简析汽车内饰件振动夹具设计

喻建军　李辰　张玉哲

摘 要：本文简要介绍了汽车内饰件振动夹具的设计构想，将有限元分析的理论计算结果与振动检测的实际结果进行对比，为我们在设计汽车内饰件振动夹具的过程中提供一种可借鉴的模板。

关键词：振动;模板

1 前言

伴随着汽车内饰件生产工艺技术的迅猛发展，汽车内饰件检测标准要求也越来越贴近实车在真实路况中的使用状态。因此对检测设备性能与检测技术人员的专业技能要求也越来越高。

同时许多新检测技术也被应用到汽车内饰件的相关检测中。而作为衡量汽车内饰件产品品质之一的振动性能也越来越受到各大主机厂的重点关注。

希望通过对汽车内饰件中较为典型的汽车门板振动夹具模型的简析，能够形成一整套可以借鉴的成熟设计模板，从而缩短夹具的设计和制造时间，同时也可以大大缩短内饰件产品测试周期，降低制造成本，见图1。

2 汽车内饰件振动试验简介

以往国内汽车内饰件生产商对于产品的振动测试并未进行系统性的研究，因此在制定国家标准和行业标准中对振动测试还停留在扫频或定频振动的单一类型测试阶段。直到国内的汽车生产厂商引进外资并通过学习、吸收了外资方的企业测试标准后，才逐步开始推广随机振动、路谱信号采集振动以及“随机+路谱”等复合型振动模式。

通常汽车内饰件振动测试需要借助定制的振动夹具。首先将内饰件总成模拟实车安装状态紧固在夹具上，再将其和振动夹具一起固定在电磁振动台台体上;接着在振动台台面布置好振动加速度传感器，设置功率放大器的各项振动参数;最后在振动控制系统的人机界面上选择振动类型，诸如定频、扫频、随机、路谱等或是导入振动采集数据，即可进行振动试验而影响整个振动测试结果的各种因素中，除去电磁振动台自身的性能、样件、振动夹具的安装固定外，振动夹具的耐振性能显得尤为重要。振动夹具的选材、设计、加工都可能直接影响整个测试的成败。故而分析影响夹具耐振性的因素，总结振动夹具设计的成功经验，形成一套成熟的振动夹具三维模型模板将会节约大量的测试周期及成本，见图2。

3 振动夹具设计原理

正如我们所知汽车内饰件振动试验主要是考核在某一特定的频率范围内对内饰件施加某一特定的激励条件（如加速度、位移等），观察内饰件样品是否出现共振、异响、噪音、紧固件松脱，扭矩损失等不良变化。

通常在振动测试现场可能影响振动结果的主要有三个因素：1.电磁振动台自身振动性能;2.振动夹具与振动台台面的固定安装方式;3.振动夹具耐振性能。对于前2个因素而言，只需对振动台进行周期性保养维护且每年定期的计量校准，基本可以保障振动台自身性能的可靠及稳定性;同时尽量将振动夹具安装在振动台台面中心区域并与台面紧固连接即可。由此可知，因素三——振动夹具自身的耐振性能将会成为直接影响测试结果成败的一环。

为了能够得到一组具有实际参考意义的内饰件振动性能的测试结果数据，通常情况下首先要排除振动夹具耐振性能不足而导致诱发自身共振、异响等不良情况。故而在振动夹具的设计阶段就需要分别从材料、结构、总体质量等多方面综合考量，才能设计出“固有频率高于激励频率，结构坚固耐用，总体质量适中，材料成本合理”的振动夹具。振动夹具设计定型并制作出来后可以通过电磁振动台进行扫频测试，以便验证其固有频率（共振频率）是否高于激励频率。

众所周知，某一物体系统的固有频率与外部激励测试条件无关，而仅与其自身的固有特性有关，如刚度分布与质量分布。共振频率是指某一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形，此特定频率被称为共振频率。而当某一物理系统的固有频率与外界激励频率接近或数值相等时（通常情况下当结构的阻尼非常小时，共振频率近似等于结构的固有频率），出现共振、异响的概率会大大增加，即使很小的外部激励都可能会产生很大的振幅。

故而综上所述，如何使汽车内饰件振动夹具在受到外部激励时，其共振频率能高于外部激励频率就成为了夹具设计的关键核心。更进一步说其实也就是汽车内饰件振动夹具自身的固有频率一定要高于外部激励频率。通常为了避免由于振动工装固有频率过低导致工装实体制作完成后的反复修改，我们会引入CAE有限元分析软件辅助夹具设计工程师完善设计方案，在数模设计阶段进行外部激励条件仿真（谐响应）或夹具固有频率计算（模态分析），求证振动性能的理论计算值结果。在此我们借助有限元软件——ANSYS workbench对门护板的振动夹具进行模态分析。

模态分析是一种多自由度振动系统分析方法。模态分析主要用于确定结构和机器部件的振动特性，即固有频率和振型，也是谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使其微分方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参數描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。

有限元模态计算是利用有限元法将无限个自由度的连续系统，划分为有限个自由度的离散系统，再利用模态计算的数值方法求解系统的有限个固有频率和振型的方法。模态分析的理论过程如下：根据能量守恒原理建立多自由度弹性结构系统振动微分方程的表达式为：

公式1 多自由度弹性结构系统振动微分方程的表达式

模态分析的是自由振动（由于门护板振动夹具的钢结构阻尼比很小，故而可以忽略），可以看做是忽略阻尼影响的无阻尼自由振动系统，此时方程可以简化为：

公式2 简化方程

4 汽车内饰件振动夹具模板

我们以汽车内饰件中的汽车门护板为例，分析其振动夹具的振动性能，尤其是如何改变提升其固有频率，从而避免振动夹具在外部激励条件下出现共振。由于汽车内饰件振动测试条件多为低频振动，故只需提取低阶模态即可，即计算出振动夹具数模的前6阶固有频率和振型，根据其振型特点，通过修改振动夹具数模的结构设计，从而提高其固有频率。

根据不同汽车主机厂提供的企业标准，其汽车门护板的振动性能的外部激励测试条件会有所差异（例如日系测试标准多采用“振动方向：Z轴;频率范围：0～50Hz;加速度：Max 2.4g”作为测试条件。而欧系测试标准多采用“振动方向：X，Y，Z轴;频率范围：5～100Hz;加速度：Max 1g” 作为测试条件），但正如之前所述振动夹具出现共振和异响主要还是受其自身固有频率影响，与外部激励无关。因此根据不同测试标准来设计振动夾具并确保其“有限元分析的固有频率理论值”高于测试标准中规定的振动频率上限值的20%～30%即可。

首先当汽车门护板的振动夹具的外部框架使用50#壁厚4mm方管焊接，横向剖面为等腰梯形，中部样件安装面为6mm厚45#钢板，内衬为“井”字框架时，其1阶固有频率有限元理论计算值约为105Hz（如图3所示），且振幅最大区域集中在夹具顶部，振型如图3所示。

而仅仅当振动夹具的横向剖面修改为等腰三角形，外部框架依然使用50#壁厚4mm方管焊接，中部样件安装面为也仍然沿用6mm厚45#钢板，内衬为“井”字框架时，其1阶固有频率有限元理论计算值上升至约为153Hz（如图4所示）。

最后按照有限元分析确认后的设计要求将门护板的振动夹具制作出来，将其置于振动台上进行实体振动验证，发现其共振频率约为110Hz（如图5 所示），相对于其有限元理论计算值偏低约28%，既满足了日系标准也能满足欧系标准，所以此种门护板振动夹具的数模结构可行性较高。

综上所述，对于汽车内饰件振动测试振动夹具的耐振性能是振动测试的关键，而如何通过设计修改夹具的结构、更换材料来提升振动夹具的固有频率则是振动测试顺利成功的核心。故而建立一套成熟可行的汽车内饰件产品的振动夹具模型库显得极具重要工程应用意义，也希望通过此次的总结能对从事汽车内饰件检测领域的同仁提供一点新思路。

5 结束语

对于汽车内饰件检测领域而言，应该时刻关注相关行业的技术革新与总结;并积极主动的进行探索和尝试，将更多的高新技术引入到汽车内饰件检测领域中。对检测技术进行不断的提升，促进该领域向着更准确，更客观，更真实，更可靠的宗旨不断的迈进。同时也更够为广大的汽车内饰件生产商提供更为优质的服务，促进国产汽车内饰件质量水平的稳步提升。

参考文献：

[1]陈华磊.ANSYS workbench14.0 仿真技术与工程实践.北京：清华大学出版社2013.4.

[2]莫维尼.有限元分析：ANSYS理论与应用.北京：电子工业出版社2015.8.

[3]王新敏.ANSYS结构动力分析与应用.北京：人民交通出版社2014.4.

[4]何琳/帅长庚.振动理论与工程应用.北京：科学出版社2015.5.