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必不可少的電子設(shè)備，已經(jīng)越來越被人所依賴。振動(dòng)馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)手機(jī)振動(dòng)功能的模塊，在日常使用過程中，被摔后很容易出現(xiàn)振感不足、振動(dòng)噪音過大等的現(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)過程，通過對(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。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)榇怪钡孛嫦蛳隆Ｗ詈?，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?？梢钥闯鲈谄霓D(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)跌落過程中該點(diǎn)應(yīng)力變化，如圖6所示。在向下跌落的過程中應(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。通過分析，最終采用增加軸承受力面的方法來改善變形情況。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)軸承變形過大的問題，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程中的應(yīng)力變化過程。（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)過程更加具有參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。