使振動傳遞力增加或衰減。因此為能確保振動夾具的剛性，設計時需要注意以下事項：

(1)確保選用剛度大的材料

制作夾具時需要選用剛度大、阻尼大的材料以便實現在整個使用頻率范圍內具有良好的振動傳遞和頻率響應，經常被選用的材料有硬度達到HBS100的鋁合金等。

(2)確保結構厚實

夾具的結構要盡可能地厚實，設計時要避免出現任何形式的弱體帶實體、懸臂和斷臂等結構，如無法避免時可作加固處理以避免夾具在振動中出現任何的整體或局部的剛性不足。

(3)確保連接層次少

夾具的連接層次應盡可能地少以避免振動試驗中夾具內部出現敲擊使振動放大或縮小，有條件時可采用一體結構。

(4)確保連接強度足夠

對于螺栓連接振動夾具，為確保夾具的連接強度，夾具設計時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、足夠的螺紋孔強度(必要時可鑲剛套)以及夾具安裝時采用足夠強度的螺栓等以避免夾具在振動中出現內部敲擊、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)確保結構對稱

夾具的結構應確保夾具在安裝上試件后的重心處于振動臺面的中心軸位置，以避免振動試驗中振動臺面出現搖擺或振動波形失真。

(6)確保重心低

夾具的重心應盡可能地低以避免振動中會產生較大幅度的傾覆力矩(尤其是水平方向振動)或試驗進行不下去。

(7)確保體積小

夾具的體積應盡可能地小以避免因體積問題而導致的剛性或試驗一致性差等問題。

2 確保振動夾具的質量輕

試驗物品越重對振動臺推力的要求就越大，搬運也會越困難，因此設計夾具應在確保剛性的前提下采用盡可能的輕質，設計時需注意以下事項：

(1)確保選用輕質材料

夾具設計應盡可能地選用輕質材料，如硬鋁合金，對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量。

(2)確保減重處理

夾具的初步設計完成后，可在不破壞夾具結構和不影響夾具剛性的前提下，對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量。

3 確保振動夾具能與振動臺面正確地連接

剛性再好的夾具，如果不能與振動臺面正確、可靠地連接，振動試驗的質量就不可能得到保證，因此設計時需要注意以下事項：

(1)夾具上用于和振動臺連接的安裝孔的布孔位置應能確保試驗(振動夾具加上產品)安裝在振動臺面上正確位置和試驗的重心處于振動臺面的中心位置；

(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寬的孔徑；

(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)夾具安裝時采用足夠強度的螺栓連接，螺栓強度等級通常可為12.8級。

夾具設計剛性部分要素效果圖如圖2所示。

圖2 夾具設計剛性部分要素效果圖

4 確保試驗產品在振動夾具上能正確地安裝

產品在夾具上的安裝通常需要符合試驗委托方的要求或模擬在整車上的實際情況，否則就可能做出無效的振動試驗，因此設計時需要注意以下事項：

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

夾具上產品安裝處的形狀、尺寸、材料、方向等需符合試驗委托方的要求或模擬在整車上的實際安裝情況，如產品在實車上的安裝處是有突臺的，夾具設計在產品的安裝處就應對該突臺進行模擬；另外夾具設計還應確保產品不論是通過夾具還是通過振動臺實現產品的振動方向，都不會出現因試驗方向的更換而導致產品出現少做或多做試驗方向的問題。

(2)確保夾具上用于固定產品的孔的孔徑和深度正確

夾具上用于固定產品的孔的孔徑和深度需符合要求，孔徑通常取決于產品，孔深通常可為孔徑的3倍以避免安裝時螺栓會頂到螺孔底部、產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)確保產品連接件能在振動夾具/振動臺面上正確地固定

設計夾具時應考慮產品相關部件的固定，如線纜、對接線纜、管路等，通常這些相關件需固定在夾具上或振動臺面上以避免振動中前、后端會出現相位差，固定的距離和轉彎半徑等也要符合試驗委托方的要求或模擬整車的實際安裝情況。

(4)確保產品的其他要求

夾具的設計還要滿足產品的其他要求，如夾具是否需要設計氣道、液道、通氣孔等以滿足產品的特殊加載需要等。

5 確保加速度傳感器能在振動夾具上正確地安裝

因加速度傳感器擺放位置的不同而導致試驗結果存在較大差異的案例并不少見，這些差異影響到了試驗的可置信度和復現性，因此為確保加速度傳感器能在夾具上實現正確的安裝和實現正確的信號傳遞，設計時需要注意以下事項：

(1)確保加速度傳感器連接穩固

很多產品在振動試驗的同時需要疊加溫、濕度試驗，為使加速度傳感器在試驗中不會輕易松脫，采用螺紋連接是不錯的方法，同時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現正確的控制

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

(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

夾具設計要確保試驗產品不論是通過夾具還是通過振動臺實現振動的3個方向上，加速度傳感器安裝孔都不會有遺漏。

6 確保試驗相關部件安裝不會互相干涉

夾具設計需留有間距以避免試驗相關部件在安裝時會互相干涉、在振動試驗中會因振動變形而導致互相碰撞，因此設計時需注意以下事項：

(1)確保試驗物品之間不會互相干涉

夾具設計要能確保夾具、試驗產品、試驗加載件、加速度傳感器等物品能實現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模中先模擬裝配。

(2)確保試驗物品與試驗設備之間不會互相干涉

夾具設計還要能確保試驗不會與振動臺面、溫度箱底部等發生干涉并留有一定的間距，尤其是產品的線束、管路等的固定不會出現因夾具問題而導致的轉彎半徑過小等影響到試驗質量的情況。

7 確保振動夾具不會引起安全問題

某些小型汽車零部件產品的振動試驗涉及到試驗液，因此為避免振動試驗出現安全問題，設計時需要注意以下事項：

(1)避免試驗液的外泄

設計燃油泵等帶試驗液產品的夾具時必須要經過慎重的考慮，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力的避免等以避免夾具或試驗出現泄漏并引發安全隱患。

(2)確保材料能耐腐蝕

設計帶試驗液產品的夾具，必須選用能耐腐蝕的材料以避免出現試驗產品、試驗液、振動夾具在試驗期間會發生化學反應和引發安全隱患。

(3)確保試驗帶了安全保護

某些產品的振動試驗涉及到火(如點火線圈的點火)，這些試驗原則上是要帶惰性氣體進行安全保護的，因此夾具是否要設計氣道、氣道的走向等因素是需要考慮的以確保試驗能安全進行。

(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 確保振動夾具的人性化設計和經濟性

對需要反復使用的夾具，如果采用人性化設計，將會給夾具的搬運、試驗的裝夾、試驗方向的更換等帶來長期便利，因此設計時需要考慮以下事項：

(1)確保試驗能快速裝夾

設計夾具時應盡可能地把試驗的裝夾部分設計在顯眼、宜操作處，以方便試驗能實現快速的裝夾。

(2)確保試驗能快速更換方向

假如是體積小、數量多的產品做振動試驗，如果通過拆裝產品來實現試驗方向的更換將需要花費很長的時間，同時拆裝過程也容易導致產品的損壞，因此還要考慮如何設計才能實現不需要拆裝產品就能快速更換試驗方向的夾具。

(3)確保防錯設計

如果是組合夾具，設計時還要考慮安裝防錯，使安裝件只有處于正確的位置、方向時才可能被安裝以避免出現安裝錯誤，另外還可以通過在夾具上做標記等方法使夾具的安裝不會輕易出現方向安裝錯誤。

(4)確保起重的便利性

如果是體積較大、質量較大的夾具，設計時還要考慮起重孔、吊環安裝孔、抓手等以便夾具能實現高效搬運。

(5)確保夾具的經濟性

如果產品是多品種、多外形的，為每一種外形的產品定制設計一款夾具，夾具的需求量就會很大。因此夾具設計還需要根據產品的特點設計經濟型的夾具以避免不必要的浪費。如可通過設計一個標準夾具主體，不同外形的產品通過過渡板實現與主體的連接，這樣就可做到每個外形的產品可以共享一個夾具主體的目的，使夾具的制作費用得到降低。

9 確保振動夾具正確的裝配和加工

夾具設計需能確保夾具裝配的正確性和確保是能夠被傳統工藝加工的，因此設計時需要注意以下事項：

(1)確保夾具的連接無過定位現象

對組合夾具，需確保夾具各組合件之間的裝配不會發生過定位等情況，必要時可采用定位銷等輔助定位的方法來幫助實現準確的定位。

(2)確保夾具能夠被傳統工藝加工

夾具的設計結構應確保夾具不會出現加工死角等傳統工藝無法加工的部分，如果是復雜結構夾具，加工死角無法避免時，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工藝加工的。

10 總結

以上是作者總結的小型汽車零部件產品振動夾具設計的基本要素。如果在日常的夾具設計中能認真考慮這些要素，再加上制作完成后對夾具的掃頻和特性分析檢驗，將可能在實現高效振動試驗的同時把因夾具原因而導致振動試驗失敗的可能性降低。

[1]全國汽車標準化技術委員會.道路車輛 電器及電子設備的環境條件和試驗 機械負荷:GB/T 28046.3-2011[S].北京:中國標準出版社,2012.

[2]全國電工電子產品環境條件與環境試驗標準化技術委員會.電工電子產品環境試驗 第2部分:試驗方法 試驗Fc:振動(正弦):GB/T 2423.10-2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3]全國電工電子產品環境條件與環境試驗標準化技術委員會.電工電子產品環境試驗 第2部分:試驗方法 試驗Fd:寬頻帶隨機振動——一般要求:GB/T 2423.11-1997[S].北京:中國標準出版社,2004.

[4]全國電工電子產品環境條件與環境試驗標準化技術委員會.電工電子產品環境試驗 第2部分:試驗方法 試驗Ea和導則:沖擊:GB/T 2423.5-1995[S].北京:中國標準出版社,1996.

[5]電動振動系統說明書[M].

[6]振動控制儀說明書[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，主要從事汽車驅動等產品的振動試驗工作。E-mail:peilili123@sina.com。