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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
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