手機(jī)振動(dòng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

張杉杉，王 玫，周 航 ，黃思思

（1．四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川安和精密電子電器有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)作為日常溝通和娛樂(lè)必不可少的電子設(shè)備，已經(jīng)越來(lái)越被人所依賴。振動(dòng)馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)手機(jī)振動(dòng)功能的模塊，在日常使用過(guò)程中，被摔后很容易出現(xiàn)振感不足、振動(dòng)噪音過(guò)大等的現(xiàn)象[1]，影響用戶體驗(yàn)，增加用戶的維修成本和時(shí)間成本。因此偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有研究意義。

目前手機(jī)振動(dòng)馬達(dá)的研究大部分集中在壽命提高和測(cè)評(píng)方法上，針對(duì)偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。文獻(xiàn)[2]通過(guò)設(shè)計(jì)手機(jī)用扁平振動(dòng)馬達(dá)電刷和換向器的結(jié)構(gòu)，以及改善馬達(dá)生產(chǎn)過(guò)程中的制作環(huán)境，達(dá)到提高馬達(dá)壽命的目的。文獻(xiàn)[1]提出一種比較貼近于實(shí)際工作狀態(tài)的震動(dòng)程度測(cè)量方法，幫助增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的同時(shí)避免了馬達(dá)噪聲異常等問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了一款應(yīng)用于牙科治療的低速手機(jī)內(nèi)噴水氣動(dòng)馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)對(duì)連通管和接頭座等部件裝配加工的具體設(shè)計(jì)，最終提高了馬達(dá)質(zhì)量和裝配效率。有限元法被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件，包裝跌落等研究中以分析部件受力情況和跌落過(guò)程中加速度變化情況。文獻(xiàn)[4]依據(jù)有限元軟件對(duì)套環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)后的環(huán)套結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要較為方便的對(duì)鋼絲繩受到的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用更加方便安全。文獻(xiàn)[5]將有限元分析應(yīng)用到一款紅酒包裝的跌落仿真中，依據(jù)跌落仿真分析的結(jié)果改進(jìn)包裝設(shè)計(jì)，大大降低了紅酒在跌落過(guò)程中的破損率。

針對(duì)手機(jī)用鐵芯馬達(dá)在跌落測(cè)試中良品率較低的問(wèn)題，對(duì)振動(dòng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真模擬證明優(yōu)化后的馬達(dá)與原始馬達(dá)相比所受最大應(yīng)力降低，最后還通過(guò)多組跌落實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后的馬達(dá)在擺錘偏移值，噪聲值，以及軸承孔變形情況上均有改善。

2 模型建立

2.1 偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理

偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)振動(dòng)馬達(dá)是在轉(zhuǎn)子軸端安裝一個(gè)偏心塊，利用軸及偏心塊的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力得到激振力，振動(dòng)電機(jī)通電旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電機(jī)軸上的偏心塊，產(chǎn)生慣性激振力[1]。由轉(zhuǎn)子馬達(dá)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟的技術(shù)，再加上這一技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)，目前大部分的手機(jī)都是采用的該技術(shù)。

圖1 偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Eccentric Rotor Motor

2.2 手機(jī)及配件建模

分析對(duì)象為市面上比較普通的一款手機(jī)，凈重為153g。本次仿真主要分析手機(jī)跌落過(guò)程中馬達(dá)的受力情況，因此對(duì)手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要建出與馬達(dá)接觸的部分。馬達(dá)的結(jié)構(gòu)則按照實(shí)物構(gòu)建。模型采用NX建立，仿真也采用NX內(nèi)部的Nastran仿真模塊完成。避免了不同軟件之間數(shù)據(jù)交換導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。具體模型，如圖 2所示。手機(jī)尺寸為（77×8×160）mm，馬達(dá)的具體尺寸，如圖3所示。

圖2 實(shí)體模型Fig.2 Solid Model

圖3 馬達(dá)尺寸圖Fig.3 Dimension Diagram of Motor

3 有限元分析

3.1 模型網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算的速度和精度影響很大。NX主要有兩種劃分網(wǎng)格的形式，即四面體和六面體的形式。張榮提出了六面體網(wǎng)格在計(jì)算精度、變形特性、劃分網(wǎng)格數(shù)量、抗畸變程度及再劃分次數(shù)等方面比三維四面體網(wǎng)格具有明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。因此對(duì)于形狀規(guī)則的部分，均采用六面體網(wǎng)格劃分。需要注意的是，要提前用“拆分體”工具將各個(gè)部件拆分成規(guī)則的多面體，在劃分網(wǎng)格的應(yīng)用里再使用“網(wǎng)格配對(duì)”工具將多面體連接，保證多面體的接觸部位網(wǎng)格一致。特別不規(guī)則的部分則使用四面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖4所示。

圖4 模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh Generation of Models

3.2 材料設(shè)置

材料設(shè)置是模擬真實(shí)跌落效果中至關(guān)重要的一步，本模型中所涉及到的材料均比較常見(jiàn)。因此可以直接采用NX Nastran材質(zhì)庫(kù)中的固有材質(zhì)。涉及到的材料及參數(shù)，如表1所示。

表1 各模型選用的材料及其物理參數(shù)Tab.1 Material Selected for Each Model and its Physical Parameters

3.3 接觸、載荷和初始條件

插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以供后續(xù)施加固定約束。將手機(jī)和馬達(dá)所有節(jié)點(diǎn)和元素加入組一，將地面和節(jié)點(diǎn)設(shè)為組二。

在設(shè)置部件的接觸之前，首先選擇要參與接觸的面為區(qū)域，接下來(lái)的接觸設(shè)置會(huì)直接使用這些區(qū)域。馬達(dá)與手機(jī)內(nèi)部的接觸面，馬達(dá)內(nèi)部的接觸面以及手機(jī)與地面的接觸面共9組。其中地面的非線性接觸參數(shù)為剛性類型，選擇之前插入的節(jié)點(diǎn)為主模型網(wǎng)格點(diǎn)。除地面之外，其他接觸面均保持缺省的參數(shù)。選擇面對(duì)面接觸為接觸類型，修改高級(jí)非線性參數(shù)中的接觸器節(jié)點(diǎn)公差為5mm，各運(yùn)動(dòng)副上的接觸區(qū)域?yàn)榻壎愋?。手機(jī)與地面的接觸參數(shù)設(shè)置與其他的不同，設(shè)置靜摩擦系數(shù)為0.15，高級(jí)非線性參數(shù)中只將柔性系數(shù)改為10-6mm3.mN-1，其他參數(shù)保持不變即可。

依據(jù)ISTA國(guó)際運(yùn)輸安全測(cè)試2的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，低于10kg的物品應(yīng)沿970mm處跌落，本次跌落的手機(jī)質(zhì)量為153g遠(yuǎn)小于10kg因此可適量調(diào)高跌落高度，參考人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)，成年人搬運(yùn)物體的高度約為1200mm，最終確定將手機(jī)從1m的高度向下跌落。根據(jù)計(jì)算公式：v=，計(jì)算得到手機(jī)與地面接觸的一瞬間速度為4.43m/s。式中：h—跌落高度，設(shè)為1m，g—重力加速度，取9.81m/s2。給節(jié)點(diǎn)施加固定約束，給組一的部件施加速度為4.43m/s的初始條件，方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛳隆Ｗ詈笫┘又亓@一載荷，方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛳?。最后，編輯解算方案的相關(guān)參數(shù)。首先設(shè)置時(shí)間步間隔，因?yàn)榉抡娴闹饕康臑榉治鲴R達(dá)跌落瞬間的受力情況，因此間隔應(yīng)該足夠精細(xì)，設(shè)置為0.0001s，10個(gè)步長(zhǎng)即可。編輯“工控控制”下的“輸出請(qǐng)求”面板：加速度引用組一，排序選擇“SPOT1”，輸出介質(zhì)選擇“PLOT”；接觸結(jié)果選擇所有物體；位移引用組一，排序選擇“SPOT1”，輸出介質(zhì)選擇“PLOT”；SPC 力引用組二；速度引用組一，排序選擇“SPOT1”，輸出介質(zhì)選擇“PLOT”。至此，仿真構(gòu)建完成，求解以分析結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 仿真結(jié)果分析

仿真分析主要是為了找到馬達(dá)應(yīng)力集中的地方，故對(duì)馬達(dá)所受的應(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)力分析的結(jié)果，如圖5所示。可以看出在偏心轉(zhuǎn)子和軸承與軸的接觸部分受力最大，其中軸承的受力更加集中，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)主要集中在這個(gè)部分。

圖5 原始馬達(dá)受力分析圖Fig.5 Force Analysis Diagram of Original Motor

取軸承上應(yīng)力最大的點(diǎn)，分析整個(gè)跌落過(guò)程中該點(diǎn)應(yīng)力變化，如圖6所示。在向下跌落的過(guò)程中應(yīng)力穩(wěn)步上升，在跌落的瞬間達(dá)到最大值238.16MPa，之后隨著時(shí)間慢慢下降，最終趨于穩(wěn)定。

圖6 原始馬達(dá)應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.6 Change Trend of Original Motor Stress

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

軸承使用的材料為鋁合金，采用粉末冶金的工藝制造，因此受到擠壓時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)變形。通過(guò)分析，最終采用增加軸承受力面的方法來(lái)改善變形情況。將外殼軸承寬度加長(zhǎng)0.2mm，整體受力面積提高了50%。外殼對(duì)應(yīng)加長(zhǎng)0.2mm，同時(shí)將擺錘外移0.2mm，即馬達(dá)總長(zhǎng)增加0.2mm。具體方案，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Fig.7 Optimum Design Scheme

4.3 優(yōu)化后仿真結(jié)果分析

優(yōu)化后的受力分析圖和變化趨勢(shì)圖，如圖8、圖9所示。對(duì)優(yōu)化后的馬達(dá)做仿真結(jié)果分析，優(yōu)化前馬達(dá)最大應(yīng)力為241.46MPa，優(yōu)化后馬達(dá)最大應(yīng)力為178.01MPa，降低了25.7%。

圖8 優(yōu)化后馬達(dá)受力分析圖Fig.8 Force Analysis Diagram of Optimized Motor

圖9 優(yōu)化后應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.9 Change Trend of Stress Change After Optimization

4.4 跌落實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將馬達(dá)放置在治具中進(jìn)行跌落實(shí)驗(yàn)。治具尺寸為（150×72×12.5）mm。取12個(gè)原始馬達(dá)和12個(gè)優(yōu)化后的馬達(dá)，進(jìn)行5組組合跌落。實(shí)驗(yàn)步驟為：LOOP1（0.9m跌落六個(gè)面）→壽命試驗(yàn)→LOOP2（0.9m跌落六個(gè)面和四個(gè)角）→壽命試驗(yàn)→LOOP3（0.9面跌落六個(gè)面）→壽命試驗(yàn)→LOOP4（1.2m跌落六個(gè)面和四個(gè)角）→壽命試驗(yàn)→LOOP5（1.5m跌落六個(gè)面）→壽命試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，分析擺錘偏移值，噪聲值，以及軸承孔變形情況。兩種馬達(dá)跌落后的擺錘偏移值，對(duì)比兩種馬達(dá)擺錘偏移距離，從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，優(yōu)化軸承馬達(dá)在跌落后，擺錘偏移量整體低于原始馬達(dá)的偏移，如圖11所示。測(cè)試原始和優(yōu)化后馬達(dá)跌落試驗(yàn)前、后的噪音值。馬達(dá)落摔試驗(yàn)前、后的噪音值及最大變化?值（正常品最大為8.4dB，軸承改善品為6.6dB），軸承改善品馬達(dá)均小于改進(jìn)前馬達(dá)。

圖10 治具及馬達(dá)放置方式、跌落實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片示意圖Fig.10 Fixture and Motor Placement，Drop Test Site Photo Schematic Diagram

圖11 擺錘偏移值對(duì)比Fig.11 Comparison of Pendulum Offset Values

圖12 擺錘偏移值對(duì)比Fig.12 Comparison of Pendulum Offset

圖13 軸承變形對(duì)比Fig.13 Comparison of Bearing Deformation

擺錘偏移值對(duì)比，如圖12所示。軸承變形對(duì)比，如圖13所示。軸承變形對(duì)比圖中表明：兩種馬達(dá)外殼軸承均存在變形，其中原始馬達(dá)有 5 個(gè)（1#、3#、6#、7#、8#）軸承孔變形稍大，7 個(gè)輕微擴(kuò)大，軸承改善品馬達(dá)有1個(gè)（7#）軸承孔變形稍大，11個(gè)輕微擴(kuò)大。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)增大振動(dòng)馬達(dá)軸承與軸的接觸面積，可以有效緩解跌落實(shí)驗(yàn)中馬達(dá)軸承變形過(guò)大的問(wèn)題，提高振動(dòng)馬達(dá)的性能和延長(zhǎng)其壽命。（2）有限元仿真分析可以找到振動(dòng)馬達(dá)在跌落過(guò)程中的應(yīng)力集中點(diǎn)。NX軟件不僅可以展示振動(dòng)馬達(dá)的應(yīng)力分布云圖還可以分析出跌落過(guò)程中的應(yīng)力變化過(guò)程。（3）實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果共同驗(yàn)證了優(yōu)化后的振動(dòng)馬達(dá)性能更好，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程更加具有參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。