新能源汽車電動機振動試驗夾具設計研究

馬強++李楠++王喬穆

摘 要：新能源汽車電動機振動可靠性對行駛安全有非常重大的作用，所以對電動機進行振動耐久試驗非常重要。在振動試驗過程中，工裝夾具具有非常重要的作用，它可以將模擬路譜信號的振動不失真地傳遞給電動機，工裝夾具的設計將直接影響到振動耐久試驗的效果。本文結(jié)合新能源電動車電動機結(jié)構(gòu)特點，提出了橫向懸臂式和底座承載式兩種工裝夾具設計安裝方案，并結(jié)合此次設計總結(jié)了選材、重量、對中、制造過程。本文還對夾具進行了模態(tài)分析和頻響計算，結(jié)合夾具高度和結(jié)構(gòu)外型對響應頻率的影響，計算改變結(jié)構(gòu)的夾具各階響應頻率并進行試驗驗證，最終達到了優(yōu)化設計的目標。

關(guān)鍵詞：電動機 工裝夾具 模態(tài)分析

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0104-02

振動耐久試驗夾具的功能主要是從振動臺把振動能量傳遞給試驗樣件，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樣件，還應該在能量傳遞中避開試驗頻率范圍內(nèi)的共振頻率。試驗系統(tǒng)的頻率、重心、質(zhì)量等特性是影響振動試驗結(jié)果的主要影響因素。本次設計采用路譜激勵的方法，在試驗臺上模擬新能源汽車電動機振動耐久過程，從而達到在很短時間內(nèi)考察電動機系統(tǒng)振動耐久特性的目的。本試驗的本質(zhì)是對新能源電動機系統(tǒng)振動可靠性的試驗室模擬。利用各種工況的路譜激勵振動臺實時對電動機的振動耐久試驗，其目的是通過試驗設備模擬電動機工作的實際情況，對系統(tǒng)的振動耐久特性進行評價，以考核其可靠性品質(zhì)。

依據(jù)新能源汽車電動機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，來滿足不同測試樣件對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到與不同間距的振動臺螺孔安裝的目的，從而實現(xiàn)了不同型號電動機的通用性要求。夾具采用底板與立板整體鑄造成型的結(jié)構(gòu)并布置多個加強筋，有效地增強整體剛度。整體結(jié)構(gòu)的振動基頻較高而且阻尼很大，可以有效地避免試驗時產(chǎn)生共振。此類夾具安裝方便，可以大量節(jié)約試驗準備時間，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，從而實現(xiàn)不同樣件的通用安裝。橫向懸臂式振動試驗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。

此次工裝夾具的設計加工過程主要包括選材、重量、對中、制造過程。振動耐久試驗夾具應選用剛度大、阻尼大的材料。材料的剛度大則夾具對振動影響較小而且頻響寬，對試驗影響更小從而傳遞振動路譜的性能更符合實際路況信息。夾具的重量應該盡量小，因為根據(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才會提高。另外也要考慮夾具的強度問題，避免因強度過小導致夾具損壞。當進行振動試驗，最理想的情況是試件樣件和工裝夾具的系統(tǒng)重心與振動試驗臺的中心線重合，以免引起振動臺臺面的晃動，從而導致振動波形失真。所以工裝夾具應盡可能設計成對稱的、低重心結(jié)構(gòu)，如立方體、盒形、半球形和錐形等對稱封閉形狀。還應當考慮系統(tǒng)動態(tài)重心的變化，特別是彈性負載甚至是液體負載樣件的情況。夾具設計還應盡量避免截面的急劇變化，因為這樣會降低夾具的剛度，同時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。在各種制作方法當中，應當優(yōu)先考慮整體加工。螺栓連接夾具應適當降低互相配合的表面粗糙度，螺栓預緊力應比計算出來的振動分離力至少大10%。對體積較大的高頻（大于2000Hz）夾具，螺栓間距不要超過80mm。制作時應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，螺栓連接時應采用粗牙螺紋。對拆卸頻繁的工裝夾具，應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度。當使用水平滑臺時，特別要注意剪切力，應使工裝夾具各部件間連接緊密，同時螺孔要盡量使用脹銷“填滿”或用環(huán)氧樹脂填充。剪切時的“毛束”現(xiàn)象也會導致波形失真，對于形狀較復雜的曲面或厚度、截面有變化的夾具，一般應用鑄造的方法制作。鑄造合金的阻尼相對比較大，所以有利于減小共振狀況。鑄造好的夾具經(jīng)過打磨，阻尼將會減小，對減振不利。焊接夾具制作相對更方便，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時容易斷裂。焊接夾具與螺栓連接夾具相比無“毛刺”，比鑄造節(jié)省時間。對小型的工裝夾具，粘接比焊接速度更快且節(jié)省費用，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，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。

對用于較復雜工況完成初始設計的工裝夾具，還要進行模態(tài)分析和頻譜計算，進而進行優(yōu)化設計。下面簡要介紹用于新能源汽車電動機的底座承載式夾具的設計優(yōu)化過程。如圖2所示為經(jīng)過優(yōu)化設計后的六階響應頻率下的共振圖像。

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

在設計過程中，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，其一階響應頻率較低，需要優(yōu)化設計。因此將夾具的高度改為200mm，其他尺寸保持不變，對其進行頻響分析后可知，在滿足使用要求的前提下，降低工裝夾具高度對提高其響應頻率有非常明顯的效果。不過計算機模擬分析具有局限性，因此實際的工裝夾具在振動耐久試驗時實測的頻響數(shù)據(jù)，總是比模擬的計算值稍低一些。同時使用Ansys軟件進行網(wǎng)格劃分時，由于計算機計算的局限性，無論如何也無法將網(wǎng)格細分到可以完全真實再現(xiàn)試驗試件的程度，因此計算結(jié)果也會有偏大的傾向。所以實際試驗試件的真實頻率不一定能滿足高頻試驗要求，因此有必要再次進行設計優(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)。對改進后的結(jié)構(gòu)再次進行模態(tài)分析，計算響應頻率，結(jié)果顯示優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其響應頻率得到了顯著提高。而且對改進結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分進一步細化為0.015以后，其各階響應頻率降低有限，可以得到更真實的數(shù)據(jù)。通過模擬分析，可以認為設計的夾具響應頻率已經(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汽車電動機的振動耐久性試驗需要。

振動試驗用工裝夾具制造完成后，掃頻測試其固有頻率，測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候，由于Ansys軟件對實際試件的仿真程度限制，總是會產(chǎn)生偏差的；機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，都會對實際試驗的頻響結(jié)果產(chǎn)生影響；此外試驗時，螺栓緊固程度的差別等人為因素也可能導致結(jié)果的少許偏差。

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