小型汽车零部件振动夹具设计的基本要素

姜震,赵亿，王建民，谢宁，高伟中，孙环忠，郭亚军，周承，赵密

(联合汽车电子有限公司，上海 201206)

小型汽车零部件振动夹具设计的基本要素

姜震,赵亿，王建民，谢宁，高伟中，孙环忠，郭亚军，周承，赵密

(联合汽车电子有限公司，上海 201206)

介绍小型汽车零部件产品的振动夹具设计的基本要素。通过分析夹具的材料、结构、安装、制作等多种因素后得到结论，唯有经过细致周全的考虑才有可能设计出完整并符合振动试验使用要求的夹具。

振动夹具；汽车零部件；振动试验

0 引言

振动夹具是小型汽车零部件产品振动试验的关键部分，设计时涉及的因素很多，稍有不慎即可能造成设计缺陷。因此为能设计出满足振动试验要求的夹具和确保振动试验能顺利进行，作者对小型汽车零部件产品振动夹具设计的基本要素做个简单介绍。

1 确保振动夹具的刚性

任何振动夹具在振动频率达到其固有频率时就产生了共振，有时候即使是看上去很坚固的夹具，也会在使用频率范围内存在振型节点、共振和波谷，使振动传递力增加或衰减。因此为能确保振动夹具的刚性，设计时需要注意以下事项：

(1)确保选用刚度大的材料

制作夹具时需要选用刚度大、阻尼大的材料以便实现在整个使用频率范围内具有良好的振动传递和频率响应，经常被选用的材料有硬度达到HBS100的铝合金等。

(2)确保结构厚实

夹具的结构要尽可能地厚实，设计时要避免出现任何形式的弱体带实体、悬臂和断臂等结构，如无法避免时可作加固处理以避免夹具在振动中出现任何的整体或局部的刚性不足。

(3)确保连接层次少

夹具的连接层次应尽可能地少以避免振动试验中夹具内部出现敲击使振动放大或缩小，有条件时可采用一体结构。

(4)确保连接强度足够

对于螺栓连接振动夹具，为确保夹具的连接强度，夹具设计时需确保足够的夹具配合面平面度、足够的螺栓连接密度(尤其是边角处)和螺栓直径、足够的螺栓能咬合厚度(见图1)、咬合面平面度和符合连接要求的表面粗糙度、足够的螺纹孔强度(必要时可镶刚套)以及夹具安装时采用足够强度的螺栓等以避免夹具在振动中出现内部敲击、螺孔滑丝、螺栓断裂、夹具解体等问题。

图1 螺栓安装沉孔示意图

(5)确保结构对称

夹具的结构应确保夹具在安装上试件后的重心处于振动台面的中心轴位置，以避免振动试验中振动台面出现摇摆或振动波形失真。

(6)确保重心低

夹具的重心应尽可能地低以避免振动中会产生较大幅度的倾覆力矩(尤其是水平方向振动)或试验进行不下去。

(7)确保体积小

夹具的体积应尽可能地小以避免因体积问题而导致的刚性或试验一致性差等问题。

2 确保振动夹具的质量轻

试验物品越重对振动台推力的要求就越大，搬运也会越困难，因此设计夹具应在确保刚性的前提下采用尽可能的轻质，设计时需注意以下事项：

(1)确保选用轻质材料

夹具设计应尽可能地选用轻质材料，如硬铝合金，对某些必须采用较重材料的夹具可采用轻重材料搭配等方法来减轻夹具的质量。

(2)确保减重处理

夹具的初步设计完成后，可在不破坏夹具结构和不影响夹具刚性的前提下，对夹具采取削除多余边角、悬臂、在合适处挖孔等方法来减轻夹具的质量。

3 确保振动夹具能与振动台面正确地连接

刚性再好的夹具，如果不能与振动台面正确、可靠地连接，振动试验的质量就不可能得到保证，因此设计时需要注意以下事项：

(1)夹具上用于和振动台连接的安装孔的布孔位置应能确保试验(振动夹具加上产品)安装在振动台面上正确位置和试验的重心处于振动台面的中心位置；

(2)夹具上有足够的可用于夹具固定的安装孔密度和安装孔有足够宽的孔径；

(3)夹具安装孔处有足够的能让连接螺栓咬合的厚度和咬合面平面度；

(4)夹具底平面有足够的平面度；

(5)夹具安装时采用足够强度的螺栓连接，螺栓强度等级通常可为12.8级。

夹具设计刚性部分要素效果图如图2所示。

图2 夹具设计刚性部分要素效果图

4 确保试验产品在振动夹具上能正确地安装

产品在夹具上的安装通常需要符合试验委托方的要求或模拟在整车上的实际情况，否则就可能做出无效的振动试验，因此设计时需要注意以下事项：

(1)确保产品在夹具上的安装方法符合试验委托方的要求或模拟在整车上的实际情况

夹具上产品安装处的形状、尺寸、材料、方向等需符合试验委托方的要求或模拟在整车上的实际安装情况，如产品在实车上的安装处是有突台的，夹具设计在产品的安装处就应对该突台进行模拟；另外夹具设计还应确保产品不论是通过夹具还是通过振动台实现产品的振动方向，都不会出现因试验方向的更换而导致产品出现少做或多做试验方向的问题。

(2)确保夹具上用于固定产品的孔的孔径和深度正确

夹具上用于固定产品的孔的孔径和深度需符合要求，孔径通常取决于产品，孔深通常可为孔径的3倍以避免安装时螺栓会顶到螺孔底部、产品没有被紧固却造成已紧固的假象。另外为确保夹具能耐久使用，固定孔可作镶钢套处理。

(3)确保产品连接件能在振动夹具/振动台面上正确地固定

设计夹具时应考虑产品相关部件的固定，如线缆、对接线缆、管路等，通常这些相关件需固定在夹具上或振动台面上以避免振动中前、后端会出现相位差，固定的距离和转弯半径等也要符合试验委托方的要求或模拟整车的实际安装情况。

(4)确保产品的其他要求

夹具的设计还要满足产品的其他要求，如夹具是否需要设计气道、液道、通气孔等以满足产品的特殊加载需要等。

5 确保加速度传感器能在振动夹具上正确地安装

因加速度传感器摆放位置的不同而导致试验结果存在较大差异的案例并不少见，这些差异影响到了试验的可置信度和复现性，因此为确保加速度传感器能在夹具上实现正确的安装和实现正确的信号传递，设计时需要注意以下事项：

(1)确保加速度传感器连接稳固

很多产品在振动试验的同时需要叠加温、湿度试验，为使加速度传感器在试验中不会轻易松脱，采用螺纹连接是不错的方法，同时也为确保传感器能顺利安装，传感器安装孔的孔径、孔深都要能满足传感器的安装要求。目前常用的传感器安装孔的孔径为M5，孔深通常大于10 mm即可。

(2)确保加速度传感器摆放在正确的位置和实现正确的控制

通常振动试验对加速度传感器摆放位置的要求是在夹具上靠近产品的安装处，即振动力传递给产品的位置，如果采用单点控制策略，将可能造成夹具或试件上其他点的振动量级高于或低于控制点，因此为使试件上各点的加速度值均匀，可采用二点或多点平均控制。

(3)确保加速度传感器安装面的平面度符合要求

夹具上用于加速度传感器安装面的平面度需符合要求。

(4)确保加速度传感器方向的摆放

夹具设计要确保试验产品不论是通过夹具还是通过振动台实现振动的3个方向上，加速度传感器安装孔都不会有遗漏。

6 确保试验相关部件安装不会互相干涉

夹具设计需留有间距以避免试验相关部件在安装时会互相干涉、在振动试验中会因振动变形而导致互相碰撞，因此设计时需注意以下事项：

(1)确保试验物品之间不会互相干涉

夹具设计要能确保夹具、试验产品、试验加载件、加速度传感器等物品能实现正常的安装并留有一定的间距，在条件允许的情况下可在数模中先模拟装配。

(2)确保试验物品与试验设备之间不会互相干涉

夹具设计还要能确保试验不会与振动台面、温度箱底部等发生干涉并留有一定的间距，尤其是产品的线束、管路等的固定不会出现因夹具问题而导致的转弯半径过小等影响到试验质量的情况。

7 确保振动夹具不会引起安全问题

某些小型汽车零部件产品的振动试验涉及到试验液，因此为避免振动试验出现安全问题，设计时需要注意以下事项：

(1)避免试验液的外泄

设计燃油泵等带试验液产品的夹具时必须要经过慎重的考虑，如夹具之间连接的高可靠性和密封性、选择较高密度的材料和密封效果好的密封圈、管路连接的高可靠性和应力的避免等以避免夹具或试验出现泄漏并引发安全隐患。

(2)确保材料能耐腐蚀

设计带试验液产品的夹具，必须选用能耐腐蚀的材料以避免出现试验产品、试验液、振动夹具在试验期间会发生化学反应和引发安全隐患。

(3)确保试验带了安全保护

某些产品的振动试验涉及到火(如点火线圈的点火)，这些试验原则上是要带惰性气体进行安全保护的，因此夹具是否要设计气道、气道的走向等因素是需要考虑的以确保试验能安全进行。

(4)确保所有的边角钝化处理

夹具制作需确保所有的边角都要作锐角倒钝处理，以避免不小心伤害到操作人员。

8 确保振动夹具的人性化设计和经济性

对需要反复使用的夹具，如果采用人性化设计，将会给夹具的搬运、试验的装夹、试验方向的更换等带来长期便利，因此设计时需要考虑以下事项：

(1)确保试验能快速装夹

设计夹具时应尽可能地把试验的装夹部分设计在显眼、宜操作处，以方便试验能实现快速的装夹。

(2)确保试验能快速更换方向

假如是体积小、数量多的产品做振动试验，如果通过拆装产品来实现试验方向的更换将需要花费很长的时间，同时拆装过程也容易导致产品的损坏，因此还要考虑如何设计才能实现不需要拆装产品就能快速更换试验方向的夹具。

(3)确保防错设计

如果是组合夹具，设计时还要考虑安装防错，使安装件只有处于正确的位置、方向时才可能被安装以避免出现安装错误，另外还可以通过在夹具上做标记等方法使夹具的安装不会轻易出现方向安装错误。

(4)确保起重的便利性

如果是体积较大、质量较大的夹具，设计时还要考虑起重孔、吊环安装孔、抓手等以便夹具能实现高效搬运。

(5)确保夹具的经济性

如果产品是多品种、多外形的，为每一种外形的产品定制设计一款夹具，夹具的需求量就会很大。因此夹具设计还需要根据产品的特点设计经济型的夹具以避免不必要的浪费。如可通过设计一个标准夹具主体，不同外形的产品通过过渡板实现与主体的连接，这样就可做到每个外形的产品可以共享一个夹具主体的目的，使夹具的制作费用得到降低。

9 确保振动夹具正确的装配和加工

夹具设计需能确保夹具装配的正确性和确保是能够被传统工艺加工的，因此设计时需要注意以下事项：

(1)确保夹具的连接无过定位现象

对组合夹具，需确保夹具各组合件之间的装配不会发生过定位等情况，必要时可采用定位销等辅助定位的方法来帮助实现准确的定位。

(2)确保夹具能够被传统工艺加工

夹具的设计结构应确保夹具不会出现加工死角等传统工艺无法加工的部分，如果是复杂结构夹具，加工死角无法避免时，可采用将夹具拆分再组合的方法以确保夹具是可以被传统工艺加工的。

10 总结

以上是作者总结的小型汽车零部件产品振动夹具设计的基本要素。如果在日常的夹具设计中能认真考虑这些要素，再加上制作完成后对夹具的扫频和特性分析检验，将可能在实现高效振动试验的同时把因夹具原因而导致振动试验失败的可能性降低。

[1]全国汽车标准化技术委员会.道路车辆 电器及电子设备的环境条件和试验 机械负荷:GB/T 28046.3-2011[S].北京:中国标准出版社,2012.

[2]全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Fc:振动(正弦):GB/T 2423.10-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[3]全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Fd:宽频带随机振动——一般要求:GB/T 2423.11-1997[S].北京:中国标准出版社,2004.

[4]全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验 第2部分:试验方法 试验Ea和导则:冲击:GB/T 2423.5-1995[S].北京:中国标准出版社,1996.

[5]电动振动系统说明书[M].

[6]振动控制仪说明书[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，硕士，主要从事汽车驱动等产品的振动试验工作。E-mail:peilili123@sina.com。