電動(dòng)風(fēng)扇手動(dòng)俯仰結(jié)構(gòu)可靠性分析

葉務(wù)占 潘君旺 徐藝寧 孫玉嬌

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著生活水平不斷提高，用戶更注重產(chǎn)品體驗(yàn)的舒適程度。風(fēng)扇的俯仰定位結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)力度對(duì)于用戶體驗(yàn)影響較大，對(duì)各種手感進(jìn)行分析歸類如下：

①手感松緊度較佳，能夠準(zhǔn)確定檔，檔位切換聲音清脆；

②手感較松，無(wú)法準(zhǔn)確定檔位，檔位切換聲音不明顯；

③手感較緊，無(wú)法準(zhǔn)確定檔位，檔位切換聲音低沉。

用戶調(diào)節(jié)手感問(wèn)題嚴(yán)重則導(dǎo)致檔位定位不準(zhǔn)確，甚至在使用磨損后發(fā)生無(wú)法定位的問(wèn)題，嚴(yán)重影響使用效果造成用戶投訴。本文主要針對(duì)俯仰定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸配合，從受力角度分析，提出合理設(shè)計(jì)方法。

1 俯仰定位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

通過(guò)對(duì)俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解分析，主要零部件包括彈簧、調(diào)節(jié)鋼球、限位套、蓋板。

1.1 彈簧

俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中使用的彈簧如圖1，決定彈簧彈力大小的參數(shù)為彈性系數(shù)：

圖1 彈簧示意圖

式中：

K—彈性系數(shù)，由彈簧本身結(jié)構(gòu)決定即彈簧材料；

G—切變模量；

D—彈簧絲直徑；

N—有效圈數(shù)；

K—彈性系數(shù)。

1.2 限位套

限位套結(jié)構(gòu)類似于套筒滾子鏈傳動(dòng)中的鏈輪[1]，為保持良好潤(rùn)滑效果各現(xiàn)有產(chǎn)品中均采用具有自潤(rùn)滑性能的POM材料[2]，利用圓形齒形與調(diào)節(jié)鋼球配合，用戶手推風(fēng)扇頭部帶動(dòng)限位套進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)鋼球在限位套的各凹槽間滑動(dòng)，達(dá)到周期性定位作用。

1.3 調(diào)節(jié)鋼球

已有我司產(chǎn)品中使用的調(diào)節(jié)鋼球[3,4]如圖3，材質(zhì)均為低碳鋼，碰珠頭部距根部長(zhǎng)度為h。調(diào)節(jié)鋼球下端（柱狀端）與彈簧相連，固定在蓋板的柱狀槽中，調(diào)節(jié)鋼球上端（球狀端）與限位套側(cè)邊凹槽配合，限位套嵌套在蓋板中，保證調(diào)節(jié)鋼球與限位套沿限位套凹槽內(nèi)方向滑動(dòng)（如圖3）。

圖2 限位套示意圖

圖3 調(diào)節(jié)鋼球示意圖

1.4 蓋板

蓋板主要在俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)起到固定調(diào)節(jié)鋼球的作用，一般直接固定在風(fēng)扇頭部支撐結(jié)構(gòu)上，不隨風(fēng)扇頭部俯仰運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。

2 限位套與調(diào)節(jié)鋼球配合力學(xué)分析

2.1 受力角度分析

在調(diào)節(jié)風(fēng)扇頭部定位角度過(guò)程中，限位套與調(diào)節(jié)鋼球間發(fā)生點(diǎn)接觸的相對(duì)滑動(dòng)，如圖4所示，假定限位套順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，限位套與調(diào)節(jié)鋼球間相對(duì)位置有四種情況，顯而易見(jiàn)在（c）、（d）兩處位置時(shí)，限位套收到的力均在一側(cè)，此時(shí)用戶需主動(dòng)給予的推力較小，因此不對(duì)該情況進(jìn)行分析。對(duì)于（a）、（b）兩處位置時(shí)均為右側(cè)點(diǎn)接觸受力，對(duì)該狀態(tài)下分別對(duì)調(diào)節(jié)鋼球以及限位套進(jìn)行分析受力如圖5。

圖4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)限位套下與調(diào)節(jié)鋼球配合位置示意圖

圖5 限位套與調(diào)節(jié)鋼球配合受力分析圖

1）已知μ（摩擦系數(shù)）、θ（接觸點(diǎn)夾角）、Δx（彈簧壓縮量）、k（彈簧彈性系數(shù)），對(duì)調(diào)節(jié)鋼球受力分析得：

式中：

FN1—限位套作用于調(diào)節(jié)鋼球的支持力；

FN2—調(diào)節(jié)鋼球固定位置右側(cè)支持力；

f—限位套與調(diào)節(jié)鋼球間摩擦力；

FT—彈簧彈力；

θ—接觸點(diǎn)夾角；

μ—摩擦系數(shù)；

Δx—彈簧壓縮量；

K—彈簧彈性系數(shù)。

2）設(shè)F為人為推動(dòng)時(shí)施加在限位套邊緣的最小的力，即為保持瞬時(shí)平衡狀態(tài)的最大的推力。已知限位套的弧形為24個(gè)均布在邊緣處，α角即為接觸點(diǎn)與限位套中心連線與豎直方向間夾角。對(duì)限位套受力分析得：

式中：

FN1—限位套作用于調(diào)節(jié)鋼球的支持力；

FN2—調(diào)節(jié)鋼球固定位置右側(cè)支持力；

f—限位套與調(diào)節(jié)鋼球間摩擦力；

FT—彈簧彈力；

θ—接觸點(diǎn)夾角；

μ—摩擦系數(shù)；

Δx—彈簧壓縮量；

K—彈簧彈性系數(shù)。

則：

由以上受力分析可發(fā)現(xiàn)F、k、θ、α 四個(gè)變量間成函數(shù)關(guān)系，當(dāng)彈簧一定，配合結(jié)構(gòu)一定時(shí)，隨θ、α逐漸減?。ㄗ畲笾挡怀^(guò)90 °），F(xiàn)也逐漸減小，說(shuō)明當(dāng)調(diào)節(jié)鋼球與限位套處于（a）位置時(shí)，所需人為推力最大，因此選擇在該位置對(duì)比不同俯仰調(diào)節(jié)定位結(jié)構(gòu)的用戶所需力的大小。

2.2 不同俯仰調(diào)節(jié)定位結(jié)構(gòu)對(duì)比

選取三款手動(dòng)俯仰調(diào)節(jié)風(fēng)扇[5]，分別稱為A風(fēng)扇、B風(fēng)扇、C風(fēng)扇，該三種風(fēng)扇俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)均采用同型號(hào)調(diào)節(jié)鋼球、同型號(hào)彈簧。

2.2.1 限位套孔洞與調(diào)節(jié)鋼球配合角度

三款風(fēng)扇配合狀態(tài)均為圖6所示，因α角為接觸點(diǎn)與限位套中心連線與豎直方向間夾角，該夾角較小忽略不計(jì)，三款風(fēng)扇配合角度相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如表1所示，XA、XB、XC依此減小，θA、θB、θC依此增大。

圖6 限位套孔洞與調(diào)節(jié)鋼球配合狀態(tài)

表1 A、B、C三款風(fēng)扇配合角度數(shù)據(jù)表

2.2.2 搖頭操作力臂長(zhǎng)度

用戶俯仰調(diào)節(jié)一般操作為手推風(fēng)扇邊緣，則用戶俯仰搖頭力臂長(zhǎng)度為手與風(fēng)扇頭部接觸點(diǎn)到限位套旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離。由于三款風(fēng)扇的機(jī)型不同，A風(fēng)扇整機(jī)重心與用戶俯仰搖頭時(shí)受力點(diǎn)不在同一直線上，如圖7，B風(fēng)扇、C風(fēng)扇整機(jī)重心與用戶俯仰搖頭受力點(diǎn)在同一直線上，如圖8，俯仰搖頭力臂即為風(fēng)扇頭部半徑。通過(guò)測(cè)量可得三款風(fēng)扇的力臂長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)A=308.64 mm、LB=134 mm、LC=123 mm。

圖7 A風(fēng)扇頭部俯仰搖頭力臂示意圖

圖8 B、C風(fēng)扇頭部俯仰搖頭力臂示意圖

限位套處接觸點(diǎn)為齒部外邊緣，因此限位套力臂長(zhǎng)度即為接觸點(diǎn)到限位套選旋轉(zhuǎn)中心，經(jīng)測(cè)量分別lA=24.05 mm、lB=15.70 mm、lC=36.96 mm。

因此頭部所受轉(zhuǎn)矩與限位套受力點(diǎn)所受轉(zhuǎn)矩相等，即得到以下等式：

式中：

F推—用戶手推風(fēng)扇的力；

L—手推風(fēng)扇的力臂；

F—限位套處受力；

l—限位套運(yùn)動(dòng)力臂。

2.2.3 三種風(fēng)扇用戶受力計(jì)算

核實(shí)該三款風(fēng)扇所使用彈簧相同且彈性系數(shù)為K=11.5 N/mm，限位套材料均為Pom，調(diào)節(jié)鋼球均為低碳鋼，取兩者間摩擦系數(shù)μ為0.2。

根據(jù)前述2.1理論分析得：

式中：

K—彈簧彈性系數(shù)；

F推—用戶手推風(fēng)扇的力；

L—手推風(fēng)扇的力臂；

F—限位套處受力；

l—限位套運(yùn)動(dòng)力臂；

—接觸點(diǎn)夾角；

μ—摩擦系數(shù)；

Δx—彈簧壓縮量。

計(jì)算可得A風(fēng)扇用戶俯仰調(diào)節(jié)力度為4.83 N，B風(fēng)扇用戶俯仰調(diào)節(jié)力度為4.21 N，C風(fēng)扇用戶俯仰調(diào)節(jié)力度為6.39 N。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

從理論分析可得出，三款風(fēng)扇設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的俯仰調(diào)節(jié)力度較為接近，為4.21～6.39 N，但實(shí)際進(jìn)行用戶體驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)三款風(fēng)扇手感差異較大，對(duì)樣機(jī)模擬用戶體驗(yàn)，并開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 測(cè)試俯仰力度數(shù)據(jù)驗(yàn)證

由于三款風(fēng)扇的俯仰角度不同，按不同調(diào)節(jié)檔位對(duì)三款產(chǎn)品的俯仰調(diào)節(jié)力度分別進(jìn)行測(cè)試摸底，得到三組俯仰調(diào)節(jié)力度測(cè)試數(shù)據(jù)表（如表2～4）。

表2 A風(fēng)扇俯仰調(diào)節(jié)力度測(cè)試數(shù)據(jù)表

表3 B風(fēng)扇俯仰調(diào)節(jié)力度測(cè)試數(shù)據(jù)表

表4 C風(fēng)扇俯仰調(diào)節(jié)力度測(cè)試數(shù)據(jù)表

從測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看到，由于零件制造公差及零件配合產(chǎn)生的摩擦影響，導(dǎo)致實(shí)際力度與機(jī)理分析計(jì)算的力度存在差異。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，B風(fēng)扇的樣機(jī)所需的力最小，約為3.2 N，A風(fēng)扇所需的力適中，約為4.7 N，C風(fēng)扇所需的力最大，約為30 N。

3.2 用戶體驗(yàn)結(jié)論

針對(duì)樣機(jī)俯仰調(diào)節(jié)進(jìn)行專項(xiàng)的用戶體驗(yàn)，組建用戶體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展專項(xiàng)用戶體驗(yàn)，收集體驗(yàn)信息如表5。

表5 用戶體驗(yàn)信息反饋表

綜合結(jié)論：體驗(yàn)員對(duì)于A風(fēng)扇接受度較佳，對(duì)于C風(fēng)扇的接受度較差；對(duì)于B風(fēng)扇的接受度有所差異，多數(shù)人員認(rèn)為樣機(jī)俯仰調(diào)節(jié)位置穩(wěn)定，不會(huì)滑檔，雖然檔位感不明顯，但可接受，部分人員認(rèn)為樣機(jī)俯仰調(diào)節(jié)力度較小，手感不佳，長(zhǎng)期使用后存在滑檔隱患，評(píng)估不可接受。綜合各體驗(yàn)員的意見(jiàn)，對(duì)分歧較大的B風(fēng)扇進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 俯仰壽命實(shí)驗(yàn)

風(fēng)扇整機(jī)使用壽命為6年，設(shè)定用戶使用250天/年，每天俯仰調(diào)節(jié)2次，統(tǒng)計(jì)整機(jī)使用壽命達(dá)到時(shí)，約需俯仰搖頭3 000次，模擬俯仰壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證俯仰結(jié)構(gòu)力度衰減情況。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

記錄樣機(jī)初始狀態(tài)，1 000次試驗(yàn)后，2 000次試驗(yàn)后，3 000次試驗(yàn)后共四組數(shù)據(jù)，每次測(cè)10組數(shù)據(jù)，根據(jù)10組數(shù)據(jù)的平均值分析衰減狀況（如表6～8）。

表6 俯仰1 000次后各檔位俯仰調(diào)節(jié)力度數(shù)據(jù)表

表7 俯仰2 000次后各檔位俯仰調(diào)節(jié)力度數(shù)據(jù)表

表8 俯仰3 000次后各檔位俯仰調(diào)節(jié)力度數(shù)據(jù)表

匯總分析均值數(shù)據(jù)，計(jì)算衰減比例如表9。

表9 俯仰壽命試驗(yàn)衰減比例表

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)力度衰減區(qū)間主要在前1 000次俯仰調(diào)節(jié)過(guò)程中，其中兩個(gè)檔位在1 000次俯仰調(diào)節(jié)后衰減比例達(dá)到最大，約為25%，其余兩個(gè)檔位在3 000次俯仰調(diào)節(jié)后衰減比例達(dá)到最大，約為40～50%。對(duì)試驗(yàn)后的樣機(jī)組織模擬用戶使用，樣機(jī)俯仰調(diào)節(jié)手感不佳，檔位感不明顯，運(yùn)行2 h未滑檔，評(píng)估試驗(yàn)后的狀態(tài)可接受。

3.4 高低溫加速實(shí)驗(yàn)

針對(duì)整機(jī)倉(cāng)儲(chǔ)及運(yùn)輸環(huán)境，模擬樣機(jī)在高低溫環(huán)境下加速老化試驗(yàn)（高溫4 h、低溫4 h循環(huán)），驗(yàn)證俯仰結(jié)構(gòu)力度衰減情況。

3.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

記錄樣機(jī)初始狀態(tài)，及冷熱沖擊后的共兩組數(shù)據(jù)，每次測(cè)10組數(shù)據(jù)，根據(jù)10組數(shù)據(jù)的平均值分析衰減狀況（如表10、11和圖10）。

圖9 俯仰壽命試驗(yàn)衰減比例圖

表10 高低溫循環(huán)8 h俯仰調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)表

表11 高低溫加速實(shí)驗(yàn)衰減比例表

圖10 高低溫加速實(shí)驗(yàn)衰減比例圖

3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，冷熱沖擊后的檔位衰減較俯仰壽命后的衰減更明顯，樣機(jī)冷熱沖擊后，力度衰減至初始力度的50%。對(duì)試驗(yàn)后的樣機(jī)組織模擬用戶使用，樣機(jī)俯仰調(diào)節(jié)手感不佳，檔位感不明顯，運(yùn)行2 h未滑檔，但用戶調(diào)節(jié)檔位時(shí)存在跳檔現(xiàn)象，評(píng)估試驗(yàn)后的狀態(tài)不可接受。

4 結(jié)論

俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括彈簧、調(diào)節(jié)鋼球、限位套、蓋板。用戶俯仰調(diào)節(jié)力度為，在彈簧及調(diào)節(jié)鋼球標(biāo)準(zhǔn)化使用的前提下，與F推相關(guān)的變量有彈簧最大壓縮量Δx、調(diào)節(jié)鋼球與限位套的孔洞接觸配合角度θ（通常情況下θ≤90 °）、限位套接觸點(diǎn)力臂l、風(fēng)扇頭部施力點(diǎn)到限位套旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離L，各變量關(guān)系如表12所示。

表12 俯仰調(diào)節(jié)力度變量關(guān)系表

通過(guò)以上用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)及可靠性試驗(yàn)俯仰，可總結(jié)俯仰結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)合格標(biāo)準(zhǔn):

1）調(diào)節(jié)機(jī)頭上下方向角度的過(guò)程中應(yīng)有明顯的調(diào)節(jié)鋼珠碰撞音響，聲音清脆且有較強(qiáng)的節(jié)奏感。

2）通過(guò)用戶體驗(yàn)確定俯仰調(diào)節(jié)力度應(yīng)在4～6N內(nèi)，在此范圍內(nèi)用戶使用手感較佳，且整機(jī)老化、壽命衰減后，依舊能保證手感較佳，不滑檔。