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1、引言

滾筒洗衣機具有外形美觀，洗滌容量大，結構緊湊，占用空間小的優(yōu)點，加之售價下探，使其在洗衣機市場上的占有份額逐年上升。滾筒洗衣機經(jīng)過幾十年的發(fā)展歷程，洗滌容量從6kg發(fā)展到目前的12kg，甚至更大容量，然而其高度和寬度尺寸基本沒有變化，其高度尺寸一般基本是850mm左右，寬度尺寸基本是596mm左右，主要變化的是深度尺寸。若深度尺寸大到一定程度，寬深比失調(diào)，會嚴重影響整機的外形，目前各品牌廠商都在壓縮洗衣機內(nèi)部各部件的間隙，主推超薄大容量的機型，尤其是大直徑內(nèi)桶的機型，所以需要對大直徑內(nèi)桶機型的間隙設計進行分析和研究。

2、滾筒洗衣機各方向尺寸

隨著對滾筒洗衣機振動性能的掌握，其內(nèi)部各部件的間隙逐步被挖掘，從而在原有的整機外形尺寸下，洗滌容量更大。滾筒洗衣機的間隙分為三個方向，分別是寬度X方向、高度Y方向、和深度Z方向，如圖1所示。因為整機的高度尺寸大于其深度和寬度尺寸，所以高度方向的尺寸對整機的結構設計影響不大，本文不作討論。深度方向的尺寸可優(yōu)化的部件很多，主要牽扯到電機、外桶后、內(nèi)桶完成、外桶前、門蓋密封圈等主要部件的軸向尺寸鏈，所以本文也不作討論。本文主要論述沿寬度方向的間隙和振動。寬度方向的間隙主要有內(nèi)桶到外桶的間隙A，外桶到箱體的間隙B，從滾筒洗衣機振動的情況來看，外桶的左右晃動比較大，低速脫水情況下還會出現(xiàn)沿箱體豎直方向中心線旋轉擺動。所以當間隙B小于外桶共振的振幅時，將會發(fā)生撞桶現(xiàn)象[1]；而當間隙A小于在極限偏心條件下內(nèi)桶的變形幅度時，內(nèi)桶轉動將會摩擦外桶。受整機寬度方向的尺寸影響，間隙A和間隙B在寬度方向的數(shù)值小于其余方向的數(shù)值，所以有必要在寬度方向確定間隙A和間隙B的合理安全范圍。

圖1 整機示意圖

內(nèi)桶直徑的增大，可提高整機的容量，對寬度方向間隙的影響也最為直接，其對整機容量的貢獻可由公式（1）簡單計算，也可根據(jù)3維圖紙進行實際分析計算。內(nèi)桶直徑的發(fā)展大概有3個過程，從480～490mm發(fā)展到500～510mm，再到520～530mm，甚至更大，假設內(nèi)桶的有效深度h為320mm，根據(jù)公式（1），可以得出內(nèi)桶的容積，如表1所示，隨著直徑的增大，寬度方向單邊總的間隙減少了23mm。所以在保證整機帶載能力不變的情況下，如何分配間隙A，間隙B是十分關鍵的。

式中：V——體積；r——內(nèi)桶半徑；h——內(nèi)桶深度。

3、內(nèi)桶振幅的測量

對于滾筒洗衣機而言，內(nèi)桶在旋轉過程中偏心衣物產(chǎn)生的離心力會引起內(nèi)桶變形。運用有限元分析可以模擬出內(nèi)桶的變形情況，如圖2所示。另外用測試的方法可以實際測出內(nèi)桶在極限偏心負載下變形的情況。根據(jù)內(nèi)桶的受力分析[2]，內(nèi)桶的安裝可以簡化為懸臂梁，其靠近軸承的部分振幅較小，遠離軸承的部分振幅較大，故測試點設置在內(nèi)桶的前端。通過激光測試裝置，測繪出不同偏心在不同轉速下內(nèi)桶的振幅情況。從圖2中可以看出在前置極限偏心條件下，內(nèi)桶轉速達到1400rpm，內(nèi)桶的振幅在5.5mm左右，此處結論與戴相花等關于洗衣機內(nèi)部系統(tǒng)輕量化設計中內(nèi)桶的徑向變形基本吻合[3]。而在用戶程序控制中，此種現(xiàn)象是不會發(fā)生的，可以認為，內(nèi)桶到外桶的間隙A的安全尺寸只要大于5.5mm即可，但考慮到內(nèi)桶的徑向存在跳動，以及外桶注塑工藝的影響，A的最小取值應在8.5mm比較理想。

圖2 內(nèi)桶變形示意圖

4、外桶振幅的測量

脫水階段，隨著內(nèi)桶轉速提高，離心力加大，導致桶系統(tǒng)的振動加大。在整個脫水過程中基本會出現(xiàn)兩次共振，一次是低速共振，一次是高速共振。當內(nèi)桶轉速在150～300rpm范圍階段即預脫水階段，出現(xiàn)第一次共振。此種工況下，共振的表象是桶系統(tǒng)的振幅突然增大，同時桶系統(tǒng)的扭動也會增大。當振幅大于外桶到箱體的間隙時，就會出現(xiàn)桶撞擊箱體。內(nèi)桶轉速在1000rpm左右時，會出現(xiàn)第二次共振，其表象是箱體產(chǎn)生共振，箱體的振幅增大甚至出現(xiàn)整機位移[4]。

由上所述，為監(jiān)測桶系統(tǒng)的最大振幅，選擇測試工況條件為低速共振階段。如圖1所示，在物理樣機模型上設置兩個傳感器（S1、S2）監(jiān)測桶系統(tǒng)前部和后部在X方向上的振幅，具體位置設在穿過桶系統(tǒng)軸線的水平面上，S1位于桶的前部，S2位于桶的后部。測試試驗考察兩個問題，一是偏心負載的位置對桶系統(tǒng)前部和后部振幅的影響；二是不同偏心質(zhì)量的負載對桶系統(tǒng)前部和后部振幅的影響。針對問題一，使用模擬偏心1500g負載分別位于內(nèi)桶的前部和后部進行測試，具體測試結果如圖3，其結論是前置偏心對桶前部振幅的影響＞后置偏心對桶后部振幅的影響。針對問題二，在內(nèi)桶前部分別放置模擬偏心500g、1000g、1500g負載進行測試，具體測試結果如圖4，結論是偏心質(zhì)量與對桶系統(tǒng)各部位的振幅成正比關系。綜合考慮桶系統(tǒng)振幅、整機噪音等因素，在預脫水階段的偏心負載質(zhì)量應控制在1000g以內(nèi)，超過1000g整機將會進行糾偏處理。從圖4中可知，當偏心負載質(zhì)量控制在1000g以內(nèi)，B的取值應大于15mm，這里B的取值在滿足振動條件的基礎上取較小值。

圖3 偏心位置與外桶振幅關系圖

圖4 偏心重量與外桶振幅關系圖

5、大直徑內(nèi)桶相關部件的結構設計

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圖1已經(jīng)說明寬度方向的間隙主要是內(nèi)桶到外桶的間隙A、外桶到箱體的間隙B，因此在箱體寬度W不變的情況下增加內(nèi)桶內(nèi)徑D，必然會減少間隙A和B。W與A、B等參數(shù)的關系如公式（2）所示：

式中：W—箱體寬度；D—內(nèi)桶內(nèi)徑；T1—內(nèi)桶厚度；A—內(nèi)桶到外桶的間隙；C—安裝密封條結構寬度；B—外桶到箱體的間隙；T2—箱體厚度。

如果D已經(jīng)確定，需要平衡優(yōu)化的變量即A、B、C；其中A和B的最小值由上述試驗已經(jīng)確定。C的取值是外桶在K處的結構寬度，B的取值可以通過優(yōu)化箱體側面成形的結構適當增加。

5.1 外桶的設計

塑料產(chǎn)品為方便出模，在產(chǎn)品結構設計上需進行拔模處理，外桶也是如此，外桶周壁上存在1°的拔模結構。圖1是外桶正視圖，從圖中可看到外桶并不是正圓，在寬度方向上需要局部切除。切除的周壁其局部拔模角度可以做到0.5°，使外桶在寬度方向上的尺寸單側可以節(jié)約1.4mm。其次優(yōu)化K處（如圖1所示）的結構，因為K處的長度較短，可局部減薄L1、L2的厚度做到2mm以內(nèi)；同時可優(yōu)化密封條結構和材料，進而縮減L3寬度，以上兩點如圖5所示。另外，如果外桶前后的連接方式由螺釘固定改為焊接固定，C值亦會減少。

圖5 外桶后K處局部剖視圖

5.2 箱體的設計

滾筒洗衣機的箱體側面都有一些凸凹成形結構，這些成形結構一方面使整機外在形象更加美觀，另一方面可以提高箱體的強度與剛度，降低箱體產(chǎn)生共振的振幅[5]。在一定偏心負載的工況下，以外桶側壁上最有可能撞擊箱體的點Q作為測量對象，在X和Y方向布置位移傳感器，根據(jù)傳感器測得的結果擬合該點的運動軌跡，即可在X0Y平面內(nèi)得到該點的運動軌跡范圍，如圖6所示；同理也可以測得該點在Z方向上的運動軌跡范圍。在箱體設計時，箱體成形內(nèi)凹的結構應在Q運動軌跡范圍之外,也可以在包絡Q運動軌跡范圍的位置適當壓出外凸的結構，如圖7所示，進而增加外桶到箱體的間隙，避免外桶在整機運行期間撞擊箱體。

圖6 箱體側面成型與外桶位置剖視圖

圖7 箱體外凸結構局部剖視圖

6、結論

文章介紹了滾筒洗衣機各方向的尺寸，指出寬度方向的尺寸制約著外桶的寬度與內(nèi)桶直徑的大小，進而限制了內(nèi)桶到外桶的間隙A、外桶到箱體的間隙B。通過仿真與試驗測試，詳細說明了間隙A、間隙B，探討了各間隙的合理范圍；并對外桶局部結構的設計、拔模角度、結構厚度作出闡述；對箱體的局部結構給出優(yōu)化建議，最大程度地挖掘各部件之間在寬度方向的間隙范圍，為大直徑內(nèi)桶的整機設計提供思路。

本文作者

惠而浦(中國)股份有限公司 化范猛 吳增元

參考文獻

[1] 顧超林, 周福昌, 項紅熒. 滾筒洗衣機振動噪聲問題解析[C].2014年中國家用電器技術大會論文集. 中國輕工業(yè)出版社, 2014:386-387.

[2] 化范猛. 滾筒洗衣機軸承壽命計算與選型校核[J]. 家電科技,2019: 46-47.

[3] 戴相花, 楊凱, 黃圣祥. 基于Hyper Works的洗衣機內(nèi)部系統(tǒng)輕量化設計[C]. 2018年中國家用電器技術大會論文集. 中國輕工業(yè)出版社, 2018: 683-685.

[4] 劉學亮. 滾筒洗衣機減振技術研究[C]. 2013年中國家用電器技術大會論文集. 中國輕工業(yè)出版社, 2013: 331.

[5] 顧明亮, 韓麗麗. 洗衣機減振降噪技術研究[J]. 家電科技, 2009:37-39.

來源：《家電科技》2020年第六期