马强++李楠++王乔穆
摘 要：新能源汽车电动机振动可靠性对行驶安全有非常重大的作用，所以对电动机进行振动耐久试验非常重要。在振动试验过程中，工装夹具具有非常重要的作用，它可以将模拟路谱信号的振动不失真地传递给电动机，工装夹具的设计将直接影响到振动耐久试验的效果。本文结合新能源电动车电动机结构特点，提出了横向悬臂式和底座承载式两种工装夹具设计安装方案，并结合此次设计总结了选材、重量、对中、制造过程。本文还对夹具进行了模态分析和频响计算，结合夹具高度和结构外型对响应频率的影响，计算改变结构的夹具各阶响应频率并进行试验验证，最终达到了优化设计的目标。
关键词：电动机 工装夹具 模态分析
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0104-02
振动耐久试验夹具的功能主要是从振动台把振动能量传递给试验样件，而在能量传递过程中尽量不失真。工装夹具首先要夹持试验样件，还应该在能量传递中避开试验频率范围内的共振频率。试验系统的频率、重心、质量等特性是影响振动试验结果的主要影响因素。本次设计采用路谱激励的方法，在试验台上模拟新能源汽车电动机振动耐久过程，从而达到在很短时间内考察电动机系统振动耐久特性的目的。本试验的本质是对新能源电动机系统振动可靠性的试验室模拟。利用各种工况的路谱激励振动台实时对电动机的振动耐久试验，其目的是通过试验设备模拟电动机工作的实际情况，对系统的振动耐久特性进行评价，以考核其可靠性品质。
依据新能源汽车电动机在整车上的布置形式，目前主要的工装夹具分为横向悬臂式和底座承载式两种，如图1所示。
底盘承载式夹具的技术方案，可通过调节装配件立板上的螺栓位置装件的，来满足不同测试样件对底座安装孔位的要求，通过调节装配件底板上的腰形孔的位置达到与不同间距的振动台螺孔安装的目的，从而实现了不同型号电动机的通用性要求。夹具采用底板与立板整体铸造成型的结构并布置多个加强筋，有效地增强整体刚度。整体结构的振动基频较高而且阻尼很大，可以有效地避免试验时产生共振。此类夹具安装方便，可以大量节约试验准备时间，提高工作效率。横向悬臂式夹具的技术方案，可以调节横梁下部和整体框架上部型槽中的螺栓的位置，来满足不同样件的安装需求，从而实现不同样件的通用安装。横向悬臂式振动试验夹具采用型钢材料并增加了斜向支撑，可以有效增加夹具的刚度。
此次工装夹具的设计加工过程主要包括选材、重量、对中、制造过程。振动耐久试验夹具应选用刚度大、阻尼大的材料。材料的刚度大则夹具对振动影响较小而且频响宽，对试验影响更小从而传递振动路谱的性能更符合实际路况信息。夹具的重量应该尽量小，因为根据公式，只有提高刚度k，减小质量m，工装夹具整体的固有频率fn才会提高。另外也要考虑夹具的强度问题，避免因强度过小导致夹具损坏。当进行振动试验，最理想的情况是试件样件和工装夹具的系统重心与振动试验台的中心线重合，以免引起振动台台面的晃动，从而导致振动波形失真。所以工装夹具应尽可能设计成对称的、低重心结构，如立方体、盒形、半球形和锥形等对称封闭形状。还应当考虑系统动态重心的变化，特别是弹性负载甚至是液体负载样件的情况。夹具设计还应尽量避免截面的急剧变化，因为这样会降低夹具的刚度，同时降低夹具的固有频率。
夹具制作的主要方法有整体加工、螺钉连接、铸造、焊接、粘接等。在各种制作方法当中，应当优先考虑整体加工。螺栓连接夹具应适当降低互相配合的表面粗糙度，螺栓预紧力应比计算出来的振动分离力至少大10%。对体积较大的高频（大于2000Hz）夹具，螺栓间距不要超过80mm。制作时应特别注意选用的螺钉或螺栓的剪切力，铝合金或铝镁合金，材质较软，螺栓连接时应采用粗牙螺纹。对拆卸频繁的工装夹具，应采用不锈钢硬螺纹衬套或钢丝螺套。也可在螺钉连接的部位，用环氧树脂胶合，这样可以有效地提高连接强度。当使用水平滑台时，特别要注意剪切力，应使工装夹具各部件间连接紧密，同时螺孔要尽量使用胀销“填满”或用环氧树脂填充。剪切時的“毛束”现象也会导致波形失真，对于形状较复杂的曲面或厚度、截面有变化的夹具，一般应用铸造的方法制作。铸造合金的阻尼相对比较大，所以有利于减小共振状况。铸造好的夹具经过打磨，阻尼将会减小，对减振不利。焊接夹具制作相对更方便，成本较低，但焊接质量一定需要保证，否则焊接部位在振动时容易断裂。焊接夹具与螺栓连接夹具相比无“毛刺”，比铸造节省时间。对小型的工装夹具，粘接比焊接速度更快且节省费用，比较常用的是用环氧树脂作为粘接材料，螺接、焊接、环氧树脂粘接连接方式制造同样的夹具时，焊接的共振谐频稍高一些，而环氧树脂粘接连接方式的共振放大倍数稍低一些，焊接与环氧树脂粘接的共振频率和共振放大倍数均大于螺接。结合具体情况，本次工装夹具采用了焊接和螺栓连接的形式。
对用于较复杂工况完成初始设计的工装夹具，还要进行模态分析和频谱计算，进而进行优化设计。下面简要介绍用于新能源汽车电动机的底座承载式夹具的设计优化过程。如图2所示为经过优化设计后的六阶响应频率下的共振图像。
一般在设计夹具时，很少考虑材料的强度和疲劳特性，夹具高频特性所要求的高刚度使夹具基本不会因强度不足而损坏。而夹具的重量常常是夹具设计时最重要的参数，所以本次设计选用铝镁合金作为夹具材料同时也不再进行响应频谱求解。在夹具设计过程中，重点结合振动试验台的结构及使用要求，对夹具的整体采用对称设计。由于振动台与工装夹具的接触面为正方形，设计固定试验样件的台面时需要将尺寸尽量加大，以便使夹具能满足通用试验的要求。因此夹具设计外沿直径为Φ900mm，与振动试验台螺栓连接。同时为减轻重量，在底面区域内开减重槽。扩大后的夹具顶面台面为1100mm×1100mm的正方形，并用8根等距加强筋加固以增加刚度，同时提高响应频率。设计过程中，固定夹具的连接螺栓分布方向与加强筋的方向处于同一角度上，这样可以提高夹具的响应频率。在使用Ansys软件模态分析时，为了网格的方便划分，可以将模型中及试验样件连接部分简化处理，这样可以简化计算过程，而对计算结果影响并不大。endprint
在设计过程中，首先确定的尺寸参数是结构为底面为直径Φ900mm的圆，顶部为1100mm×1100mm正方形，工装夹具的倒角部分为120mm，高度为300mm。经过模态分析，其一阶响应频率较低，需要优化设计。因此将夹具的高度改为200mm，其他尺寸保持不变，对其进行频响分析后可知，在满足使用要求的前提下，降低工装夹具高度对提高其响应频率有非常明显的效果。不过计算机模拟分析具有局限性，因此实际的工装夹具在振动耐久试验时实测的频响数据，总是比模拟的计算值稍低一些。同时使用Ansys软件进行网格划分时，由于计算机计算的局限性，无论如何也无法将网格细分到可以完全真实再现试验试件的程度，因此计算结果也会有偏大的倾向。所以实际试验试件的真实频率不一定能满足高频试验要求，因此有必要再次進行设计优化。
降低了工装夹具的整体高度以后，可以将顶面变更为Φ1100mm的圆形，其他数据不变，此时的夹具尺寸参数为高度200mm，底面直径Φ900mm，顶面直径Φ1100mm的双圆形结构。对改进后的结构再次进行模态分析，计算响应频率，结果显示优化后的结构，其响应频率得到了显著提高。而且对改进结构的网格划分进一步细化为0.015以后，其各阶响应频率降低有限，可以得到更真实的数据。通过模拟分析，可以认为设计的夹具响应频率已经趋于稳定，其一阶980Hz、六阶1474Hz的模拟结果也可以满足新能源电动汽车电动机的振动耐久性试验需要。
振动试验用工装夹具制造完成后，扫频测试其固有频率，测试得到一阶固有频率为996Hz，与模态分析结果略有偏差。工装夹具在仿真模拟的时候，由于Ansys软件对实际试件的仿真程度限制，总是会产生偏差的；机械加工过程中的误差，如表面粗糙度和平行度、连接螺栓孔的位置精度等，都会对实际试验的频响结果产生影响；此外试验时，螺栓紧固程度的差别等人为因素也可能导致结果的少许偏差。
参考文献
[1]郑术力，常少莉.振动试验夹具设计研究[J].可靠性设计与工艺控制，2006，24（5）：14-17.
[2]傅志方.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2010.
[3]金玫，林峰，李德峰，等.振动试验夹具在可靠性试验中的应用[J].航空标准化与质量，2004（5）：39-43.
[4]刘兆宾，梁毅，圆盘夹具的振动特性研究[J].机械工程师，2011（7）：30-32.
[5]梁尚国，殷国富.现代机械优化设计方法[M].北京：化学工业出版社，2005.endprint
