某風(fēng)扇抖動問題分析及隔振研究

周權(quán) 梅長云 陳飛帆 許志華

廣東美的生活電器制造有限公司 廣東佛山 528300

1 引言

隨著生活水平的提高和產(chǎn)品趨于多樣性，人們對家電等日常生活用品的使用需求已不僅局限于基本的功能性，而是對產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)感提出了更高的要求。對于風(fēng)扇而言，消費(fèi)者希望風(fēng)扇在消暑降溫時噪聲盡量小，不出現(xiàn)抖動等問題。但這兩點(diǎn)一直是困擾風(fēng)扇行業(yè)的較為嚴(yán)重的問題，尤其是風(fēng)扇的抖動問題，不僅難以控制和解決，而且復(fù)發(fā)性非常高，給廠商造成了大量的時間和成本的浪費(fèi)，也給產(chǎn)品的品牌價值造成了很大的負(fù)面影響。

目前解決此類問題的一般方法是通過改進(jìn)工藝來降低扇葉和驅(qū)動電機(jī)的動不平衡，但這需要增加工序和工時，而且很難保證產(chǎn)品的一致性，因此復(fù)發(fā)性比較高[1]。本文從風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對抖動的機(jī)理進(jìn)行了研究，并對如何避免和解決抖動問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，識別出了風(fēng)扇網(wǎng)罩及整機(jī)頭部的模態(tài)，并提出了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的避頻原則；同時通過設(shè)計電機(jī)和網(wǎng)罩隔振軟墊的方法有效解決了風(fēng)扇的抖動問題。

2 風(fēng)扇抖動問題的提出

在某風(fēng)扇樣機(jī)測試過程中，主觀評價網(wǎng)罩12點(diǎn)處存在明顯的抖動問題，且該問題在同類產(chǎn)品中批量出現(xiàn)。通過工藝對扇葉進(jìn)行動平衡量的管控，抖動問題明顯改善，但各種主觀因素的存在，導(dǎo)致無法保證所有扇葉達(dá)標(biāo)。因此，需要從源頭上對抖動問題進(jìn)行研究和控制。

對三臺整機(jī)風(fēng)扇網(wǎng)罩的振動進(jìn)行了測試，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為三檔860 rpm左右，扇葉旋轉(zhuǎn)一階基頻為14.5 Hz左右。采用Test Lab軟件及一個三向振動傳感器進(jìn)行測試，由于風(fēng)扇網(wǎng)罩12點(diǎn)方向抖動最明顯，因此將傳感器布置在該處。其中某臺風(fēng)扇的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 某風(fēng)扇三檔振動試驗(yàn)結(jié)果曲線

三臺風(fēng)扇的振動試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三臺風(fēng)扇各向振動試驗(yàn)結(jié)果

以上試驗(yàn)表明，風(fēng)扇網(wǎng)罩的前后方向振動明顯大于上下、左右方向的振動，且明顯大于振動-12 dB的目標(biāo)值，因此主要對前后方向振動進(jìn)行優(yōu)化使其達(dá)標(biāo)，其他方向振動也可以達(dá)到目標(biāo)要求。

3 網(wǎng)罩和整機(jī)的模態(tài)及VTF分析

對網(wǎng)罩和整機(jī)頭部進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行了模態(tài)分析和振動傳遞函數(shù)的分析，結(jié)合二者的振動傳遞函數(shù)試驗(yàn)，對有限元仿真模型進(jìn)行了基于建模精確化的對標(biāo)和調(diào)教。

采用Altair Hyperworks軟件進(jìn)行風(fēng)扇模型網(wǎng)格劃分、前后處理、后續(xù)的仿真分析及優(yōu)化。由于只需進(jìn)行整機(jī)頭部的建模，且風(fēng)扇網(wǎng)罩及較多塑料件結(jié)構(gòu)特征不規(guī)則，厚度較小，因此對于該類部件采用四面體網(wǎng)格，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和計算效率，將四面體網(wǎng)格單元尺寸設(shè)定為2 mm；而扇葉及電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，厚度比較均勻，因此對這兩個部件抽取中面，采用殼單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為2 mm，同時為增加計算精度，所有網(wǎng)格采用二階網(wǎng)格單元。

在裝配方面，螺栓和卡扣的緊固連接均采用剛性單元RBE2模擬，而質(zhì)量配置（如電機(jī)）采用RBE3+COMN2單元來模擬，根據(jù)以上原則進(jìn)行風(fēng)扇的有限元建模和裝配精確度較高。

自由狀態(tài)下網(wǎng)罩的前后一階呼吸模態(tài)為109 Hz，分析結(jié)果如圖2所示。為驗(yàn)證建模準(zhǔn)確性，對自由狀態(tài)的網(wǎng)罩進(jìn)行了原點(diǎn)傳遞函數(shù)的試驗(yàn)，以識別網(wǎng)罩與仿真對應(yīng)的各階模態(tài)，識別出試驗(yàn)前后一階呼吸模態(tài)為109 Hz，試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖3所示。自由狀態(tài)下仿真和試驗(yàn)一階呼吸模態(tài)吻合較好，驗(yàn)證了網(wǎng)罩建模的準(zhǔn)確性。

圖2 自由狀態(tài)前后一階呼吸模態(tài)仿真云圖

圖3 自由狀態(tài)網(wǎng)罩原點(diǎn)傳函試驗(yàn)曲線

隨后進(jìn)行了網(wǎng)罩的約束模態(tài)分析和原點(diǎn)傳函試驗(yàn)。約束狀態(tài)下，網(wǎng)罩的各階約束模態(tài)仿真和試驗(yàn)對標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)罩約束模態(tài)仿真和試驗(yàn)對標(biāo)結(jié)果

由表2結(jié)果可知，約束狀態(tài)下網(wǎng)罩的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了建模的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行了整機(jī)頭部模型的建模及模態(tài)分析，并進(jìn)行了各階模態(tài)的試驗(yàn)識別及對標(biāo)分析。由于整機(jī)頭部存在左右和上下旋轉(zhuǎn)的功能，導(dǎo)致頭部整體相對于整機(jī)而言較為松曠，因此風(fēng)扇支柱上的鉸接裝置對整機(jī)頭部的模態(tài)影響非常小，這也是只需要進(jìn)行整機(jī)頭部建模而無需進(jìn)行整機(jī)建模仿真分析的原因。

在整機(jī)建模過程中，網(wǎng)罩鎖母、電機(jī)前殼以及網(wǎng)罩三者的連接模擬最為關(guān)鍵，也較難模擬，因此在建模過程中，需要通過進(jìn)行三者的模態(tài)和傳遞函數(shù)仿真及試驗(yàn)，開展連接關(guān)系的精確化對標(biāo)。傳遞函數(shù)試驗(yàn)的激勵點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)分別如圖4、圖5所示。

通過精細(xì)化對標(biāo)迭代后，該結(jié)構(gòu)的仿真模態(tài)分析及基于模態(tài)識別的振動傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)了較好的吻合。仿真和試驗(yàn)整體的上下二階彎曲模態(tài)分別為124.5 Hz和125 Hz，左右二階彎曲模態(tài)分別為112.4 Hz和110.3 Hz，表明三者的連接關(guān)系建模精度很高。三者連接方式的模態(tài)仿真分析云圖如圖6、圖7所示。

圖4 傳遞函數(shù)試驗(yàn)激勵點(diǎn)

圖5 傳遞函數(shù)試驗(yàn)響應(yīng)點(diǎn)

圖6 上下二階模態(tài)云圖

圖7 左右二階模態(tài)云圖

網(wǎng)罩鎖母、電機(jī)前殼以及網(wǎng)罩三者的連接模擬精確化以后，整機(jī)頭部即可得到比較精確的建模。采用同樣的對標(biāo)方法，驗(yàn)證了整機(jī)頭部建模的準(zhǔn)確性。整機(jī)頭部的上下和左右模態(tài)分別為14.7 Hz和13.5 Hz，如圖8、圖9所示。

圖8 整機(jī)頭部上下點(diǎn)頭模態(tài)

通過以上對整機(jī)頭部和網(wǎng)罩模態(tài)的仿真分析和精確化對標(biāo)，可以準(zhǔn)確得到整機(jī)頭部和網(wǎng)罩模態(tài)對于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一階頻率的避頻頻率，在設(shè)定各檔轉(zhuǎn)速時必須避開以上頻率，以免發(fā)生共振而導(dǎo)致抖動加劇。同時通過模態(tài)應(yīng)變能的分析，可以清楚地找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將整機(jī)和網(wǎng)罩模態(tài)提升至高于最高檔的轉(zhuǎn)速一階基頻，達(dá)到避頻的目標(biāo)。

圖9 整機(jī)頭部左右搖頭模態(tài)

4 隔振軟墊設(shè)計

4.1 單自由度系統(tǒng)隔振理論

如圖10所示，在激勵力F=F0sinωt作用下，振動形式最終表現(xiàn)為以ω為周期的受迫振動。

圖10 單自由度有阻尼受迫振動系統(tǒng)

該系統(tǒng)的傳遞率為：

其中：m為需要隔振體的質(zhì)量，k為靜剛度，c為粘性阻尼為頻率比，為阻尼比，cc為臨界阻尼[2]。

由式（1）可以得到力傳遞率與頻率ω之間關(guān)系的曲線圖，如圖11所示。

當(dāng)激勵的頻率ω大于時，彈簧阻尼系統(tǒng)的隔振特性才開始起作用，一般取2.5～5ωn，隔振效果就比較好，例如頻率比λ=5，阻尼比ξ=0.2時，隔振率為91%[3]。

4.2 路徑隔振要求的提出

通過分析該風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)可知，風(fēng)扇扇葉剛性安裝在驅(qū)動電機(jī)軸上，驅(qū)動電機(jī)通過四個螺栓以及定位卡扣直接與電機(jī)前殼剛性連接，而電機(jī)前殼又直接與網(wǎng)罩剛性連接，由扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動傳遞至電機(jī)，加上電機(jī)本身的振動，二者共同形成整個振動系統(tǒng)的激勵源，產(chǎn)生的激勵傳遞至電機(jī)前后殼，最后傳遞至網(wǎng)罩，從而引起網(wǎng)罩的振動。當(dāng)扇葉和電機(jī)的動不平衡量超過一定數(shù)值后，傳遞至網(wǎng)罩的振動將很容易導(dǎo)致其明顯可見的抖動。

在要求工藝端管控扇葉和電機(jī)轉(zhuǎn)子總成的動平衡的同時，需要在設(shè)計端對激勵源進(jìn)行隔振設(shè)計，以減小由電機(jī)傳遞至網(wǎng)罩的振動。通過結(jié)構(gòu)分析可知，可以在兩條路徑上進(jìn)行隔振設(shè)計。第一條是在電機(jī)與電機(jī)前殼之間增加螺栓隔振軟墊；另一條是電機(jī)前殼與網(wǎng)罩之間增加網(wǎng)罩隔振軟墊?；谝陨蟽蓷l路徑的隔振設(shè)想，設(shè)計了雙級隔振軟墊，同時隔離電機(jī)與電機(jī)前殼之間、電機(jī)前殼與網(wǎng)罩之間的振動。

圖11 力傳遞率與頻率之間關(guān)系

4.3 確定隔振軟墊剛度

確定隔振軟墊剛度，一般按照如下步驟進(jìn)行：

（1）首先需要明確軟墊的隔振率要求。一般來說，需要隔振率達(dá)到90%以上，即隔振衰減為20 dB以上時，隔振效果較好[4]。因此隔振軟墊的振動傳遞率為：

其中：Ta為振動傳遞率，η為隔振率，本文中取0.9。

（2）阻尼比ζ=c/c0，其中c是結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，c0是臨界阻尼。一般ζ在0.05～0.07之間，本文取0.06。

（3）頻率比公式為：

由于傳遞率和阻尼比已經(jīng)確定，因此根據(jù)上式（3）可以得出頻率比λ[5]。

（4）確定激勵頻率f，并由求解出隔振系統(tǒng)的固有頻率f0。

（5）而，則由此可以計算出隔振軟墊的剛度k。

4.4 施加隔振軟墊前后VTF分析對比

根據(jù)以上步驟，計算出了隔振軟墊的剛度，并進(jìn)行了是否施加隔振軟墊的振動傳遞函數(shù)VTF對比，其中激勵點(diǎn)為風(fēng)扇葉片安裝軸的卡銷處，響應(yīng)點(diǎn)為前網(wǎng)罩的12點(diǎn)方向，計算對比結(jié)果如圖12所示。

圖12 施加隔振軟墊前后VTF仿真對比

由圖12可以看出，施加隔振軟墊后，全頻段振動峰值均明顯降低，表明所施加軟墊的位置和軟墊剛度均滿足隔振要求。

4.5 施加軟墊前后振動試驗(yàn)對比

對雙級隔振軟墊的形式進(jìn)行了設(shè)計，其結(jié)構(gòu)滿足既能隔離電機(jī)本體至電機(jī)前殼的振動，又能滿足隔離電機(jī)前殼至后網(wǎng)罩的振動，由此設(shè)計了一體式兩級隔振軟墊。

試制了邵氏35A、45A和55A三個不同硬度的隔振軟墊，并選用了一個動不平衡量較差的扇葉進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖13、圖14所示。

換裝不同硬度的軟墊后，網(wǎng)罩振動結(jié)果如表3所示。

表3 不同硬度軟墊時網(wǎng)罩振動

圖13 網(wǎng)罩上下方向振動曲線

由表3可知，增加雙級隔振軟墊后，網(wǎng)罩的振動明顯衰減，且均遠(yuǎn)低于-12 dB的振動目標(biāo)值，通過主觀評價，換裝軟墊后的風(fēng)扇網(wǎng)罩無抖動現(xiàn)象。由此可知，盡管扇葉的動不平衡量非常差，但通過雙級隔振軟墊的隔振，網(wǎng)罩抖動問題也能得到解決，驗(yàn)證了該軟墊設(shè)計的有效性。

圖14 網(wǎng)罩前后方向振動曲線

5 結(jié)論

本文通過對風(fēng)扇整機(jī)頭部和網(wǎng)罩的模態(tài)和振動傳遞函數(shù)分析，有效的識別了各部件及其組合狀態(tài)的模態(tài)，提出了模態(tài)避頻的范圍及原則，為風(fēng)扇各檔轉(zhuǎn)速的設(shè)置提供了數(shù)據(jù)參考。同時通過在設(shè)計端對電機(jī)與網(wǎng)罩之間的隔振軟墊設(shè)計，有效地消除了扇葉動不平衡很差的惡劣工況下的抖動現(xiàn)象。通過本文的研究可以得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)扇抖動的影響因素非常多，其中扇葉和電機(jī)轉(zhuǎn)子的動不平衡是導(dǎo)致抖動的最大因素；

（2）風(fēng)扇各部件尤其是約束狀態(tài)下網(wǎng)罩的模態(tài)必須避開風(fēng)扇轉(zhuǎn)速基頻，因此在風(fēng)扇的數(shù)模設(shè)計階段進(jìn)行模態(tài)和傳遞函數(shù)的仿真分析非常重要；

（3）隔振對于解決風(fēng)扇抖動問題效果顯著，在進(jìn)行風(fēng)扇前期設(shè)計時，建議將隔振方案考慮進(jìn)去。

由本文的研究可知，在設(shè)計的初期階段，形成產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)及其目標(biāo)值體系，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的仿真分析以及NVH設(shè)計工作前置，可以很好的避免產(chǎn)品在量產(chǎn)后出現(xiàn)嚴(yán)重的NVH問題。