風扇振動路徑分析及隔振研究

張國元

廣東美的環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，消費者對于風扇的需求已經從簡單的吹風向多維度、高標準的用戶體驗轉化[1]。除了吹風，用戶更要求風扇本身具有一定的品質可靠性。就市場最大的落地扇而言，整機抖動問題已經逐漸成為其被詬病的一大共性問題和產品自身品質優劣的重要指標。

目前，針對落地扇整機抖動的研究較少。設計開發工程師主要是通過調節各檔位轉速屏蔽整機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、變頻風扇的快速發展，在不影響風扇使用性能的前提下，單純依靠共振點屏蔽已經無法完全消除共振抖動現象。落地扇共振抖動問題愈發明顯、普遍。

本文通過振動路徑分析和振動隔離技術的研究應用，發現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 結構分析

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

風葉是落地扇的振動源，為系統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。風葉的振動激勵通過軸銷和索姆傳遞給電機軸，再通過電機軸傳遞到電機端蓋，最后通過端蓋與網罩的連接傳遞給網罩。落地扇的整體結構類似于懸臂梁結構，網罩在懸臂梁的自由端，實際上網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軸傳遞到電機端蓋的，但是兩種激勵的傳遞方向卻有一定差別[3]：

風葉的軸向激勵是通過電機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葉慣性振動是通過電機軸以杠桿力矩形式徑向直接傳遞到電機的前端蓋和后端蓋上的，電機端蓋受到的是徑向激勵。

2.2 振動頻譜分析

由結構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共振抖動，還需對落地扇進行振動測試，如圖2所示。

將PCB加速度傳感器貼于振動最明顯的網罩上部，并通過12通道數采前端采集數據，利用LMS Test.Lab對落地扇進行測試數據的處理分析。

圖1 落地扇振動結構

圖2 整機振動測試

圖3 落地扇共振頻譜

圖4 振動傳遞路徑

圖5 網罩模態分析

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，也就是風扇在4檔運行時風葉的基頻。這也說明風葉的慣性激勵是整機共振抖動的主要原因。

2.3 路徑分析

通過結構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：風葉由于動不平衡引起的慣性激勵經過風葉輪轂從徑向傳遞到電機軸，再通過電機軸由徑向傳遞到球軸承，最后經過電機端蓋傳遞到風扇網罩，具體路徑如圖4所示。

在已經明確振動傳遞路徑的前提下，若要確認是路徑上的哪一模塊對振動激勵進行了放大，進而引起整機的共振抖動，還需要進行相關零部件的模態分析。

圖6 徑向隔振模型

圖7 隔振套模態仿真

圖8 隔振振動頻譜

傳遞路徑上的零部件相對較少，其中電機模塊很難進行邊界條件設置，更難進行結構調整。所以對振動最明顯的網罩進行模態分析才更有意義。

由模態分析結果得知，網罩的一階固有頻率為41Hz，遠遠大于慣性激勵頻率。這說明，網罩的抖動并非其自身共振的表現，而是系統共振的結果[4]。當慣性激勵在落地扇的機械結構中傳遞，整機系統存在8Hz左右的固有頻率，進而在4檔運行時發生共振抖動。系統固頻是由電機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行相應的減振優化。

3 落地扇隔振技術研究

系統結構、風葉轉速都很難進行較大調整，所以只能考慮針對振動路徑進行隔振設計，以期減小落地扇的共振抖動。

在振動的傳遞路徑里，有幾處是較易進行隔振設計的，分別是：風葉與索姆之間、風葉與電機軸之間和網罩與電機端蓋之間。經過工藝、成本分析，確定在風葉與電機軸之間進行徑向隔振設計，可行性最理想，具體設計如圖6所示。

對所設計的隔振結構進行模態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，當激勵頻率大于隔振結構的低階固有頻率的 倍時，振動就會得到有效隔離。所以從隔振原理來說，此隔振結構可以對風葉的激勵進行有效隔離，進而大幅減小整機共振抖動幅值，消除明顯抖動現象。

將隔振手板裝配到整機上，進行振動測試，發現其已無明顯振動。同時對比批產機的振動測試結果，最大振動幅值更是從原來的300μm以上下降到了80μm以下。

4 結論

風葉動不平衡引起的慣性激勵頻率與系統固有頻率重合，引起落地扇明顯抖動。通過設計合理可行的隔振結構可以有效控制落地扇共振抖動，大幅減小振動幅值，消除明顯抖動現象。隔振結構的材料屬性是影響隔振效果的重要參數之一，期待后續相關研究可以開發出新的隔振材料，以提高隔振效果。