滚筒洗衣机宽度方向间隙的研究与设计要点

化范猛 吴增元

惠而浦(中国)股份有限公司 安徽合肥 230088

1 引言

滚筒洗衣机具有外形美观，洗涤容量大，结构紧凑，占用空间小的优点，加之售价下探，使其在洗衣机市场上的占有份额逐年上升。滚筒洗衣机经过几十年的发展历程，洗涤容量从6 kg发展到目前的12 kg，甚至更大容量，然而其高度和宽度尺寸基本没有变化，其高度尺寸一般基本是850 mm左右，宽度尺寸基本是596 mm左右，主要变化的是深度尺寸。若深度尺寸大到一定程度，宽深比失调，会严重影响整机的外形，目前各品牌厂商都在压缩洗衣机内部各部件的间隙，主推超薄大容量的机型，尤其是大直径内桶的机型，所以需要对大直径内桶机型的间隙设计进行分析和研究。

2 滚筒洗衣机各方向尺寸

随着对滚筒洗衣机振动性能的掌握，其内部各部件的间隙逐步被挖掘，从而在原有的整机外形尺寸下，洗涤容量更大。滚筒洗衣机的间隙分为三个方向，分别是宽度X方向、高度Y方向、和深度Z方向，如图1所示。因为整机的高度尺寸大于其深度和宽度尺寸，所以高度方向的尺寸对整机的结构设计影响不大，本文不作讨论。深度方向的尺寸可优化的部件很多，主要牵扯到电机、外桶后、内桶完成、外桶前、门盖密封圈等主要部件的轴向尺寸链，所以本文也不作讨论。本文主要论述沿宽度方向的间隙和振动。宽度方向的间隙主要有内桶到外桶的间隙A，外桶到箱体的间隙B，从滚筒洗衣机振动的情况来看，外桶的左右晃动比较大，低速脱水情况下还会出现沿箱体竖直方向中心线旋转摆动。所以当间隙B小于外桶共振的振幅时，将会发生撞桶现象[1]；而当间隙A小于在极限偏心条件下内桶的变形幅度时，内桶转动将会摩擦外桶。受整机宽度方向的尺寸影响，间隙A和间隙B在宽度方向的数值小于其余方向的数值，所以有必要在宽度方向确定间隙A和间隙B的合理安全范围。

内桶直径的增大，可提高整机的容量，对宽度方向间隙的影响也最为直接，其对整机容量的贡献可由公式（1）简单计算，也可根据3维图纸进行实际分析计算。内桶直径的发展大概有3个过程，从480～490 mm发展到500～510 mm，再到520～530 mm，甚至更大，假设内桶的有效深度h为320 mm，根据公式（1），可以得出内桶的容积，如表1所示，随着直径的增大，宽度方向单边总的间隙减少了23 mm。所以在保证整机带载能力不变的情况下，如何分配间隙A，间隙B是十分关键的。

表1 3种直径下的内桶容积

式中：V——体积；r——内桶半径；h——内桶深度。

3 内桶振幅的测量

对于滚筒洗衣机而言，内桶在旋转过程中偏心衣物产生的离心力会引起内桶变形。运用有限元分析可以模拟出内桶的变形情况，如图2所示。另外用测试的方法可以实际测出内桶在极限偏心负载下变形的情况。根据内桶的受力分析[2]，内桶的安装可以简化为悬臂梁，其靠近轴承的部分振幅较小，远离轴承的部分振幅较大，故测试点设置在内桶的前端。通过激光测试装置，测绘出不同偏心在不同转速下内桶的振幅情况。从图2中可以看出在前置极限偏心条件下，内桶转速达到1400 rpm，内桶的振幅在5.5 mm左右，此处结论与戴相花等关于洗衣机内部系统轻量化设计中内桶的径向变形基本吻合[3]。而在用户程序控制中，此种现象是不会发生的，可以认为，内桶到外桶的间隙A的安全尺寸只要大于5.5 mm即可，但考虑到内桶的径向存在跳动，以及外桶注塑工艺的影响，A的最小取值应在8.5 mm比较理想。

4 外桶振幅的测量

脱水阶段，随着内桶转速提高，离心力加大，导致桶系统的振动加大。在整个脱水过程中基本会出现两次共振，一次是低速共振，一次是高速共振。当内桶转速在150～300 rpm范围阶段即预脱水阶段，出现第一次共振。此种工况下，共振的表象是桶系统的振幅突然增大，同时桶系统的扭动也会增大。当振幅大于外桶到箱体的间隙时，就会出现桶撞击箱体。内桶转速在1000 rpm左右时，会出现第二次共振，其表象是箱体产生共振，箱体的振幅增大甚至出现整机位移[4]。

图1 整机示意图

图2 内桶变形示意图

图3 偏心位置与外桶振幅关系图

由上所述，为监测桶系统的最大振幅，选择测试工况条件为低速共振阶段。如图1所示，在物理样机模型上设置两个传感器（S1、S2）监测桶系统前部和后部在X方向上的振幅，具体位置设在穿过桶系统轴线的水平面上，S1位于桶的前部，S2位于桶的后部。测试试验考察两个问题，一是偏心负载的位置对桶系统前部和后部振幅的影响；二是不同偏心质量的负载对桶系统前部和后部振幅的影响。针对问题一，使用模拟偏心1500 g负载分别位于内桶的前部和后部进行测试，具体测试结果如图3，其结论是前置偏心对桶前部振幅的影响＞后置偏心对桶后部振幅的影响。针对问题二，在内桶前部分别放置模拟偏心500 g、1000 g、1500 g负载进行测试，具体测试结果如图4，结论是偏心质量与对桶系统各部位的振幅成正比关系。综合考虑桶系统振幅、整机噪音等因素，在预脱水阶段的偏心负载质量应控制在1000 g以内，超过1000 g整机将会进行纠偏处理。从图4中可知，当偏心负载质量控制在1000 g以内，B的取值应大于15 mm，这里B的取值在满足振动条件的基础上取较小值。

图4 偏心重量与外桶振幅关系图

图5 外桶后K处局部剖视图

图6 箱体侧面成型与外桶位置剖视图

图7 箱体外凸结构局部剖视图

5 大直径内桶相关部件的结构设计

图1已经说明宽度方向的间隙主要是内桶到外桶的间隙A、外桶到箱体的间隙B，因此在箱体宽度W不变的情况下增加内桶内径D，必然会减少间隙A和B。W与A、B等参数的关系如公式（2）所示：

式中：W—箱体宽度；D—内桶内径；T1—内桶厚度；A—内桶到外桶的间隙；C—安装密封条结构宽度；B—外桶到箱体的间隙；T2—箱体厚度。

如果D已经确定，需要平衡优化的变量即A、B、C；其中A和B的最小值由上述试验已经确定。C的取值是外桶在K处的结构宽度，B的取值可以通过优化箱体侧面成形的结构适当增加。

5.1 外桶的设计

塑料产品为方便出模，在产品结构设计上需进行拔模处理，外桶也是如此，外桶周壁上存在1°的拔模结构。图1是外桶正视图，从图中可看到外桶并不是正圆，在宽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°，使外桶在宽度方向上的尺寸单侧可以节约1.4 mm。其次优化K处（如图1所示）的结构，因为K处的长度较短，可局部减薄L1、L2的厚度做到2 mm以内；同时可优化密封条结构和材料，进而缩减L3宽度，以上两点如图5所示。另外，如果外桶前后的连接方式由螺钉固定改为焊接固定，C值亦会减少。

5.2 箱体的设计

滚筒洗衣机的箱体侧面都有一些凸凹成形结构，这些成形结构一方面使整机外在形象更加美观，另一方面可以提高箱体的强度与刚度，降低箱体产生共振的振幅[5]。在一定偏心负载的工况下，以外桶侧壁上最有可能撞击箱体的点Q作为测量对象，在X和Y方向布置位移传感器，根据传感器测得的结果拟合该点的运动轨迹，即可在X0Y平面内得到该点的运动轨迹范围，如图6所示；同理也可以测得该点在Z方向上的运动轨迹范围。在箱体设计时，箱体成形内凹的结构应在Q运动轨迹范围之外,也可以在包络Q运动轨迹范围的位置适当压出外凸的结构，如图7所示，进而增加外桶到箱体的间隙，避免外桶在整机运行期间撞击箱体。

6 结论

文章介绍了滚筒洗衣机各方向的尺寸，指出宽度方向的尺寸制约着外桶的宽度与内桶直径的大小，进而限制了内桶到外桶的间隙A、外桶到箱体的间隙B。通过仿真与试验测试，详细说明了间隙A、间隙B，探讨了各间隙的合理范围；并对外桶局部结构的设计、拔模角度、结构厚度作出阐述；对箱体的局部结构给出优化建议，最大程度地挖掘各部件之间在宽度方向的间隙范围，为大直径内桶的整机设计提供思路。