梁满基 杜泽伟 林尚谋 陈明杰
广东风华高新科技股份有限公司 广东肇庆 526020
摘要：振动试验夹具作为试验样品与振动台连接的桥梁，其重要作用无容置疑。本文对振动试验夹具设计与制作过程的关键点，分别从振动夹具的功用、振动夹具设计的要求、振动夹具的形式以及振动夹具对螺栓的要求四个方面进行了探讨与研究。
关键词：夹具设计；电子元件；可靠性；振动试验
Abstract：There is no doubt that the important role of the fixture for vibration test, as a bridge connecting to the vibration table and the test samples. Aiming at the key point of the design and manufacturing for fixture applying in vibration test field, this thesis has discussed and researched the topic about the requirements of the function, the design requirement, theshape, the requirements for bolt of the fixture for vibration test.
Key words：Fixture design Electronic components Reliability Vibration test
1引言
随着可靠性技术的推广与应用，越来越多的行业纷纷进入了可靠性试验认证的行列。由于以往对机械应力的忽略，现今振动试验便成为了可靠性试验中必不可少的试验之一。但随之引申出来的便是配套的夹具设计了，特别是以毫米级别定义的电子元件，如何使其与比它大千万倍的振动台相匹配振动呢？
根据《GB/T 2423.10-2008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)》《GJB 150.16A-2009 军用装备实验室环境试验方法第16部分振动试验》《AEC-Q200 REV D 2010无源组件应力测试认证规范》《GB/T 19405.1-2003 表面安装技术第1部分：表面安装元器件规范的标准方法》等电子元件的标准里面都只推荐了振动试验的试验条件，而对如何固定却没有明确指出。为响应国家中国制造2025，中国汽车电子认证，对电子元件的振动夹具设计与制造做了专项研究。
对夹具各个部分作出合理的逐步分析后，就能够完成夹具的设计。夹具振动的误差通常是允许的。精度提得越高，需要花费的时间和努力就越大。这便是夹具设计者与需求者需要权衡投入产出比的问题了。
对于夹具设计者，除了机械制造与电子电工的基础外，实战的工程经验，以及机加工的经验，都是为制造出一款成功的夹具的必要前提。因而，一个成功的夹具设计，部分靠运气，部分凭经验。
2振动夹具的功用
试验样品的安装有二种：一种是传统的方式，直接安装在振动台的动圈上，另一种是通过过渡装置进行安装，这种过渡装置称为夹具。其主要功能就是将振动台产生能量通过机械连接不失真、不放大地传递传给试验样品，从而保证试验样品经受到所规定的试验应力，当然这是忽略了各种能量损耗理想状态了。
而为了让振动台的产生的能量不失真地通过夹具传递给试验样品，设计好夹具和动圈之间的刚性连接就至关重要了。
3振动夹具的设计要求
振动夹具常用铝合金或镁合金焊接或铸造而成，一般情况下，夹具的刚度随材质的密度增加，硬度增大，重量减小而加大。
在电子元器件试验用的振动夹具设计中，共振因素是个需要首先考虑的问题。实际试验中，由于夹具而引起振动系统及元器件的共振，不仅影响到试验样品试验后判据结论的正确性，而且可能发生损坏试验样品及试验装置等难以预料的情况。[1]
振动台动圈有其固有共振频率，其共振频率取决于动圈尺寸的大小。空载条件下时，大型振动台的共振频率可达1.3kHz以上，小型振动台的共振频率也能达到5kHz（或以上）。夹具设计者应与振动台的设计工程师一样，以求刚性最大，重量最小为目标，但若要权衡成本与收益的最大化的话，最低验收标准要保证所涉及的夹具在使用的试验频率范围内不允许产生共振现象。如与很多环境试验标标准里推荐的试验条件相似，《AEC-Q200 REV D 2010》对无源元件规定的振动试验条件的频率范围为10～2000Hz，因而所设计的夹具与振动台动圈所构成的整体，其最低共振点须在2000Hz以上。
振动夹具的重量需在振动台额定推力的范围内。影响因子主要是振动台的承载重量M和试验峰值加速度a（或arms）。当正弦或随机振动试验的峰值加速度为a（或arms）时，振动台正弦或随机的推力F不能小于a*M（或arms * M）。其中，M= m1 + m2 + m3（m1：样品重量，m2：夹具重量，m3：动圈重量）。
另外，设计用来支撑试验样品的夹具，试验样品的尺寸和形状应是重点关注的，因为一旦改变了夹具整体的尺寸，形状和重量，其重心位置就随之变动。只要让夹具的重量远大于试验样品，就比较容易使夹具与试验样品的组合重心与振动台的轴线落在振动台的中心线上。
除此以外，温度对夹具的性能也是有影响的，当一夹具要用于温度振动试验时，就要注意这一点，高温可使金属产生塑性屈服，低温可使材料冷脆。
一款成功的振动夹具应达到以下的条件：
（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合。
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（2）夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时激励输入的均匀性。
（3）夹具的刚度质量比要足够大。
（4）夹具的阻尼要大，夹具共振时（第一阶固有频率），其品质（放大）因数Q不应大于4。
（5）夹具的质量最好是试验样品的2～4倍。通常在估算振动台需要的推力的时，用此比值就行。
（6）振动夹具横向运动（指垂直于激振方向）要尽量小。
（7）波形失真小，在夹具第一阶固有频率之前，波形失真度不大于25%，之后不大于60%。[2]
（8）各连接点的运动尽量一致夹具各连接点的运动都一致是困难的，在某些频率下，出现相位和振幅的差别，其差别有时最高到50:1，这从台面上几个加速度计的输出中就能看到。一个好的设计能够部分地使差别减至最小，而且能够在实验规范要求的频率范围内，使得各加速度计之间的差别达到容许限度，很大程度上决定于夹具和振动台的尺寸。无论你的设计和制造出的夹具多么好，如果合力超出振动台规定的倾覆力矩，运动将不再是线性的，而且各加速度计输出差别很大。
（9）由于螺接点的受力直接影响整个振动系统的共振（有间隙便会带来低频振动），振动夹具与动圈之间的各连接点的排布位置设计应满足对称形状排布，推荐的主要以圆形或正方形，且排布需较密集些。
4 振动夹具的形式
夹具的种类繁多，差别很大，从专门用途以及设计上的差别可分为：
4.1平板型夹具
平板型夹具的作用是把试验样品与振动台面连接起来，若没有这样的平板进行过渡，试验样品较难与振动台面直接连接进行振动试验。此外，这种板减少了由于多次拆装对振动台面上衬套的磨损以及衬套从台面上脱出的危险。
平板型夹具很大部分就是简单一块平板。如需高效地、大量地做试验用，这些板就应当精心设计。实际的例子就是，把大量零件放到一块大型转接板上在大振动台上做试验，这要比只是单个或有限个零件放在小振动台上做试验高效得多。一般地讲，过度板的尺寸是自定义的，但不建议大于振动台面的直径，而厚度可以从2.5cm到15cm中选择。
4.2过度架型夹具
过度架型夹具主要用于整机产品的试验，这种夹具要根据试验样品的形状来设计。不同形状的样品，其夹具的形状也不相同。过度架型夹具的形状、刚度和强度要尽量接近样品在实际使用中的情况。
4.3立方体型夹具
立方体型夹具主要应用在小型结构件的振动试验。可以直接固定振动台上。也可以由过度板来固定。当装在顶面上的试验样品接受垂直方向的振动时，其它四个平面（在四周上）都能接受到平行方向的振动。四周上的任一快板均能转90°（在基平面内旋转）用于经受平行于基平面的二个方向的振动。立方体上有螺钉衬套，用螺钉连接板（或者与试验样品直接相连）。夹具上还必需有连接气、液、或电器的安装孔。
4.4L形型夹具
L形型夹具的各部分可用焊接，螺接或整块料机械加工而成。
4.5T形型夹具
T形型夹具实质上就是L形型夹具的改进版本，即将L形型夹具的垂直平板安装在底板的中心位置而已。因此，垂直面板的正反面均可用于安装试验样品，利用率就可提升一倍。[3]
除了上述的五种夹具模型以外，还有各种自定义形式的夹具。
5振动夹具对螺栓的要求
夹具和试验样品之间、夹具和振动台之间以及夹具本身各构件之间主要以螺栓连接为主。当夹具与动圈螺接时，每颗螺栓单位面积所要承载的最大负荷为：
F = A * ( M1+ M2 + M3 )/ N /S
F——拉伸应力，单位为N。
A——随机或正弦振动试验的峰值加速度，单位为g。
M1——夹具重量，单位为kg。
M2——样品重量，单位为kg。
M3——动圈重量，单位为kg。
N——螺钉数量。
S——螺钉面积，单位为m2。
为免夹具和台面分离，及螺钉因机械疲劳而损坏，每颗螺钉最低需能承受这个幅度的应力值。
试验人员使用用力矩扳手拧紧螺栓，扭矩只能拧到额定扭矩值的3/4，因为超过了这个螺钉所能承受的“极限”力，虽然螺栓可以继续往下的伸长，但其紧固度却增加甚微。一旦施加的扭力比这个“极限力”大得多，螺栓就会被剪断或拉断。
参考文献
[1]李守泉，潘宁.电子元器件振动试验的共振分析及夹具设计浅谈.《环境技术》，1985 (3) :24-28+23
[2] 刘旭.浅谈振动夹具的设计及振动夹具模态分析.《民营科技》，2009 (2) :16-17
[3] 姜同敏. 振动冲击试验夹具设计制造技术.《航空制造工程》，1997 (5) :21-23
论文作者:梁满基,杜泽伟,林尚谋,陈明杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：夹具论文; 样品论文; 振动台论文; 频率论文; 重量论文; 螺钉论文; 螺栓论文; 《防护工程》2018年第12期论文;