汽车自由度振动台灯光总成装夹装置设计

0 引言

汽车在行驶过程中，承受路面冲击以及汽车本身所发出的振动，形成的这些振动都会对汽车各个零部件产生影响.振动测试是一种以振动台为基础，对整车或单个的汽车零部件进行振动测试，检测其可靠性和使用寿命.汽车灯光总成作为保障车辆夜间行驶的重要安全部件,对安全行驶起着至关重要的作用.为了研究灯光总成在行驶时的稳定性，可通过振动试验来实现.为了确保实验顺利开展，需要装夹装置用来连接并固定振动台与试件.装夹装置除具备较好地刚性外，同时需具备较好地传递冲击振动、避免共振等特点[1-3].此外，由于在振动台模拟试验的汽车零部件或总成较多，为了使振动台能承担更多的实验任务，要求固定装夹装置时不破坏台面.基于以上要求，以桑塔纳2000型灯光总成为研究试件，综合考虑结构、材料、参数及振动设计了一款汽车自由度振动台灯光总成装夹装置用于教学实验.

1 装夹装置设计思路

为保证装夹装置可靠并得到较准确的试验数据，装夹装置设计思路和要求如下：

1) 选用刚度大、阻尼大的材料,便于使装夹装置在整个使用频率范围内具有良好的频率响应和振动传递.

2) 装夹装置的连接层次应该尽可能地少，厚度尽可能取大，避免内部出现敲击现象以及断臂和悬臂的情况，有条件时尽能可采用一体结构.

3) 装夹装置的第1阶固有频率应尽量高于最高试验频率，避免装夹装置与产品发生振动耦合.

4) 装夹装置要有较好的预紧力，避免在试验过程中由于较大的载荷而使试件与振动台分离.

5) 装夹装置的重心应尽可能的低，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).

6) 装夹装置结构对称尽可能对称，避免振动试验时振动波形失真或振动台面出现摇摆.

2 装夹装置总体结构设计

2.1 研究试件

桑塔纳2000型汽车的灯光总成主要部分的实物如图1～2所示.图1～2的灯光总成画圈处的是在汽车上安装时的螺孔和螺栓柱.根据装夹装置设计原则，尽可能还原装夹装置在汽车上的工作状态，因此在装夹装置上的安装也应和在汽车上类似.在装夹装置上采用支柱的形式，对灯光总成进行螺栓螺母连接.

图1 前大灯

图2 后大灯

2.2 装夹装置结构设计

2.2.1 结构设计

装夹装置在设计时，底板根据振动台面外形设计成U型的卡槽形式，与振动台面紧紧嵌合，限定其上下2个自由度；设计2个力臂对其进一步固定，限定其前后左右的自由度；装夹装置的灯光总成安装部分，依据试验要求尽可能还原灯光总成在汽车上的安装状态，安装力臂均仿造汽车上的灯光总成安装座，不仅实现了预期试验要求且适用于此类所有灯光总成的安装和试验.综上考虑做出装夹装置结构如图3所示.

2.2.2 材料选择及加工方式

根据强度理论，设计时需注意以下2个方面:第一，选用轻质材料进行制作，如硬铝合金，对某些必须采用较重材料的装夹装置可采用轻重材料搭配等方法来减轻装夹装置的质量[4]；第二，装夹装置质量亦不能太轻，装置质量应达到待测试件质量的2倍以上[5].

6061型铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、抗氧化能力极佳等优良特点.结合装夹装置设计要求制作成本等要求，确定装夹装置使用AL6061来设计制作，其力学性能详见参考文献[6].

1—M12螺柱；2—M12螺母；3—装夹装置底板；4—后大灯光总成；5—前大灯光总成；； 6—辅助夹紧扣U型槽； 7—主夹紧装置U型槽；8—右前大灯外侧支座；9—后大灯支座 10—前大灯内侧支座；11—后大灯框架座 12—左前大灯外侧支座.
图3 装夹装置结构

装夹装置底板结构采用铸造成型，支座和框架则采用机械冲压成型，将支座及框架采用焊接的方式固定到底板上.焊接处往往是振动损坏的常发生点，但随着焊接技术的发展，装夹装置采用焊接的方法已经完全能满足振动试验的要求，因此，在现代装夹装置制造中的焊接技术受到人们的认可并广泛采用.因此焊接法在进行制作装夹装置时需要考虑以下问题：1) 焊接工具和焊缝形式的选择,焊接装夹装置时最好采用连续焊缝的惰性的气体保护焊(手工MIG焊)，这样可有效的确保焊接质量，防止焊缝在振动时破损甚至断裂[6]；2) 后续进行的热处理和机加工会导致装夹装置在焊接时其结构产生形变，局部材料的特性改变，且构件中存在残余的内应力，焊接后进行适当的热处理和机加工可以有效的减少残余应力和材料特性改变的影响.

3 装夹装置模态分析与测试

3.1 模态分析

试件在进行振动测试前，运用CREO对建模的试件固有频率进行分析得到精确的固有频率值，最终设计的装夹装置前4阶振型如图4所示，分析结果如表1所示.

(a) 1阶模态

(b) 2阶模态

(c) 3阶模态

(d) 4阶模态
图4 装夹装置4阶振型模态图

表1 装夹装置固有频率

由表1可知，固有频率随着模态的阶数升高逐渐增加，这是因为随着模态阶次的提高，高阶振动的节点数会变多，激发工件高阶振动的载荷能量逐渐减弱，高阶振动的激发愈发困难，故工件在第1阶模态振型处的固有频率最小[8].由于低阶固有频率对振动特性的影响占主要地位，所以在模态分析中就主要看前2阶.

灯光设备由于大多使用塑料制作的，所以其1阶固有频率较低，通常在20 Hz左右.若试验中装夹装置的1、2阶固有频率(主要看前两阶)小于20 Hz，则需要根据其振幅来判断灯光总成中刚度较小的零件，并根据要求对装夹装置进行结构改进.由试验结果可知装夹装置的1、2阶固有频率是试件固有频率的2倍，满足灯光总成装夹装置的设计要求.

3.2 装夹装置模型测试

采用亚克力板制作了装夹装置模型，如图5所示.通过螺旋夹紧机构固定在振动台面上，再将灯光总成安装在装夹装置上，并限制其在x、y、z轴的平移和转动.该装置在持续的振动模拟测试中无明显的位置偏移和松弛晃动，符合设计预期，可进行实物制作.根据设计申请的“车灯总成振动测试夹具” 专利已获授权，专利号：CN208350314U.

图5 灯光总成夹具实物模型

4 结语

依据灯光辅助装夹装置的设计要求，对待测试件和多自由度振动台进行分析,设计了一种卡槽式的装夹装置.在Creo软件环境中完成了灯光总成装夹装置的三维建模，通过对其固有频率进行仿真分析，其1阶固有频率为42.808 Hz，符合设计要求.制作装夹装置实物图进行装夹测试，还原了灯光总成在汽车上的装夹形式，初步试验结果表明，设计的装夹装置符合预期的可靠性，能够用于教学实验.