風(fēng)扇振動路徑分析及隔振研究

張國元

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)者對于風(fēng)扇的需求已經(jīng)從簡單的吹風(fēng)向多維度、高標(biāo)準(zhǔn)的用戶體驗轉(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。就市場最大的落地扇而言，整機(jī)抖動問題已經(jīng)逐漸成為其被詬病的一大共性問題和產(chǎn)品自身品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

目前，針對落地扇整機(jī)抖動的研究較少。設(shè)計開發(fā)工程師主要是通過調(diào)節(jié)各檔位轉(zhuǎn)速屏蔽整機(jī)固有頻率來解決落地扇共振抖動問題。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)無法完全消除共振抖動現(xiàn)象。落地扇共振抖動問題愈發(fā)明顯、普遍。

本文通過振動路徑分析和振動隔離技術(shù)的研究應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并解決落地扇共振抖動的根本問題，具有一定的理論意義和實用價值。

2 落地扇振動路徑分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

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

風(fēng)葉是落地扇的振動源，為系統(tǒng)分別提供以基頻為激勵頻率的動不平衡振動和以葉頻為激勵頻率的軸向激勵。風(fēng)葉的振動激勵通過軸銷和索姆傳遞給電機(jī)軸，再通過電機(jī)軸傳遞到電機(jī)端蓋，最后通過端蓋與網(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，實際上網(wǎng)罩也是振動最明顯的部件[2]。

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

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

由動不平衡引起的風(fēng)葉慣性振動是通過電機(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。

2.2 振動頻譜分析

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

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

圖1 落地扇振動結(jié)構(gòu)

圖2 整機(jī)振動測試

圖3 落地扇共振頻譜

圖4 振動傳遞路徑

圖5 網(wǎng)罩模態(tài)分析

通過如圖3所示的振動頻譜可以看出振動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)行時風(fēng)葉的基頻。這也說明風(fēng)葉的慣性激勵是整機(jī)共振抖動的主要原因。

2.3 路徑分析

通過結(jié)構(gòu)分析和頻譜分析可以初步確定落地扇共振抖動的振動源和振動傳遞路徑：風(fēng)葉由于動不平衡引起的慣性激勵經(jīng)過風(fēng)葉輪轂從徑向傳遞到電機(jī)軸，再通過電機(jī)軸由徑向傳遞到球軸承，最后經(jīng)過電機(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)明確振動傳遞路徑的前提下，若要確認(rèn)是路徑上的哪一模塊對振動激勵進(jìn)行了放大，進(jìn)而引起整機(jī)的共振抖動，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 隔振振動頻譜

傳遞路徑上的零部件相對較少，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。所以對振動最明顯的網(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)大于慣性激勵頻率。這說明，網(wǎng)罩的抖動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)行時發(fā)生共振抖動。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，無法針對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，所以只能考慮針對振動路徑進(jìn)行隔振設(shè)計，以期減小落地扇的共振抖動。

在振動的傳遞路徑里，有幾處是較易進(jìn)行隔振設(shè)計的，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，可行性最理想，具體設(shè)計如圖6所示。

對所設(shè)計的隔振結(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低于激勵頻率8Hz。而且由隔振理論得知，當(dāng)激勵頻率大于隔振結(jié)構(gòu)的低階固有頻率的 倍時，振動就會得到有效隔離。所以從隔振原理來說，此隔振結(jié)構(gòu)可以對風(fēng)葉的激勵進(jìn)行有效隔離，進(jìn)而大幅減小整機(jī)共振抖動幅值，消除明顯抖動現(xiàn)象。

將隔振手板裝配到整機(jī)上，進(jìn)行振動測試，發(fā)現(xiàn)其已無明顯振動。同時對比批產(chǎn)機(jī)的振動測試結(jié)果，最大振動幅值更是從原來的300μm以上下降到了80μm以下。

4 結(jié)論

風(fēng)葉動不平衡引起的慣性激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率重合，引起落地扇明顯抖動。通過設(shè)計合理可行的隔振結(jié)構(gòu)可以有效控制落地扇共振抖動，大幅減小振動幅值，消除明顯抖動現(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。