簡析汽車內飾件振動夾具設計

喻建軍　李辰　張玉哲

摘 要：本文簡要介紹了汽車內飾件振動夾具的設計構想，將有限元分析的理論計算結果與振動檢測的實際結果進行對比，為我們在設計汽車內飾件振動夾具的過程中提供一種可借鑒的模板。

關鍵詞：振動;模板

1 前言

伴隨著汽車內飾件生產工藝技術的迅猛發展，汽車內飾件檢測標準要求也越來越貼近實車在真實路況中的使用狀態。因此對檢測設備性能與檢測技術人員的專業技能要求也越來越高。

同時許多新檢測技術也被應用到汽車內飾件的相關檢測中。而作為衡量汽車內飾件產品品質之一的振動性能也越來越受到各大主機廠的重點關注。

希望通過對汽車內飾件中較為典型的汽車門板振動夾具模型的簡析，能夠形成一整套可以借鑒的成熟設計模板，從而縮短夾具的設計和制造時間，同時也可以大大縮短內飾件產品測試周期，降低制造成本，見圖1。

2 汽車內飾件振動試驗簡介

以往國內汽車內飾件生產商對于產品的振動測試并未進行系統性的研究，因此在制定國家標準和行業標準中對振動測試還停留在掃頻或定頻振動的單一類型測試階段。直到國內的汽車生產廠商引進外資并通過學習、吸收了外資方的企業測試標準后，才逐步開始推廣隨機振動、路譜信號采集振動以及“隨機+路譜”等復合型振動模式。

通常汽車內飾件振動測試需要借助定制的振動夾具。首先將內飾件總成模擬實車安裝狀態緊固在夾具上，再將其和振動夾具一起固定在電磁振動臺臺體上;接著在振動臺臺面布置好振動加速度傳感器，設置功率放大器的各項振動參數;最后在振動控制系統的人機界面上選擇振動類型，諸如定頻、掃頻、隨機、路譜等或是導入振動采集數據，即可進行振動試驗而影響整個振動測試結果的各種因素中，除去電磁振動臺自身的性能、樣件、振動夾具的安裝固定外，振動夾具的耐振性能顯得尤為重要。振動夾具的選材、設計、加工都可能直接影響整個測試的成敗。故而分析影響夾具耐振性的因素，總結振動夾具設計的成功經驗，形成一套成熟的振動夾具三維模型模板將會節約大量的測試周期及成本，見圖2。

3 振動夾具設計原理

正如我們所知汽車內飾件振動試驗主要是考核在某一特定的頻率范圍內對內飾件施加某一特定的激勵條件（如加速度、位移等），觀察內飾件樣品是否出現共振、異響、噪音、緊固件松脫，扭矩損失等不良變化。

通常在振動測試現場可能影響振動結果的主要有三個因素：1.電磁振動臺自身振動性能;2.振動夾具與振動臺臺面的固定安裝方式;3.振動夾具耐振性能。對于前2個因素而言，只需對振動臺進行周期性保養維護且每年定期的計量校準，基本可以保障振動臺自身性能的可靠及穩定性;同時盡量將振動夾具安裝在振動臺臺面中心區域并與臺面緊固連接即可。由此可知，因素三——振動夾具自身的耐振性能將會成為直接影響測試結果成敗的一環。

為了能夠得到一組具有實際參考意義的內飾件振動性能的測試結果數據，通常情況下首先要排除振動夾具耐振性能不足而導致誘發自身共振、異響等不良情況。故而在振動夾具的設計階段就需要分別從材料、結構、總體質量等多方面綜合考量，才能設計出“固有頻率高于激勵頻率，結構堅固耐用，總體質量適中，材料成本合理”的振動夾具。振動夾具設計定型并制作出來后可以通過電磁振動臺進行掃頻測試，以便驗證其固有頻率（共振頻率）是否高于激勵頻率。

眾所周知，某一物體系統的固有頻率與外部激勵測試條件無關，而僅與其自身的固有特性有關，如剛度分布與質量分布。共振頻率是指某一物理系統在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形，此特定頻率被稱為共振頻率。而當某一物理系統的固有頻率與外界激勵頻率接近或數值相等時（通常情況下當結構的阻尼非常小時，共振頻率近似等于結構的固有頻率），出現共振、異響的概率會大大增加，即使很小的外部激勵都可能會產生很大的振幅。

故而綜上所述，如何使汽車內飾件振動夾具在受到外部激勵時，其共振頻率能高于外部激勵頻率就成為了夾具設計的關鍵核心。更進一步說其實也就是汽車內飾件振動夾具自身的固有頻率一定要高于外部激勵頻率。通常為了避免由于振動工裝固有頻率過低導致工裝實體制作完成后的反復修改，我們會引入CAE有限元分析軟件輔助夾具設計工程師完善設計方案，在數模設計階段進行外部激勵條件仿真（諧響應）或夾具固有頻率計算（模態分析），求證振動性能的理論計算值結果。在此我們借助有限元軟件——ANSYS workbench對門護板的振動夾具進行模態分析。

模態分析是一種多自由度振動系統分析方法。模態分析主要用于確定結構和機器部件的振動特性，即固有頻率和振型，也是諧響應分析、瞬態動力學分析和譜分析的基礎。模態分析是將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使其微分方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。

有限元模態計算是利用有限元法將無限個自由度的連續系統，劃分為有限個自由度的離散系統，再利用模態計算的數值方法求解系統的有限個固有頻率和振型的方法。模態分析的理論過程如下：根據能量守恒原理建立多自由度彈性結構系統振動微分方程的表達式為：

公式1 多自由度彈性結構系統振動微分方程的表達式

模態分析的是自由振動（由于門護板振動夾具的鋼結構阻尼比很小，故而可以忽略），可以看做是忽略阻尼影響的無阻尼自由振動系統，此時方程可以簡化為：

公式2 簡化方程

4 汽車內飾件振動夾具模板

我們以汽車內飾件中的汽車門護板為例，分析其振動夾具的振動性能，尤其是如何改變提升其固有頻率，從而避免振動夾具在外部激勵條件下出現共振。由于汽車內飾件振動測試條件多為低頻振動，故只需提取低階模態即可，即計算出振動夾具數模的前6階固有頻率和振型，根據其振型特點，通過修改振動夾具數模的結構設計，從而提高其固有頻率。

根據不同汽車主機廠提供的企業標準，其汽車門護板的振動性能的外部激勵測試條件會有所差異（例如日系測試標準多采用“振動方向：Z軸;頻率范圍：0～50Hz;加速度：Max 2.4g”作為測試條件。而歐系測試標準多采用“振動方向：X，Y，Z軸;頻率范圍：5～100Hz;加速度：Max 1g” 作為測試條件），但正如之前所述振動夾具出現共振和異響主要還是受其自身固有頻率影響，與外部激勵無關。因此根據不同測試標準來設計振動夾具并確保其“有限元分析的固有頻率理論值”高于測試標準中規定的振動頻率上限值的20%～30%即可。

首先當汽車門護板的振動夾具的外部框架使用50#壁厚4mm方管焊接，橫向剖面為等腰梯形，中部樣件安裝面為6mm厚45#鋼板，內襯為“井”字框架時，其1階固有頻率有限元理論計算值約為105Hz（如圖3所示），且振幅最大區域集中在夾具頂部，振型如圖3所示。

而僅僅當振動夾具的橫向剖面修改為等腰三角形，外部框架依然使用50#壁厚4mm方管焊接，中部樣件安裝面為也仍然沿用6mm厚45#鋼板，內襯為“井”字框架時，其1階固有頻率有限元理論計算值上升至約為153Hz（如圖4所示）。

最后按照有限元分析確認后的設計要求將門護板的振動夾具制作出來，將其置于振動臺上進行實體振動驗證，發現其共振頻率約為110Hz（如圖5 所示），相對于其有限元理論計算值偏低約28%，既滿足了日系標準也能滿足歐系標準，所以此種門護板振動夾具的數模結構可行性較高。

綜上所述，對于汽車內飾件振動測試振動夾具的耐振性能是振動測試的關鍵，而如何通過設計修改夾具的結構、更換材料來提升振動夾具的固有頻率則是振動測試順利成功的核心。故而建立一套成熟可行的汽車內飾件產品的振動夾具模型庫顯得極具重要工程應用意義，也希望通過此次的總結能對從事汽車內飾件檢測領域的同仁提供一點新思路。

5 結束語

對于汽車內飾件檢測領域而言，應該時刻關注相關行業的技術革新與總結;并積極主動的進行探索和嘗試，將更多的高新技術引入到汽車內飾件檢測領域中。對檢測技術進行不斷的提升，促進該領域向著更準確，更客觀，更真實，更可靠的宗旨不斷的邁進。同時也更夠為廣大的汽車內飾件生產商提供更為優質的服務，促進國產汽車內飾件質量水平的穩步提升。

參考文獻：

[1]陳華磊.ANSYS workbench14.0 仿真技術與工程實踐.北京：清華大學出版社2013.4.

[2]莫維尼.有限元分析：ANSYS理論與應用.北京：電子工業出版社2015.8.

[3]王新敏.ANSYS結構動力分析與應用.北京：人民交通出版社2014.4.

[4]何琳/帥長庚.振動理論與工程應用.北京：科學出版社2015.5.