叶江杨，吴袁生，袁文强

中汽检测技术有限公司，广东广州 510530

0 引言

近年来，汽车已经走进千家万户，成为日常生活必不可少的交通工具，人们对汽车驾驶的舒适性及安全性要求也越来越高。振动试验是以预期零部件在实际使用中的疲劳极力学边界条件，采用振动试验设备加载到零部件上，通过试验可提前暴露产品缺陷，验证其设计结构和材料选型的合理性，能有效地降低汽车研发周期，提高整车零部件的可靠性。因此振动试验成为检验汽车零部件可靠性和耐久性必需的一项工作[1]，对保证整车质量和行驶可靠性有着重要意义。

振动试验体现的动力学参数可用工程语言的频率、速度、加速度和振幅来表示。在实际环境中，零部件主要受力来源于两个方面，分别是往复式活塞发动机不平衡转动而产生的推力脉动变化和来自行驶过程中路面对汽车的随机冲击，而振动试验可根据试验标准条件对应输出机械冲击、正弦振动和随机振动及其叠加振动波形的激励。

本文基于常见的振动试验，以汽车发动机散热器和车载冷凝器为试验对象，设计优化多功能柔性组合的振动试验工装夹具，从而缩短设计制造周期，保证试验结果的有效性。

1 现有振动试验夹具存在的问题

夹具在传递能量给试样时，存在一定的失真。如图1所示，试验夹具是振动试验中的重要组成部分，在与单轴往复电动振动台的刚性连接中，需要满足在笛卡尔坐标系中X、Y、Z3个轴向的转换，其中振动台的垂直状态可执行试样的Z方向试验，而水平状态则可执行X和Y。实际使用中散热器多采用方型钢管焊制，这类型的夹具具有加工便捷且成本较低的优点，但由于强度低且固有频率容易与样品重叠，容易造成“过振动”而导致试验失效。基于夹具方案的强度、轻量化、成本和加工工艺等因素的限制，尤其是当组装的试验夹具和试样的固有频率在试验频率范围有重叠时，通常无法保证准确的能量传输，也影响着试验的有效性。

图1 振动试验中垂直和水平状态示意

某散热器夹具案例如图2所示。

图2 某散热器夹具案例

定制设计的试验夹具无法完全适配汽车散热器和冷凝器的多种固定结构形式。现有汽车散热器和冷凝器的固定方式在结构上分为下压式、侧装式、边托式、底托式及其组合形式，试验夹具在主体框架的基础上，需要根据产品的不同结构形式来设计制造其固定零件。供应商送检的产品各异，传统定制夹具的设计制造占整个试验流程周期的70%，非常不利于现代化检测机构企业竞争。定制型夹具通常只能适配空调系统的冷凝器或发动机的散热器，专件专用，这大大地限制了该类型振动夹具的通用性。

2 振动试验工装夹具的结构设计

在工程应用中，振动试验夹具往往限定于特定试验条件和对应试验样品。在设计过程中，降低设计和制造成本是一个重要的考虑条件。降低成本不仅要求夹具结构简单、易于制造，而且要求设计过程尽可能采用成熟技术和结构形式、减少设计分析和试验验证的工作量[2]。因此，对于实际应用中，以多功能和柔性化的设计理念来满足使用需求显得尤为重要。

2.1 多功能的设计理念及实施方案

夹具主要由主框架构和配套安装零件两部分组成，材料均为7075航空铝材。主框架构由一个垂直安装立柱、一个底部滑块安装槽、一个底板和一个立柱加强筋通过螺栓定位连接后焊接而成的一个整体，如图3所示。主框架构主要承担连接振动试验设备与试样，保证能量的有效传递，同时为配套安装零部件提供基体。

图3 主框架构示意

在实际应用中，主框架的底座与振动水平滑台或垂直拓展台之间采用螺栓紧固后，根据不同的安装需求选用配套的安装零件，如图4中的下压安装块、侧向安装块、侧托安装块、下托安装块和两个安装块横梁。

图4 总成架构示意

2.2 柔性化的设计理念及实施方案

在大多数情况下，每个试件的安装位置也会因车型不一致而导致安装具体点不一致，此时，基于选用好配套的安装零件后，还需要柔性化的微调空间。全段长圆孔固然可解决此柔性化需求，但在振动试验中不能满足强度和轻量化的设计原则。因此，在设计中采用分段长圆孔+偏心安装模块的解决方案来解决柔性化安装问题。

安定位夹紧点位置也是不完全相同的，所以柔性工装夹具的结构设计要对各个定位点和夹紧装置的位置进行细致调节。在工装方案中，安装模块的位置均设计有5个长圆孔和配合安装块的尺寸，如图5所示。同时通过安装块的安装孔在长圆槽中的滑动和正方向安装，从而实现全段柔性可调如图6所示。

图5 配合安装尺寸(单位：mm)

图6 柔性化安装模式示意

3 有限元分析和结果验证

振动试验夹具的一阶固有频率是衡量夹具设计可靠性的重要参数之一，也是振动试验可靠性关键因素之一[3]。

通过设计方案在实际投产前进行必要的结构合理性分析，可见该夹具各阶的模态幅值变化和共振频率点。夹具建模模型通过HyperMesh进行网格划分再放在HyperView软件上模拟运行空间6个自由度的幅值变化。夹具的一阶模态分析结果如图7所示，幅值变形主要集中在夹具中上部，共振频率为151.54 Hz。夹具的二阶模态分析结果如图8所示，幅值变形主要集中在夹具中上部的两侧加强筋，共振频率为196.32 Hz。夹具的三阶模态分析结果如图9所示，幅值变形主要集中在夹具中部的两侧加强筋，共振频率为250.68 Hz。通过有限元分析，幅值范围主要集中在振动夹具的中上部位，可见越偏离运动中心轴线越接近共振点范围。

图7 夹具的一阶模态分析结果

图8 夹具的二阶模态分析结果

图9 夹具的三阶模态分析结果

4 夹具共频分析和结果验证

为了评价此夹具在实际振动试验中的性能，结合有限元分析结果在夹具的顶端作为监控点布置电动振动试验系统加速度传感器，并以振动台面作为控制点布置加速度传感器，进行谐振搜索试验及分析,如图10所示。

图10 谐振搜索试验

本夹具是针对日本工业标准JS D 1601汽车零部件振动试验方法标准中的刚性试验载体，要求其振动试验采用频率为33 Hz或67 Hz，即设计要求是确保不失真地传递运动载荷，且在试验频率范围内不发生共振，即夹具的一阶固有频率要高于试验频率的上限，则可满足试验环境需求。

结合主流的两种夹具要求：一阶固有频率大于试件固有频率的3～5倍[4]和美国圣地亚试验室的振动夹具设计规范[5]中25～250 kg的小于500 Hz，最终确定试验频率范围在10～200 Hz。其余参数设定为：加速度1g，扫频速率1 oct/min，在X、Y、Z3个方向各进行1次扫频，试验结果如图11至图13所示。

图11 夹具X方向谐振搜索试验结果

图12 夹具Y方向谐振搜索试验结果

图13 夹具Z方向谐振搜索试验结果

由实际谐振搜索试验结果分析可知，该夹具在X、Y、Z3个激励输入中，结构响应在10～200 Hz频率范围内均未见共振点。可见第3节的有限元分析中一阶固有频率和二阶固有频率在单轴向激励分解后均未见影响，此振动试验夹具具有实际工程应用价值。

5 结束语

本文提出了一种多功能柔性化振动试验的夹具优化设计方案，正迎合了检测行业数字化和专业化的发展趋势。该方案能够通过快速调节工装夹具上安装模块的夹紧点位置，来满足不同尺寸不同形状的机械设计加工要求，统配性较强。同时该方案通过了有限元分析和标准试验验证，满足试验需求，具有提高设计效率、大幅降低设计成本等优点。

通过本文的研究，可为汽车发动机散热器和车载空调冷凝器类型试件的振动试验提供夹具方案支持，有效加快试验周期进程并提高效率，同时降低试验成本，避免了以往振动试验以经验为主导的夹具设计思路导致试验谱对试件的“欠振动”或“过振动”的能量传递，为汽车零部件疲劳可靠性试验的准确性提供了技术保障。