某風扇抖動問題分析及隔振研究

周權 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，而是對產品的質量和品質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，不出現抖動等問題。但這兩點一直是困擾風扇行業的較為嚴重的問題，尤其是風扇的抖動問題，不僅難以控制和解決，而且復發性非常高，給廠商造成了大量的時間和成本的浪費，也給產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，而且很難保證產品的一致性，因此復發性比較高[1]。本文從風扇的結構設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合的方法，識別出了風扇網罩及整機頭部的模態，并提出了風扇轉速的避頻原則；同時通過設計電機和網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，主觀評價網罩12點處存在明顯的抖動問題，且該問題在同類產品中批量出現。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。

對三臺整機風扇網罩的振動進行了測試，風扇轉速為三檔860 rpm左右，扇葉旋轉一階基頻為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果如圖1所示。

圖1 某風扇三檔振動試驗結果曲線

三臺風扇的振動試驗結果如表1所示。

表1 三臺風扇各向振動試驗結果

以上試驗表明，風扇網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化使其達標，其他方向振動也可以達到目標要求。

3 網罩和整機的模態及VTF分析

對網罩和整機頭部進行有限元建模，并進行了模態分析和振動傳遞函數的分析，結合二者的振動傳遞函數試驗，對有限元仿真模型進行了基于建模精確化的對標和調教。

采用Altair Hyperworks軟件進行風扇模型網格劃分、前后處理、后續的仿真分析及優化。由于只需進行整機頭部的建模，且風扇網罩及較多塑料件結構特征不規則，厚度較小，因此對于該類部件采用四面體網格，綜合考慮網格數量和計算效率，將四面體網格單元尺寸設定為2 mm；而扇葉及電機殼體結構較為規則，厚度比較均勻，因此對這兩個部件抽取中面，采用殼單元劃分網格，網格尺寸設定為2 mm，同時為增加計算精度，所有網格采用二階網格單元。

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，而質量配置（如電機）采用RBE3+COMN2單元來模擬，根據以上原則進行風扇的有限元建模和裝配精確度較高。

自由狀態下網罩的前后一階呼吸模態為109 Hz，分析結果如圖2所示。為驗證建模準確性，對自由狀態的網罩進行了原點傳遞函數的試驗，以識別網罩與仿真對應的各階模態，識別出試驗前后一階呼吸模態為109 Hz，試驗結果曲線如圖3所示。自由狀態下仿真和試驗一階呼吸模態吻合較好，驗證了網罩建模的準確性。

圖2 自由狀態前后一階呼吸模態仿真云圖

圖3 自由狀態網罩原點傳函試驗曲線

隨后進行了網罩的約束模態分析和原點傳函試驗。約束狀態下，網罩的各階約束模態仿真和試驗對標結果如表2所示。

表2 網罩約束模態仿真和試驗對標結果

由表2結果可知，約束狀態下網罩的仿真和試驗結果對標較好，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分析，并進行了各階模態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的功能，導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，網罩鎖母、電機前殼以及網罩三者的連接模擬最為關鍵，也較難模擬，因此在建模過程中，需要通過進行三者的模態和傳遞函數仿真及試驗，開展連接關系的精確化對標。傳遞函數試驗的激勵點和響應點分別如圖4、圖5所示。

通過精細化對標迭代后，該結構的仿真模態分析及基于模態識別的振動傳遞函數實現了較好的吻合。仿真和試驗整體的上下二階彎曲模態分別為124.5 Hz和125 Hz，左右二階彎曲模態分別為112.4 Hz和110.3 Hz，表明三者的連接關系建模精度很高。三者連接方式的模態仿真分析云圖如圖6、圖7所示。

圖4 傳遞函數試驗激勵點

圖5 傳遞函數試驗響應點

圖6 上下二階模態云圖

圖7 左右二階模態云圖

網罩鎖母、電機前殼以及網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

通過以上對整機頭部和網罩模態的仿真分析和精確化對標，可以準確得到整機頭部和網罩模態對于風扇轉速一階頻率的避頻頻率，在設定各檔轉速時必須避開以上頻率，以免發生共振而導致抖動加劇。同時通過模態應變能的分析，可以清楚地找到結構的薄弱部位，通過結構的優化將整機和網罩模態提升至高于最高檔的轉速一階基頻，達到避頻的目標。

圖9 整機頭部左右搖頭模態

4 隔振軟墊設計

4.1 單自由度系統隔振理論

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

該系統的傳遞率為：

其中：m為需要隔振體的質量，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構可知，風扇扇葉剛性安裝在驅動電機軸上，驅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罩剛性連接，由扇葉旋轉產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的激勵源，產生的激勵傳遞至電機前后殼，最后傳遞至網罩，從而引起網罩的振動。當扇葉和電機的動不平衡量超過一定數值后，傳遞至網罩的振動將很容易導致其明顯可見的抖動。

在要求工藝端管控扇葉和電機轉子總成的動平衡的同時，需要在設計端對激勵源進行隔振設計，以減小由電機傳遞至網罩的振動。通過結構分析可知，可以在兩條路徑上進行隔振設計。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罩之間增加網罩隔振軟墊?；谝陨蟽蓷l路徑的隔振設想，設計了雙級隔振軟墊，同時隔離電機與電機前殼之間、電機前殼與網罩之間的振動。

圖11 力傳遞率與頻率之間關系

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是結構阻尼系數，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確定，因此根據上式（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VTF對比，其中激勵點為風扇葉片安裝軸的卡銷處，響應點為前網罩的12點方向，計算對比結果如圖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計，其結構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罩的振動，由此設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，得到試驗結果如圖13、圖14所示。

換裝不同硬度的軟墊后，網罩振動結果如表3所示。

表3 不同硬度軟墊時網罩振動

圖13 網罩上下方向振動曲線

由表3可知，增加雙級隔振軟墊后，網罩的振動明顯衰減，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罩無抖動現象。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，網罩抖動問題也能得到解決，驗證了該軟墊設計的有效性。

圖14 網罩前后方向振動曲線

5 結論

本文通過對風扇整機頭部和網罩的模態和振動傳遞函數分析，有效的識別了各部件及其組合狀態的模態，提出了模態避頻的范圍及原則，為風扇各檔轉速的設置提供了數據參考。同時通過在設計端對電機與網罩之間的隔振軟墊設計，有效地消除了扇葉動不平衡很差的惡劣工況下的抖動現象。通過本文的研究可以得到以下結論：

（1）風扇抖動的影響因素非常多，其中扇葉和電機轉子的動不平衡是導致抖動的最大因素；

（2）風扇各部件尤其是約束狀態下網罩的模態必須避開風扇轉速基頻，因此在風扇的數模設計階段進行模態和傳遞函數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，在進行風扇前期設計時，建議將隔振方案考慮進去。

由本文的研究可知，在設計的初期階段，形成產品各項指標及其目標值體系，將產品結構的仿真分析以及NVH設計工作前置，可以很好的避免產品在量產后出現嚴重的NVH問題。