張國(guó)元

廣東美的環(huán)境電器制造有限公司 廣東中山 528425

1 引言

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)于風(fēng)扇的需求已經(jīng)從簡(jiǎn)單的吹風(fēng)向多維度、高標(biāo)準(zhǔn)的用戶體驗(yàn)轉(zhuǎn)化[1]。除了吹風(fēng)，用戶更要求風(fēng)扇本身具有一定的品質(zhì)可靠性。就市場(chǎng)最大的落地扇而言，整機(jī)抖動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為其被詬病的一大共性問(wèn)題和產(chǎn)品自身品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

目前，針對(duì)落地扇整機(jī)抖動(dòng)的研究較少。設(shè)計(jì)開發(fā)工程師主要是通過(guò)調(diào)節(jié)各檔位轉(zhuǎn)速屏蔽整機(jī)固有頻率來(lái)解決落地扇共振抖動(dòng)問(wèn)題。但隨著多檔位落地扇、變頻風(fēng)扇的快速發(fā)展，在不影響風(fēng)扇使用性能的前提下，單純依靠共振點(diǎn)屏蔽已經(jīng)無(wú)法完全消除共振抖動(dòng)現(xiàn)象。落地扇共振抖動(dòng)問(wèn)題愈發(fā)明顯、普遍。

本文通過(guò)振動(dòng)路徑分析和振動(dòng)隔離技術(shù)的研究應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并解決落地扇共振抖動(dòng)的根本問(wèn)題，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 落地扇振動(dòng)路徑分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

落地扇振動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從結(jié)構(gòu)裝配和力的傳遞來(lái)說(shuō)，風(fēng)葉通過(guò)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)空氣流動(dòng)形成風(fēng)，空氣對(duì)風(fēng)葉有一個(gè)反作用力，這個(gè)反作用力的頻率與風(fēng)葉的葉頻相同。同時(shí)由于動(dòng)不平衡量的存在，風(fēng)葉在重力作用下產(chǎn)生徑向慣性拉力，這個(gè)慣性力的頻率跟風(fēng)葉基頻相同。

風(fēng)葉是落地扇的振動(dòng)源，為系統(tǒng)分別提供以基頻為激勵(lì)頻率的動(dòng)不平衡振動(dòng)和以葉頻為激勵(lì)頻率的軸向激勵(lì)。風(fēng)葉的振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)軸銷和索姆傳遞給電機(jī)軸，再通過(guò)電機(jī)軸傳遞到電機(jī)端蓋，最后通過(guò)端蓋與網(wǎng)罩的連接傳遞給網(wǎng)罩。落地扇的整體結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，網(wǎng)罩在懸臂梁的自由端，實(shí)際上網(wǎng)罩也是振動(dòng)最明顯的部件[2]。

值得注意的是，雖然激勵(lì)都是通過(guò)電機(jī)軸傳遞到電機(jī)端蓋的，但是兩種激勵(lì)的傳遞方向卻有一定差別[3]：

風(fēng)葉的軸向激勵(lì)是通過(guò)電機(jī)軸的減振墊片軸向傳遞到端蓋上的，也就是說(shuō)端蓋接受到的是軸向沖擊；

由動(dòng)不平衡引起的風(fēng)葉慣性振動(dòng)是通過(guò)電機(jī)軸以杠桿力矩形式徑向直接傳遞到電機(jī)的前端蓋和后端蓋上的，電機(jī)端蓋受到的是徑向激勵(lì)。

2.2 振動(dòng)頻譜分析

由結(jié)構(gòu)分析得知落地扇的潛在振動(dòng)激勵(lì)有兩個(gè)，其具體激勵(lì)頻率和能量大小都有所差別。為了確定究竟是哪一個(gè)激勵(lì)引起了整機(jī)共振抖動(dòng)，還需對(duì)落地扇進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，如圖2所示。

將PCB加速度傳感器貼于振動(dòng)最明顯的網(wǎng)罩上部，并通過(guò)12通道數(shù)采前端采集數(shù)據(jù)，利用LMS Test.Lab對(duì)落地扇進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析。

圖1 落地扇振動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖2 整機(jī)振動(dòng)測(cè)試

圖3 落地扇共振頻譜

圖4 振動(dòng)傳遞路徑

圖5 網(wǎng)罩模態(tài)分析

通過(guò)如圖3所示的振動(dòng)頻譜可以看出振動(dòng)的全部能量幾乎都集中在8Hz左右，也就是風(fēng)扇在4檔運(yùn)行時(shí)風(fēng)葉的基頻。這也說(shuō)明風(fēng)葉的慣性激勵(lì)是整機(jī)共振抖動(dòng)的主要原因。

2.3 路徑分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和頻譜分析可以初步確定落地扇共振抖動(dòng)的振動(dòng)源和振動(dòng)傳遞路徑：風(fēng)葉由于動(dòng)不平衡引起的慣性激勵(lì)經(jīng)過(guò)風(fēng)葉輪轂從徑向傳遞到電機(jī)軸，再通過(guò)電機(jī)軸由徑向傳遞到球軸承，最后經(jīng)過(guò)電機(jī)端蓋傳遞到風(fēng)扇網(wǎng)罩，具體路徑如圖4所示。

在已經(jīng)明確振動(dòng)傳遞路徑的前提下，若要確認(rèn)是路徑上的哪一模塊對(duì)振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行了放大，進(jìn)而引起整機(jī)的共振抖動(dòng)，還需要進(jìn)行相關(guān)零部件的模態(tài)分析。

圖6 徑向隔振模型

圖7 隔振套模態(tài)仿真

圖8 隔振振動(dòng)頻譜

傳遞路徑上的零部件相對(duì)較少，其中電機(jī)模塊很難進(jìn)行邊界條件設(shè)置，更難進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。所以對(duì)振動(dòng)最明顯的網(wǎng)罩進(jìn)行模態(tài)分析才更有意義。

由模態(tài)分析結(jié)果得知，網(wǎng)罩的一階固有頻率為41Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于慣性激勵(lì)頻率。這說(shuō)明，網(wǎng)罩的抖動(dòng)并非其自身共振的表現(xiàn)，而是系統(tǒng)共振的結(jié)果[4]。當(dāng)慣性激勵(lì)在落地扇的機(jī)械結(jié)構(gòu)中傳遞，整機(jī)系統(tǒng)存在8Hz左右的固有頻率，進(jìn)而在4檔運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振抖動(dòng)。系統(tǒng)固頻是由電機(jī)的裝配形式和裝配間隙引起的，但是考慮其裝配形式與間隙存在的必要性，無(wú)法針對(duì)傳遞路徑上的這一部分進(jìn)行相應(yīng)的減振優(yōu)化。

3 落地扇隔振技術(shù)研究

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)葉轉(zhuǎn)速都很難進(jìn)行較大調(diào)整，所以只能考慮針對(duì)振動(dòng)路徑進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，以期減小落地扇的共振抖動(dòng)。

在振動(dòng)的傳遞路徑里，有幾處是較易進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)的，分別是：風(fēng)葉與索姆之間、風(fēng)葉與電機(jī)軸之間和網(wǎng)罩與電機(jī)端蓋之間。經(jīng)過(guò)工藝、成本分析，確定在風(fēng)葉與電機(jī)軸之間進(jìn)行徑向隔振設(shè)計(jì)，可行性最理想，具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

對(duì)所設(shè)計(jì)的隔振結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真得到其固有頻率，確定其徑向固頻為5Hz低于激勵(lì)頻率8Hz。而且由隔振理論得知，當(dāng)激勵(lì)頻率大于隔振結(jié)構(gòu)的低階固有頻率的 倍時(shí)，振動(dòng)就會(huì)得到有效隔離。所以從隔振原理來(lái)說(shuō)，此隔振結(jié)構(gòu)可以對(duì)風(fēng)葉的激勵(lì)進(jìn)行有效隔離，進(jìn)而大幅減小整機(jī)共振抖動(dòng)幅值，消除明顯抖動(dòng)現(xiàn)象。

將隔振手板裝配到整機(jī)上，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其已無(wú)明顯振動(dòng)。同時(shí)對(duì)比批產(chǎn)機(jī)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，最大振動(dòng)幅值更是從原來(lái)的300μm以上下降到了80μm以下。

4 結(jié)論

風(fēng)葉動(dòng)不平衡引起的慣性激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率重合，引起落地扇明顯抖動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)合理可行的隔振結(jié)構(gòu)可以有效控制落地扇共振抖動(dòng)，大幅減小振動(dòng)幅值，消除明顯抖動(dòng)現(xiàn)象。隔振結(jié)構(gòu)的材料屬性是影響隔振效果的重要參數(shù)之一，期待后續(xù)相關(guān)研究可以開發(fā)出新的隔振材料，以提高隔振效果。