電動風扇手動俯仰結構可靠性分析

葉務占 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，用戶更注重產品體驗的舒適程度。風扇的俯仰定位結構的調節力度對于用戶體驗影響較大，對各種手感進行分析歸類如下：

①手感松緊度較佳，能夠準確定檔，檔位切換聲音清脆；

②手感較松，無法準確定檔位，檔位切換聲音不明顯；

③手感較緊，無法準確定檔位，檔位切換聲音低沉。

用戶調節手感問題嚴重則導致檔位定位不準確，甚至在使用磨損后發生無法定位的問題，嚴重影響使用效果造成用戶投訴。本文主要針對俯仰定位結構設計、尺寸配合，從受力角度分析，提出合理設計方法。

1 俯仰定位結構簡介

通過對俯仰調節結構進行拆解分析，主要零部件包括彈簧、調節鋼球、限位套、蓋板。

1.1 彈簧

俯仰調節結構中使用的彈簧如圖1，決定彈簧彈力大小的參數為彈性系數：

圖1 彈簧示意圖

式中：

K—彈性系數，由彈簧本身結構決定即彈簧材料；

G—切變模量；

D—彈簧絲直徑；

N—有效圈數；

K—彈性系數。

1.2 限位套

限位套結構類似于套筒滾子鏈傳動中的鏈輪[1]，為保持良好潤滑效果各現有產品中均采用具有自潤滑性能的POM材料[2]，利用圓形齒形與調節鋼球配合，用戶手推風扇頭部帶動限位套進行轉動，調節鋼球在限位套的各凹槽間滑動，達到周期性定位作用。

1.3 調節鋼球

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

圖2 限位套示意圖

圖3 調節鋼球示意圖

1.4 蓋板

蓋板主要在俯仰調節結構起到固定調節鋼球的作用，一般直接固定在風扇頭部支撐結構上，不隨風扇頭部俯仰運動而發生變化。

2 限位套與調節鋼球配合力學分析

2.1 受力角度分析

在調節風扇頭部定位角度過程中，限位套與調節鋼球間發生點接觸的相對滑動，如圖4所示，假定限位套順時針旋轉時，限位套與調節鋼球間相對位置有四種情況，顯而易見在（c）、（d）兩處位置時，限位套收到的力均在一側，此時用戶需主動給予的推力較小，因此不對該情況進行分析。對于（a）、（b）兩處位置時均為右側點接觸受力，對該狀態下分別對調節鋼球以及限位套進行分析受力如圖5。

圖4 順時針旋轉限位套下與調節鋼球配合位置示意圖

圖5 限位套與調節鋼球配合受力分析圖

1）已知μ（摩擦系數）、θ（接觸點夾角）、Δx（彈簧壓縮量）、k（彈簧彈性系數），對調節鋼球受力分析得：

式中：

FN1—限位套作用于調節鋼球的支持力；

FN2—調節鋼球固定位置右側支持力；

f—限位套與調節鋼球間摩擦力；

FT—彈簧彈力；

θ—接觸點夾角；

μ—摩擦系數；

Δx—彈簧壓縮量；

K—彈簧彈性系數。

2）設F為人為推動時施加在限位套邊緣的最小的力，即為保持瞬時平衡狀態的最大的推力。已知限位套的弧形為24個均布在邊緣處，α角即為接觸點與限位套中心連線與豎直方向間夾角。對限位套受力分析得：

式中：

FN1—限位套作用于調節鋼球的支持力；

FN2—調節鋼球固定位置右側支持力；

f—限位套與調節鋼球間摩擦力；

FT—彈簧彈力；

θ—接觸點夾角；

μ—摩擦系數；

Δx—彈簧壓縮量；

K—彈簧彈性系數。

則：

由以上受力分析可發現F、k、θ、α 四個變量間成函數關系，當彈簧一定，配合結構一定時，隨θ、α逐漸減?。ㄗ畲笾挡怀^90 °），F也逐漸減小，說明當調節鋼球與限位套處于（a）位置時，所需人為推力最大，因此選擇在該位置對比不同俯仰調節定位結構的用戶所需力的大小。

2.2 不同俯仰調節定位結構對比

選取三款手動俯仰調節風扇[5]，分別稱為A風扇、B風扇、C風扇，該三種風扇俯仰調節結構均采用同型號調節鋼球、同型號彈簧。

2.2.1 限位套孔洞與調節鋼球配合角度

三款風扇配合狀態均為圖6所示，因α角為接觸點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，三款風扇配合角度相關數據記錄如表1所示，XA、XB、XC依此減小，θA、θB、θC依此增大。

圖6 限位套孔洞與調節鋼球配合狀態

表1 A、B、C三款風扇配合角度數據表

2.2.2 搖頭操作力臂長度

用戶俯仰調節一般操作為手推風扇邊緣，則用戶俯仰搖頭力臂長度為手與風扇頭部接觸點到限位套旋轉中心點的距離。由于三款風扇的機型不同，A風扇整機重心與用戶俯仰搖頭時受力點不在同一直線上，如圖7，B風扇、C風扇整機重心與用戶俯仰搖頭受力點在同一直線上，如圖8，俯仰搖頭力臂即為風扇頭部半徑。通過測量可得三款風扇的力臂長度分別為LA=308.64 mm、LB=134 mm、LC=123 mm。

圖7 A風扇頭部俯仰搖頭力臂示意圖

圖8 B、C風扇頭部俯仰搖頭力臂示意圖

限位套處接觸點為齒部外邊緣，因此限位套力臂長度即為接觸點到限位套選旋轉中心，經測量分別lA=24.05 mm、lB=15.70 mm、lC=36.96 mm。

因此頭部所受轉矩與限位套受力點所受轉矩相等，即得到以下等式：

式中：

F推—用戶手推風扇的力；

L—手推風扇的力臂；

F—限位套處受力；

l—限位套運動力臂。

2.2.3 三種風扇用戶受力計算

核實該三款風扇所使用彈簧相同且彈性系數為K=11.5 N/mm，限位套材料均為Pom，調節鋼球均為低碳鋼，取兩者間摩擦系數μ為0.2。

根據前述2.1理論分析得：

式中：

K—彈簧彈性系數；

F推—用戶手推風扇的力；

L—手推風扇的力臂；

F—限位套處受力；

l—限位套運動力臂；

—接觸點夾角；

μ—摩擦系數；

Δx—彈簧壓縮量。

計算可得A風扇用戶俯仰調節力度為4.83 N，B風扇用戶俯仰調節力度為4.21 N，C風扇用戶俯仰調節力度為6.39 N。

3 試驗驗證

從理論分析可得出，三款風扇設計結構導致的俯仰調節力度較為接近，為4.21～6.39 N，但實際進行用戶體驗后，發現三款風扇手感差異較大，對樣機模擬用戶體驗，并開展試驗驗證。

3.1 測試俯仰力度數據驗證

由于三款風扇的俯仰角度不同，按不同調節檔位對三款產品的俯仰調節力度分別進行測試摸底，得到三組俯仰調節力度測試數據表（如表2～4）。

表2 A風扇俯仰調節力度測試數據表

表3 B風扇俯仰調節力度測試數據表

表4 C風扇俯仰調節力度測試數據表

從測得的數據可以看到，由于零件制造公差及零件配合產生的摩擦影響，導致實際力度與機理分析計算的力度存在差異。根據實際測量，B風扇的樣機所需的力最小，約為3.2 N，A風扇所需的力適中，約為4.7 N，C風扇所需的力最大，約為30 N。

3.2 用戶體驗結論

針對樣機俯仰調節進行專項的用戶體驗，組建用戶體驗團隊，開展專項用戶體驗，收集體驗信息如表5。

表5 用戶體驗信息反饋表

綜合結論：體驗員對于A風扇接受度較佳，對于C風扇的接受度較差；對于B風扇的接受度有所差異，多數人員認為樣機俯仰調節位置穩定，不會滑檔，雖然檔位感不明顯，但可接受，部分人員認為樣機俯仰調節力度較小，手感不佳，長期使用后存在滑檔隱患，評估不可接受。綜合各體驗員的意見，對分歧較大的B風扇進行專項試驗驗證。

3.3 俯仰壽命實驗

風扇整機使用壽命為6年，設定用戶使用250天/年，每天俯仰調節2次，統計整機使用壽命達到時，約需俯仰搖頭3 000次，模擬俯仰壽命試驗，驗證俯仰結構力度衰減情況。

3.3.1 實驗數據

記錄樣機初始狀態，1 000次試驗后，2 000次試驗后，3 000次試驗后共四組數據，每次測10組數據，根據10組數據的平均值分析衰減狀況（如表6～8）。

表6 俯仰1 000次后各檔位俯仰調節力度數據表

表7 俯仰2 000次后各檔位俯仰調節力度數據表

表8 俯仰3 000次后各檔位俯仰調節力度數據表

匯總分析均值數據，計算衰減比例如表9。

表9 俯仰壽命試驗衰減比例表

3.3.2 實驗結論

根據實驗數據得出，俯仰調節結構力度衰減區間主要在前1 000次俯仰調節過程中，其中兩個檔位在1 000次俯仰調節后衰減比例達到最大，約為25%，其余兩個檔位在3 000次俯仰調節后衰減比例達到最大，約為40～50%。對試驗后的樣機組織模擬用戶使用，樣機俯仰調節手感不佳，檔位感不明顯，運行2 h未滑檔，評估試驗后的狀態可接受。

3.4 高低溫加速實驗

針對整機倉儲及運輸環境，模擬樣機在高低溫環境下加速老化試驗（高溫4 h、低溫4 h循環），驗證俯仰結構力度衰減情況。

3.4.1 實驗數據

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

圖9 俯仰壽命試驗衰減比例圖

表10 高低溫循環8 h俯仰調節數據表

表11 高低溫加速實驗衰減比例表

圖10 高低溫加速實驗衰減比例圖

3.4.2 實驗結論

根據實驗數據得出，冷熱沖擊后的檔位衰減較俯仰壽命后的衰減更明顯，樣機冷熱沖擊后，力度衰減至初始力度的50%。對試驗后的樣機組織模擬用戶使用，樣機俯仰調節手感不佳，檔位感不明顯，運行2 h未滑檔，但用戶調節檔位時存在跳檔現象，評估試驗后的狀態不可接受。

4 結論

俯仰調節結構主要包括彈簧、調節鋼球、限位套、蓋板。用戶俯仰調節力度為，在彈簧及調節鋼球標準化使用的前提下，與F推相關的變量有彈簧最大壓縮量Δx、調節鋼球與限位套的孔洞接觸配合角度θ（通常情況下θ≤90 °）、限位套接觸點力臂l、風扇頭部施力點到限位套旋轉中心點的距離L，各變量關系如表12所示。

表12 俯仰調節力度變量關系表

通過以上用戶體驗評價及可靠性試驗俯仰，可總結俯仰結構調節合格標準:

1）調節機頭上下方向角度的過程中應有明顯的調節鋼珠碰撞音響，聲音清脆且有較強的節奏感。

2）通過用戶體驗確定俯仰調節力度應在4～6N內，在此范圍內用戶使用手感較佳，且整機老化、壽命衰減后，依舊能保證手感較佳，不滑檔。