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。對于風扇而言，消費者希望風扇在消暑降溫時噪聲盡量小，不出現(xiàn)抖動等問題。但這兩點一直是困擾風扇行業(yè)的較為嚴重的問題，尤其是風扇的抖動問題，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，也給產(chǎn)品的品牌價值造成了很大的負面影響。

目前解決此類問題的一般方法是通過改進工藝來降低扇葉和驅(qū)動電機的動不平衡，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]。本文從風扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對抖動的機理進行了研究，并對如何避免和解決抖動問題進行了較為詳細的闡述。通過仿真與試驗相結(jié)合的方法，識別出了風扇網(wǎng)罩及整機頭部的模態(tài)，并提出了風扇轉(zhuǎn)速的避頻原則；同時通過設(shè)計電機和網(wǎng)罩隔振軟墊的方法有效解決了風扇的抖動問題。

2 風扇抖動問題的提出

在某風扇樣機測試過程中，主觀評價網(wǎng)罩12點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標。因此，需要從源頭上對抖動問題進行研究和控制。

對三臺整機風扇網(wǎng)罩的振動進行了測試，風扇轉(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行測試，由于風扇網(wǎng)罩12點方向抖動最明顯，因此將傳感器布置在該處。其中某臺風扇的試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 某風扇三檔振動試驗結(jié)果曲線

三臺風扇的振動試驗結(jié)果如表1所示。

表1 三臺風扇各向振動試驗結(jié)果

以上試驗表明，風扇網(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的目標值，因此主要對前后方向振動進行優(yōu)化使其達標，其他方向振動也可以達到目標要求。

3 網(wǎng)罩和整機的模態(tài)及VTF分析

對網(wǎng)罩和整機頭部進行有限元建模，并進行了模態(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，對有限元仿真模型進行了基于建模精確化的對標和調(diào)教。

采用Altair Hyperworks軟件進行風扇模型網(wǎng)格劃分、前后處理、后續(xù)的仿真分析及優(yōu)化。由于只需進行整機頭部的建模，且風扇網(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）采用RBE3+COMN2單元來模擬，根據(jù)以上原則進行風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。為驗證建模準確性，對自由狀態(tài)的網(wǎng)罩進行了原點傳遞函數(shù)的試驗，以識別網(wǎng)罩與仿真對應(yīng)的各階模態(tài)，識別出試驗前后一階呼吸模態(tài)為109 Hz，試驗結(jié)果曲線如圖3所示。自由狀態(tài)下仿真和試驗一階呼吸模態(tài)吻合較好，驗證了網(wǎng)罩建模的準確性。

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)罩原點傳函試驗曲線

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

表2 網(wǎng)罩約束模態(tài)仿真和試驗對標結(jié)果

由表2結(jié)果可知，約束狀態(tài)下網(wǎng)罩的仿真和試驗結(jié)果對標較好，進一步驗證了建模的準確性。

進行了整機頭部模型的建模及模態(tài)分析，并進行了各階模態(tài)的試驗識別及對標分析。由于整機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而言較為松曠，因此風扇支柱上的鉸接裝置對整機頭部的模態(tài)影響非常小，這也是只需要進行整機頭部建模而無需進行整機建模仿真分析的原因。

在整機建模過程中，網(wǎng)罩鎖母、電機前殼以及網(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，需要通過進行三者的模態(tài)和傳遞函數(shù)仿真及試驗，開展連接關(guān)系的精確化對標。傳遞函數(shù)試驗的激勵點和響應(yīng)點分別如圖4、圖5所示。

通過精細化對標迭代后，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)實現(xiàn)了較好的吻合。仿真和試驗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)試驗激勵點

圖5 傳遞函數(shù)試驗響應(yīng)點

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、電機前殼以及網(wǎng)罩三者的連接模擬精確化以后，整機頭部即可得到比較精確的建模。采用同樣的對標方法，驗證了整機頭部建模的準確性。整機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 整機頭部上下點頭模態(tài)

通過以上對整機頭部和網(wǎng)罩模態(tài)的仿真分析和精確化對標，可以準確得到整機頭部和網(wǎng)罩模態(tài)對于風扇轉(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)化將整機和網(wǎng)罩模態(tài)提升至高于最高檔的轉(zhuǎn)速一階基頻，達到避頻的目標。

圖9 整機頭部左右搖頭模態(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

通過分析該風扇的結(jié)構(gòu)可知，風扇扇葉剛性安裝在驅(qū)動電機軸上，驅(qū)動電機通過四個螺栓以及定位卡扣直接與電機前殼剛性連接，而電機前殼又直接與網(wǎng)罩剛性連接，由扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動傳遞至電機，加上電機本身的振動，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前后殼，最后傳遞至網(wǎng)罩，從而引起網(wǎng)罩的振動。當扇葉和電機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轉(zhuǎn)子總成的動平衡的同時，需要在設(shè)計端對激勵源進行隔振設(shè)計，以減小由電機傳遞至網(wǎng)罩的振動。通過結(jié)構(gòu)分析可知，可以在兩條路徑上進行隔振設(shè)計。第一條是在電機與電機前殼之間增加螺栓隔振軟墊；另一條是電機前殼與網(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，同時隔離電機與電機前殼之間、電機前殼與網(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，其中激勵點為風扇葉片安裝軸的卡銷處，響應(yīng)點為前網(wǎng)罩的12點方向，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對比

對雙級隔振軟墊的形式進行了設(shè)計，其結(jié)構(gòu)滿足既能隔離電機本體至電機前殼的振動，又能滿足隔離電機前殼至后網(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行裝機試驗，得到試驗結(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，且均遠低于-12 dB的振動目標值，通過主觀評價，換裝軟墊后的風扇網(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

本文通過對風扇整機頭部和網(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）風扇抖動的影響因素非常多，其中扇葉和電機轉(zhuǎn)子的動不平衡是導(dǎo)致抖動的最大因素；

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

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

由本文的研究可知，在設(shè)計的初期階段，形成產(chǎn)品各項指標及其目標值體系，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)嚴重的NVH問題。