鋰電池包振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

黃定浩 黃 鯤 魏國華

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

電池包在運(yùn)輸以及實(shí)際使用過程中會(huì)遭遇包括振動(dòng)、加速度、溫濕度和沖擊等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境[1]，因此在投入使用前需要進(jìn)行振動(dòng)摸底驗(yàn)證其可靠性。根據(jù)UN 38.3振動(dòng)測試條件規(guī)定，電池包應(yīng)承受帶寬為7～200 Hz的正弦變頻振動(dòng)。為避免因夾具出現(xiàn)共振峰致使試件過試驗(yàn)而損壞，應(yīng)使振動(dòng)夾具的基頻高于試驗(yàn)頻帶范圍的上限，即高于200 Hz。本文提出一種平板裝配組合型夾具，通過優(yōu)化其構(gòu)型使其基頻達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求[2]。

1 確定設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)UN 38.3振動(dòng)測試條件，電池包振動(dòng)的頻率范圍為7～200 Hz，考慮到夾具加載電池包之后，其整體基頻會(huì)下降[2]。因此本文提出，該振動(dòng)試驗(yàn)夾具的動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)指標(biāo)空載時(shí)的基頻應(yīng)達(dá)到300 Hz以上。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文利用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件建立夾具的數(shù)字模型，然后利用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果反復(fù)修改模型，直至結(jié)果達(dá)到最優(yōu)[2]。

振動(dòng)試驗(yàn)夾具材料選用工程上常見的鋁合金。常見的電池包多為六面體形狀，為降低加工難度和制造成本，本文采用螺接的裝配方式，即將若干不同尺寸的方形平板通過螺栓將其裝配連接，從而對電池包試件形成夾持固定。為減輕夾具的整體重量，夾具在各結(jié)構(gòu)表面合適位置采用開孔設(shè)計(jì)，通過改變圓孔直徑和矩形孔的尺寸，數(shù)量和排布規(guī)律，使槽孔最大限度布滿各結(jié)構(gòu)外表面，以達(dá)到減小質(zhì)量的目的。圖1～圖5為該該振動(dòng)夾具的整體裝配三維模型。本平板裝配組合型夾具，包括底板1、支持板2、支持板3、支持板4、夾持板5、夾持板6、夾持板7、頂板8、加強(qiáng)筋9、加強(qiáng)肋10、緊固螺栓11和梅花手柄-螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)12。

3 各零件結(jié)構(gòu)的形式分析

3.1 底板結(jié)構(gòu)

底板結(jié)構(gòu)的尺寸為702 mm*680 mm，厚度為36 mm。圖6和圖7分別為底板上、下表面的三維模型，在底板上表面均勻加工7排沉頭孔，通過螺栓使其振動(dòng)臺(tái)面安裝孔連接固定。其前端邊緣開設(shè)一道長銑槽，作為加強(qiáng)筋的位置調(diào)整路徑以及用來固定夾持板5的底部。

3.2 支持板2和支持板3結(jié)構(gòu)

支持板2和支持板3結(jié)構(gòu)的尺寸為630 mm*250 mm，厚度為36 mm。其三維模型分別見圖8～圖11。其底部通過螺栓安裝到底板上，支持板2和支持板3內(nèi)側(cè)開設(shè)沉頭螺孔，在與之對應(yīng)位置的加強(qiáng)肋10內(nèi)側(cè)也開設(shè)與之匹配的螺孔，利用螺栓將加強(qiáng)肋10與支持板2和支持板3連接固定；加強(qiáng)肋10的底部開設(shè)有與底板1下表面的沉頭螺孔匹配的螺孔，通過螺栓將加強(qiáng)肋10的底部安裝固定到底板1上，以增加支持板2和支持板3的剛度。加強(qiáng)肋10的底部開設(shè)有與底板1下表面的沉頭螺孔匹配的螺孔，通過螺栓將加強(qiáng)肋10的底部安裝固定到底板1上，以增加支持板2和支持板3的剛度。支持板2和支持板3在合適位置各開設(shè)兩道長銑槽，連接于夾持板7兩側(cè)壁螺孔的緊固螺栓11可在此長銑槽內(nèi)自由滑動(dòng)，將夾持板7與支持板2和支持板3預(yù)連接。由于電池試樣形狀大小不一，緊固螺栓11在長銑槽的位置也隨之變動(dòng)，故在支持板2內(nèi)側(cè)、支持板3內(nèi)側(cè)和底板1下表面預(yù)開設(shè)多排位置對應(yīng)的沉頭螺孔，以調(diào)整加強(qiáng)肋10的安裝位置，避免與緊固螺栓11發(fā)生干涉。兩道長銑槽將支持板2和支持板3分隔為上、中、下三部分，在支持板2和支持板3上部和中部之間的長銑槽的兩側(cè)合適位置開設(shè)光孔，在不干涉緊固螺栓11的前提下，通過若干螺栓-螺母組合將支持板2和支持板3上部和中部連接，以增加其剛度。見圖12～圖13。

3.3 支持板4結(jié)構(gòu)

支持板4結(jié)構(gòu)的尺寸為556 mm*250 mm，厚度為36 mm。圖14～15為支持板4三維模型，其底部通過螺栓安裝到底板上，左右兩端通過螺栓固定到支持板2和支持板3上，見圖16。

圖1 振動(dòng)夾具整體結(jié)構(gòu)裝配三維模型

圖2 振動(dòng)夾具整體結(jié)構(gòu)裝配三維模型

圖3 振動(dòng)夾具整體結(jié)構(gòu)裝配三維模型

圖4 振動(dòng)夾具的部分結(jié)構(gòu)裝配三維模型

圖5 振動(dòng)夾具部分結(jié)構(gòu)裝配三維模型

圖6 底板上表面三維模型圖

圖7 底板下表面三維模型

圖8 支持板2外側(cè)三維模型

圖9 支持板2內(nèi)側(cè)三維模型

3.4 夾持板5結(jié)構(gòu)

夾持板5結(jié)構(gòu)的尺寸為500 mm*250 mm，厚度為36 mm。圖17～18為夾持板5的三維模型。夾持板5在合適位置開設(shè)有三道銑槽，連接于支持板3側(cè)壁螺孔的緊固螺栓11可在此長銑槽內(nèi)自由滑動(dòng)，將夾持板和支持板3預(yù)連接。在裝夾尺寸和質(zhì)量較大的試樣時(shí)，緊固螺栓11除了通過上下兩道銑槽將夾持板5和支持板3連接固定外，還可利用中間的短銑槽將夾持板5和支持板3連接固定，以加大試樣裝夾的穩(wěn)定性。夾持板5底部開設(shè)有光孔，在與之對應(yīng)位置的底板1下表面也開設(shè)一道沉頭長銑槽，若干螺栓-螺母組合通過底板1下表面的沉頭長銑槽和夾持板5底部的光孔將夾持板5和底板1預(yù)連接，當(dāng)裝夾試樣到位后，再鎖緊螺母，以增加夾持板5的剛度。見圖19。

3.5 夾持板6結(jié)構(gòu)

中夾持板結(jié)構(gòu)的尺寸為620 mm*250 mm，厚度為36 mm。圖20～21為夾持板6的三維模型。與夾持板5結(jié)構(gòu)類似，夾持板6也在合適位置開設(shè)有三道銑槽，連接于夾持板5側(cè)壁螺孔的緊固螺栓11可在此長銑槽內(nèi)自由滑動(dòng)，將夾持板6和夾持板5預(yù)連接。在裝夾尺寸和質(zhì)量較大的試樣時(shí)，緊固螺栓11除了通過上下兩道銑槽將夾持板6和夾持板5連接固定外，還可利用中間的短銑槽將夾持板6和夾持板5連接固定，以加大試樣裝夾的穩(wěn)定性。其次，通過連接于夾持板5側(cè)壁螺孔的緊固螺栓11將加強(qiáng)筋9的裙部與夾持板5和夾持板6預(yù)連接，與加強(qiáng)筋9基部光孔連接的螺栓-螺母組合可在底板1下表面的沉頭長銑槽自由滑動(dòng)，將加強(qiáng)筋9和底板1預(yù)連接，當(dāng)裝夾試樣到位后，再鎖緊螺母和緊固螺栓11，以增加夾持板6的剛度。再次，在夾持板6上下兩道長銑槽的兩側(cè)合適位置開設(shè)光孔，在不干涉緊固螺栓11的前提下，通過若干螺栓-螺母組合將夾持板6上部-中部、中部-下部連接，以進(jìn)一步增加其剛度。最后，在支持板2中部的合適位置開設(shè)兩個(gè)螺孔，與梅花手柄-螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)12配合連接，對夾持板6進(jìn)行適度壓緊，一方面保證夾緊試樣，一方面在振動(dòng)過程對夾持板6起到防松的作用。見圖22～圖23。

圖10 支持板3外側(cè)三維模型

圖11 支持板3內(nèi)側(cè)三維模型

圖12 支持板2安裝固定至底板

圖13 支持板3安裝固定至底板

圖14 支持板4外側(cè)三維模型

圖15 支持板4內(nèi)側(cè)三維模型

圖16 支持板4安裝固定

圖17 夾持板5外側(cè)三維模型

圖18 夾持板5內(nèi)側(cè)三維模型

圖19 夾持板5安裝連接

3.6 夾持板7結(jié)構(gòu)

夾持板7結(jié)構(gòu)的尺寸為484 mm*250 mm，厚度為36 mm。圖24～25為夾持板7的三維模型。與夾持板6結(jié)構(gòu)類似，夾持板7也在合適位置開設(shè)有三道長銑槽，連接與支持板6側(cè)壁螺孔的緊固螺栓11可在此長銑槽內(nèi)自由滑動(dòng)，將夾持板7和夾持板6預(yù)連接。在裝夾尺寸和質(zhì)量較大的試樣時(shí)，緊固螺栓11除了通過上下兩道銑槽將夾持板7和夾持板6連接固定外，還可利用中間的短銑槽將夾持板6和支持板5連接固定，以加大試樣裝夾的穩(wěn)定性。其次，通過與夾持板7兩側(cè)壁螺孔連接的緊固螺栓11，將夾持板7與支持板2和支持板3預(yù)連接，當(dāng)裝夾試樣到位后，再鎖緊緊固螺栓11，以增加夾持板7的剛度。最后，在支持板4中部的合適位置開設(shè)兩個(gè)螺孔，與梅花手柄-螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)12配合連接，對夾持板7進(jìn)行適度壓緊，一方面保證夾緊試樣，一方面在振動(dòng)過程對夾持板7起到防松的作用。見圖26～27。

3.7 頂板結(jié)構(gòu)

頂板結(jié)構(gòu)的尺寸為702 mm*556 mm，厚度為36 mm。圖28為頂板結(jié)構(gòu)的三維模型。支持板2、支持板3和支持板4的上邊緣開設(shè)有螺孔，在與之對應(yīng)位置的頂板8邊緣開設(shè)與之匹配的光孔，通過螺栓將頂板8與支持板2、支持板3和支持板4連接固定。其次，夾持板5的上邊緣也開設(shè)有若干螺孔，在與之對應(yīng)位置的頂板8邊緣開設(shè)一道長銑槽，與夾持板5上邊緣螺孔連接的螺栓可在頂板8的長銑槽內(nèi)滑動(dòng)，將頂板8和夾持板5預(yù)連接，當(dāng)裝夾試樣到位后，再鎖緊螺栓，以增加夾持板5和頂板8的剛度。頂板8中部開設(shè)有若干螺紋孔，與梅花手柄-螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)12配合連接，利用梅花手柄-螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)12對試樣進(jìn)行壓緊，起到在垂直方向固定試樣的作用。見圖29。

3.8 加強(qiáng)筋

為增加夾持板5和夾持板6的剛度，以及防止夾持板5振動(dòng)測試過程沿著其法向發(fā)生滑動(dòng)，在裝配體中夾持板6外側(cè)加設(shè)一加強(qiáng)筋9，其三維模型見圖26。通過緊固螺栓11將其裙部與夾持板6和夾持板5固定。其基部開設(shè)一光孔，與該光孔連接的螺栓-螺母組合可在底板1下表面的沉頭長銑槽自由滑動(dòng)，將加強(qiáng)筋9和底板1預(yù)連接，當(dāng)移動(dòng)夾持板6夾持試件時(shí)，加強(qiáng)筋隨夾持板6和夾持板5移動(dòng)，見圖27，當(dāng)裝夾試樣到位后，再鎖緊螺母和緊固螺栓11，以增加夾持板6的剛度。

圖20 夾持板6外側(cè)三維模型

圖21 夾持板6內(nèi)側(cè)三維模型

圖22 夾持板6安裝連接

圖23 夾持板6安裝連接

圖24 夾持板7外側(cè)三維模型

圖25 夾持板7內(nèi)側(cè)三維模型

圖26 夾持板7安裝連接

圖27 夾持板7安裝連接

4 裝配體的有限元分析

夾具基頻與其整體厚度和開孔深度有關(guān)，為保證各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其外表面開孔深度不宜過大，應(yīng)保證各結(jié)構(gòu)實(shí)心部分的厚度不小于12 mm[2]。通過反復(fù)驗(yàn)證分析，由于頂板的作用是在垂直方向固定試樣，對整個(gè)夾具裝配體的基頻影響不大，為方便直觀的觀察到裝配體的振型，故在對模型有限元分析時(shí)，去掉頂板結(jié)構(gòu)。當(dāng)整體厚度為36 mm，開孔深度為24 mm時(shí)，該夾具的基頻為485 Hz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖32為該夾具裝配體的一階振型。

5 結(jié)語

在對該夾具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，得出以下規(guī)律和結(jié)論：

1）在夾具外表面開孔，對基頻影響不大，但可以有效減小質(zhì)量；

2）通過長銑槽結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)整夾持空間，適合各種尺寸試件的裝夾；

3）梅花手柄-長螺桿-盤型底盤結(jié)構(gòu)對長銑槽結(jié)構(gòu)起到有效的防松作用；

4）活動(dòng)式的加強(qiáng)筋可增加夾持板5和夾持板6的剛度，防止夾持板5振動(dòng)測試過程沿著其法向發(fā)生滑動(dòng)。

圖28 頂板結(jié)構(gòu)的三維模型

圖29 裝配體中的頂板結(jié)構(gòu)

圖30 加強(qiáng)筋三維模型

圖31 裝配體中的加強(qiáng)筋

圖32 一階振型

5）長銑槽結(jié)構(gòu)會(huì)降低支持板2、支持板3及夾持板6上部分的剛度，為此引入螺栓-螺母組合將其上部和中部連接，能有效的增加整塊板的剛度。