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研究生: 何豐家
Feng-Chia Ho
論文名稱: 伺服器風扇之隔振分析與改良
The Vibration Isolation Analysis and Improvement of Rubber Mounts for Server Fans
指導教授: 徐茂濱
Mau-Pin Hsu
口試委員: 楊條和
Tyau-Her Young
曾敏烈
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 硬碟墊圈共振振動隔絕頻率比
外文關鍵詞: hard disk drives, resonance rubber mounts, vibration transmissibility
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  • 本文主要是研究伺服器之振動,由已知之振動來源(風扇),發展一個以降低風扇傳遞之激振力、提高其硬碟讀取值為目標的分析準則。
    本研究中之風扇的激振頻率會引發硬碟以及機殼之共振,進而導致伺服器中之某個位置之硬碟發生讀取性能低落之情形。因此本研究利用降低振動傳遞率法,以有限元素法建立風扇與墊圈之數值模型,藉由變更墊圈之幾何形狀(粗細)與其他參數(墊圈材質軟硬),使懸吊系統之自然頻率下降、頻率比上升,來達到抑制振動傳遞之目的。如此便可使風扇傳遞至硬碟之振動量減小,進而提升硬碟之讀取值。本研究最後根據模擬之結果實際做出墊圈之雛形,為使用材質較軟之墊圈以及墊圈與風扇之間留有一間隙(0.5 mm),此方式最終可使硬碟讀取值上升至目標值(最佳讀取值之80%),證實此方法確實有效。


    This thesis investigated the anti-vibration system of the cooling fans inside of a server. Design principles were developed to enhance the performance of the hard disk drives (HDD) which means how do reduce the excitation force transmitted to the HDD.
    Experimental results from reference showed that the excitation frequency will induce the resonance of the HDD as well as the server chassis and caused the performance degradation, especially for one HDD on a certain position that can’t read any data. As a result, by the method of reducing the vibration transmissibility, the finite element analysis was carried out to establish the numerical model. To achieve the target of reducing the vibration transmissibility, by modifying the geometry and the parameter of the rubber mounts to let the system natural frequency lower and then the frequency ratio will be higher. Therefore the excitation force transmitted to the HDD will become smaller and then enhance the performance as well. The modified rubber mounts use softer material and leave a gap (0.5 mm) between the fan and the mounts. This method worked properly since it can increase the performance of the HDD to an acceptable value.

    摘 要 ABSTRACT 誌 謝 目 錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒論 1.1 研究動機與目的 1.2 文獻回顧 1.3 本文架構 第二章 硬碟之振動探討 2.1 I/O meter軟體、硬碟介紹與實況量測 2.1.1 I/O meter軟體介紹 2.1.2 硬碟機結構介紹 2.1.3 目前現況之量測 2.2 振動之方向、頻率及大小對硬碟之影響 2.3 小結 第三章 伺服器之振動改良方案 3.1 導致1號硬碟位置讀取不良之因素 3.2 解決方案 3.2.1 阻絕、降低激振傳遞法 3.3 評估解決方案 第四章 風扇墊圈之設計 4.1 有限元素法之簡介與理論 4.2 實驗法量測系統之各參數與讀取值之關係 4.2.1 儀器設備 4.2.2 k值對讀取值之影響 4.2.3頻率比與振動傳遞率對讀取值之影響 4.3 FEA與實驗法兩者之結果比較 4.4 墊圈之有限元素分析 4.4.1 墊圈之設計參數對變形量及剪應變之影響 4.4.2 墊圈之不同設計參數對懸吊頻率之影響 4.4.3墊圈材質軟硬對懸吊頻率之影響 4.4.4墊圈形狀對懸吊頻率之影響 4.4.5 墊圈之所有設計參數對懸吊頻率之影響 4.5墊圈之材質及間隙對讀取值之影響(實測) 4.6 避開共振與降低傳遞率法對讀取值之影響(實測) 4.7 小結 第五章 結論與未來建 5.1結論 5.2對未來研究方向之建議 參考文獻

    1.勢流科技股份有限公司黃資宏針對大型伺服器做振動測試分析,得到硬碟在各頻率下之頻率響應函數。文中指出加速度之峰值應為自然頻率,而振動就是由此自然頻率下之模態所引起的。文中提及,振動過大的主因是產生共振,此共振頻率與結構的剛性、重量等有關。建議加強振動較大處的剛性,即可解決振動過大的問題。
    2.Heylen指出不同的實驗目的會影響試體的邊界條件設定,以及做模態測試之不同方法和應注意的細節。分別介紹數值模態分析與實驗模態分析等基本理論。當測試的目的是要與有限元素法相比較時,那麼邊界條件應與有限元素之邊界條件相一致,通常這些邊界條件是自由-自由邊界,可使用很軟的繩子懸掛來模擬自由邊界。而當測試的目的是在工作條件下之動態特性時,邊界條件應儘可能與工作條件相匹配。
    3.施勇志針對伺服器振動所引起硬碟讀取性能不良之情形,指出風扇之激振頻率恰巧會引發硬碟以及機殼共振,導致機殼及硬碟整體振動量過大而使得讀取性能不良。針對共振問題,文中使用避開共振法,利用模態測試分別找出硬碟以及機殼之自然頻率,在機殼適當位置進行結構強化,使得結構之自然頻率提升而避開激振頻率,成功使得讀取性能提升。
    4.陳文華和張振閱指出伺服器經由風扇運轉將熱能排出。然而,風扇鎖附於機殼上,當散熱風扇於運轉時所造成之振動,便會傳遞至機殼,致使機殼亦會隨著產生振動,進而影響其他電子組件運轉的效能。因此,爲了減緩散熱風扇在運作時對機殼所造成的振動,以緩衝墊圈覆蓋於散熱風扇,再一併接合固定在機殼中,由隔絕套夾置於風扇的四角,並且以螺絲組件固定散熱風扇與隔絕套於機殼上使得散熱風扇運轉而產生振動時,振動量經由隔絕套所吸收,不會傳遞至機殼,以達到減振之效。此外,散熱風扇由螺絲釘鎖附於機殼,風扇之振動會透過螺絲釘傳遞至機殼,因此針對此點,可改變散熱風扇固定孔或螺絲釘的接觸面性質,以干擾散熱風扇的振動傳遞過程,使其隔絕。
    5.呂東珂指出傳統的抽取匣大多是在其左右側邊上設置金屬彈片,以作為避振功能,但效果十分有限。因此提到使用一種用於承載硬碟等電子裝置的防振抽取匣,包括一托匣、兩支架、及多個結合裝置。其中,該托匣上每一側板與其相鄰的每一支架之間置入墊圈並保持一間隙(0.5mm~1mm)。此方式為透過彈性墊圈的結合裝置、以及保留托匣與支架之間的間隙,有效阻隔源自機殼振動,確定電子裝置不會受到該振動之影響。
    6.諶貴花以及湯銘新和江文兵指出風扇所產生的振動往往是造成硬碟數據讀寫異常的原因之一。使用緩衝件使得各裝置相對於殼體形成一浮動結構,可使電子裝置相對於機殼為浮動的,以減少振動源由機殼傳遞至電子裝置,其中緩衝件的材質為橡膠。文中亦提及在機殼與電子裝置如需使用螺絲鎖附之處,可套有阻尼環,可削弱振動的強度,而這阻尼環之材質一樣為橡膠材料。利用橡膠材料作為緩衝部件,能有效的消除振動對連接部件之影響,有效解決因空間不足難以採用減振措施的問題。
    7.王新等人中提及針對大型泵房的振動問題,採用橡膠墊減振的振動控制措施。橡膠墊之減振原理,為通過隔絕傳遞和消耗振動能量來達到減振目的。此文中使用有限元素法模擬,機組的外殼鋼管及內部結構使用板殼單元模擬,橡膠墊用非線性彈簧單元模擬,阻尼比為0.1,結果為不同橡膠墊層數所對應的隔振係數也會不同,在此案例中,設置1~3層橡膠墊傳遞力不僅沒減小反而被放大;採用4層橡膠墊則可避開共振區;隨著橡膠墊層數的增加,傳遞力逐漸減小,減振效果非常明顯,但隨著層數繼續增加,隔振係數變化已經不是很明顯,逐漸趨於平緩。由模擬結果可知,採用橡膠墊減振效果非常明顯,動態響應降幅在50%以上,說明該方式是可行的,但仍需得到工程上的實地檢驗。
    8.Harmoko et al.一文中針對硬碟之防振提出了一種懸吊系統,一個好的懸吊系統可有效的隔離由外在傳遞至硬碟的振動。文中也指出此隔離系統之自然頻率必須介於10~20 Hz間且阻尼比必須要高(>10%)。然而系統之自然頻率愈低,若受到衝擊力時所產生的位移就會愈大,爲了防止此現象發生,故會使用剛性較高之隔振器,如此硬碟在受到突然之衝擊力時仍可正常運作。
    9.Yan et al.針對汽車引擎之振動問題提出兩種隔振器,一為使用橡膠,另一為使用金屬網。文中指出使用金屬網之避振器可有效抑制共振以及外來之衝力,且若引擎振動相對為高頻率範圍者,避振器就需使用軟且低剛性低阻尼比;為防止引擎在低頻範圍時之振動,則需使用硬且高剛性高阻尼比之避振器。此文亦提出使用橡膠,容易受限於工作環境之限制(高低溫、腐蝕性環境),若是金屬網則不會有以上之疑慮。
    10.Park et al.針對電腦主機之散熱風扇之振動問題,使用RAI (Resonance Avoidance Index)來評估避振系統之好壞,RAI定義為風扇模組之運轉頻率減去風扇模組之自然頻率,並使用最佳化軟體,在RAI值最大、墊圈變形量不超過2mm下所模擬出最佳避振墊圈之外形。
    11.Hao et al.針對汽油引擎驅動之割草機振動問題,設計一種使用橡膠墊圈為隔振之懸掛式手柄,其中比較不同材料之手柄以及不同尺寸大小之橡膠墊圈等參數,結果顯示並非每種組合都能有效降低振動之傳遞。振動傳遞率主要與手柄之材質以及橡膠墊圈之間的間距有關,文中以 Borg’s scale來評估振動對人體感受之影響,橡膠墊圈之間距大者其Borg’s scale值為3.73(感受溫和),橡膠墊圈之間距小者其Borg’s scale值為4.13(感覺稍強),故墊圈與墊圈之間距大者對振動隔離的效果較好。

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