滾筒洗衣機(jī)寬度方向間隙的研究與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

化范猛 吳增元

惠而浦(中國(guó))股份有限公司 安徽合肥 230088

1 引言

滾筒洗衣機(jī)具有外形美觀，洗滌容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，加之售價(jià)下探，使其在洗衣機(jī)市場(chǎng)上的占有份額逐年上升。滾筒洗衣機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展歷程，洗滌容量從6 kg發(fā)展到目前的12 kg，甚至更大容量，然而其高度和寬度尺寸基本沒(méi)有變化，其高度尺寸一般基本是850 mm左右，寬度尺寸基本是596 mm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(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)的外形，目前各品牌廠商都在壓縮洗衣機(jī)內(nèi)部各部件的間隙，主推超薄大容量的機(jī)型，尤其是大直徑內(nèi)桶的機(jī)型，所以需要對(duì)大直徑內(nèi)桶機(jī)型的間隙設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究。

2 滾筒洗衣機(jī)各方向尺寸

隨著對(duì)滾筒洗衣機(jī)振動(dòng)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(jī)外形尺寸下，洗滌容量更大。滾筒洗衣機(jī)的間隙分為三個(gè)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?yàn)檎麢C(jī)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(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)、外桶后、內(nèi)桶完成、外桶前、門(mén)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(dòng)。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(jī)振動(dòng)的情況來(lái)看，外桶的左右晃動(dòng)比較大，低速脫水情況下還會(huì)出現(xiàn)沿箱體豎直方向中心線旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。所以當(dāng)間隙B小于外桶共振的振幅時(shí)，將會(huì)發(fā)生撞桶現(xiàn)象[1]；而當(dāng)間隙A小于在極限偏心條件下內(nèi)桶的變形幅度時(shí)，內(nèi)桶轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)摩擦外桶。受整機(jī)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。

內(nèi)桶直徑的增大，可提高整機(jī)的容量，對(duì)寬度方向間隙的影響也最為直接，其對(duì)整機(jī)容量的貢獻(xiàn)可由公式（1）簡(jiǎn)單計(jì)算，也可根據(jù)3維圖紙進(jìn)行實(shí)際分析計(jì)算。內(nèi)桶直徑的發(fā)展大概有3個(gè)過(guò)程，從480～490 mm發(fā)展到500～510 mm，再到520～530 mm，甚至更大，假設(shè)內(nèi)桶的有效深度h為320 mm，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23 mm。所以在保證整機(jī)帶載能力不變的情況下，如何分配間隙A，間隙B是十分關(guān)鍵的。

表1 3種直徑下的內(nèi)桶容積

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(cè)量

對(duì)于滾筒洗衣機(jī)而言，內(nèi)桶在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中偏心衣物產(chǎn)生的離心力會(huì)引起內(nèi)桶變形。運(yùn)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(cè)試的方法可以實(shí)際測(cè)出內(nèi)桶在極限偏心負(fù)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(jiǎn)化為懸臂梁，其靠近軸承的部分振幅較小，遠(yuǎn)離軸承的部分振幅較大，故測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)桶的前端。通過(guò)激光測(cè)試裝置，測(cè)繪出不同偏心在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速達(dá)到1400 rpm，內(nèi)桶的振幅在5.5 mm左右，此處結(jié)論與戴相花等關(guān)于洗衣機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生的，可以認(rèn)為，內(nèi)桶到外桶的間隙A的安全尺寸只要大于5.5 mm即可，但考慮到內(nèi)桶的徑向存在跳動(dòng)，以及外桶注塑工藝的影響，A的最小取值應(yīng)在8.5 mm比較理想。

4 外桶振幅的測(cè)量

脫水階段，隨著內(nèi)桶轉(zhuǎn)速提高，離心力加大，導(dǎo)致桶系統(tǒng)的振動(dòng)加大。在整個(gè)脫水過(guò)程中基本會(huì)出現(xiàn)兩次共振，一次是低速共振，一次是高速共振。當(dāng)內(nèi)桶轉(zhuǎn)速在150～300 rpm范圍階段即預(yù)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(shí)桶系統(tǒng)的扭動(dòng)也會(huì)增大。當(dāng)振幅大于外桶到箱體的間隙時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)桶撞擊箱體。內(nèi)桶轉(zhuǎn)速在1000 rpm左右時(shí)，會(huì)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(jī)位移[4]。

圖1 整機(jī)示意圖

圖2 內(nèi)桶變形示意圖

圖3 偏心位置與外桶振幅關(guān)系圖

由上所述，為監(jiān)測(cè)桶系統(tǒng)的最大振幅，選擇測(cè)試工況條件為低速共振階段。如圖1所示，在物理樣機(jī)模型上設(shè)置兩個(gè)傳感器（S1、S2）監(jiān)測(cè)桶系統(tǒng)前部和后部在X方向上的振幅，具體位置設(shè)在穿過(guò)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(cè)試試驗(yàn)考察兩個(gè)問(wèn)題，一是偏心負(fù)載的位置對(duì)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(fù)載對(duì)桶系統(tǒng)前部和后部振幅的影響。針對(duì)問(wèn)題一，使用模擬偏心1500 g負(fù)載分別位于內(nèi)桶的前部和后部進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖3，其結(jié)論是前置偏心對(duì)桶前部振幅的影響＞后置偏心對(duì)桶后部振幅的影響。針對(duì)問(wèn)題二，在內(nèi)桶前部分別放置模擬偏心500 g、1000 g、1500 g負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖4，結(jié)論是偏心質(zhì)量與對(duì)桶系統(tǒng)各部位的振幅成正比關(guān)系。綜合考慮桶系統(tǒng)振幅、整機(jī)噪音等因素，在預(yù)脫水階段的偏心負(fù)載質(zhì)量應(yīng)控制在1000 g以內(nèi)，超過(guò)1000 g整機(jī)將會(huì)進(jìn)行糾偏處理。從圖4中可知，當(dāng)偏心負(fù)載質(zhì)量控制在1000 g以內(nèi)，B的取值應(yīng)大于15 mm，這里B的取值在滿足振動(dòng)條件的基礎(chǔ)上取較小值。

圖4 偏心重量與外桶振幅關(guān)系圖

圖5 外桶后K處局部剖視圖

圖6 箱體側(cè)面成型與外桶位置剖視圖

圖7 箱體外凸結(jié)構(gòu)局部剖視圖

5 大直徑內(nèi)桶相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1已經(jīng)說(shuō)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(huì)減少間隙A和B。W與A、B等參數(shù)的關(guān)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(jié)構(gòu)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(yàn)已經(jīng)確定。C的取值是外桶在K處的結(jié)構(gòu)寬度，B的取值可以通過(guò)優(yōu)化箱體側(cè)面成形的結(jié)構(gòu)適當(dāng)增加。

5.1 外桶的設(shè)計(jì)

塑料產(chǎn)品為方便出模，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需進(jìn)行拔模處理，外桶也是如此，外桶周壁上存在1°的拔模結(jié)構(gòu)。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(cè)可以節(jié)約1.4 mm。其次優(yōu)化K處（如圖1所示）的結(jié)構(gòu)，因?yàn)镵處的長(zhǎng)度較短，可局部減薄L1、L2的厚度做到2 mm以內(nèi)；同時(shí)可優(yōu)化密封條結(jié)構(gòu)和材料，進(jìn)而縮減L3寬度，以上兩點(diǎn)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(huì)減少。

5.2 箱體的設(shè)計(jì)

滾筒洗衣機(jī)的箱體側(cè)面都有一些凸凹成形結(jié)構(gòu)，這些成形結(jié)構(gòu)一方面使整機(jī)外在形象更加美觀，另一方面可以提高箱體的強(qiáng)度與剛度，降低箱體產(chǎn)生共振的振幅[5]。在一定偏心負(fù)載的工況下，以外桶側(cè)壁上最有可能撞擊箱體的點(diǎn)Q作為測(cè)量對(duì)象，在X和Y方向布置位移傳感器，根據(jù)傳感器測(cè)得的結(jié)果擬合該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即可在X0Y平面內(nèi)得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍，如圖6所示；同理也可以測(cè)得該點(diǎn)在Z方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍。在箱體設(shè)計(jì)時(shí)，箱體成形內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)應(yīng)在Q運(yùn)動(dòng)軌跡范圍之外,也可以在包絡(luò)Q運(yùn)動(dòng)軌跡范圍的位置適當(dāng)壓出外凸的結(jié)構(gòu)，如圖7所示，進(jìn)而增加外桶到箱體的間隙，避免外桶在整機(jī)運(yùn)行期間撞擊箱體。

6 結(jié)論

文章介紹了滾筒洗衣機(jī)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(jìn)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(guò)仿真與試驗(yàn)測(cè)試，詳細(xì)說(shuō)明了間隙A、間隙B，探討了各間隙的合理范圍；并對(duì)外桶局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、拔模角度、結(jié)構(gòu)厚度作出闡述；對(duì)箱體的局部結(jié)構(gòu)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(jī)設(shè)計(jì)提供思路。