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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。滾筒洗衣機經過幾十年的發展歷程，洗滌容量從6kg發展到目前的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，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部各部件的間隙，主推超薄大容量的機型，尤其是大直徑內桶的機型，所以需要對大直徑內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化的部件很多，主要牽扯到電機、外桶后、內桶完成、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，將會發生撞桶現象[1]；而當間隙A小于在極限偏心條件下內桶的變形幅度時，內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在寬度方向的數值小于其余方向的數值，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3維圖紙進行實際分析計算。內桶直徑的發展大概有3個過程，從480～490mm發展到500～510mm，再到520～530mm，甚至更大，假設內桶的有效深度h為320mm，根據公式（1），可以得出內桶的容積，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——內桶半徑；h——內桶深度。

3、內桶振幅的測量

對于滾筒洗衣機而言，內桶在旋轉過程中偏心衣物產生的離心力會引起內桶變形。運用有限元分析可以模擬出內桶的變形情況，如圖2所示。另外用測試的方法可以實際測出內桶在極限偏心負載下變形的情況。根據內桶的受力分析[2]，內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，內桶轉速達到1400rpm，內桶的振幅在5.5mm左右，此處結論與戴相花等關于洗衣機內部系統輕量化設計中內桶的徑向變形基本吻合[3]。而在用戶程序控制中，此種現象是不會發生的，可以認為，內桶到外桶的間隙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 內桶變形示意圖

4、外桶振幅的測量

脫水階段，隨著內桶轉速提高，離心力加大，導致桶系統的振動加大。在整個脫水過程中基本會出現兩次共振，一次是低速共振，一次是高速共振。當內桶轉速在150～300rpm范圍階段即預脫水階段，出現第一次共振。此種工況下，共振的表象是桶系統的振幅突然增大，同時桶系統的扭動也會增大。當振幅大于外桶到箱體的間隙時，就會出現桶撞擊箱體。內桶轉速在1000rpm左右時，會出現第二次共振，其表象是箱體產生共振，箱體的振幅增大甚至出現整機位移[4]。

由上所述，為監測桶系統的最大振幅，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）監測桶系統前部和后部在X方向上的振幅，具體位置設在穿過桶系統軸線的水平面上，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前部和后部振幅的影響；二是不同偏心質量的負載對桶系統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，結論是偏心質量與對桶系統各部位的振幅成正比關系。綜合考慮桶系統振幅、整機噪音等因素，在預脫水階段的偏心負載質量應控制在1000g以內，超過1000g整機將會進行糾偏處理。從圖4中可知，當偏心負載質量控制在1000g以內，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、大直徑內桶相關部件的結構設計

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圖1已經說明寬度方向的間隙主要是內桶到外桶的間隙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桶內徑D，必然會減少間隙A和B。W與A、B等參數的關系如公式（2）所示：

式中：W—箱體寬度；D—內桶內徑；T1—內桶厚度；A—內桶到外桶的間隙；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已經確定，需要平衡優化的變量即A、B、C；其中A和B的最小值由上述試驗已經確定。C的取值是外桶在K處的結構寬度，B的取值可以通過優化箱體側面成形的結構適當增加。

5.1 外桶的設計

塑料產品為方便出模，在產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約1.4mm。其次優化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；同時可優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，根據傳感器測得的結果擬合該點的運動軌跡，即可在X0Y平面內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桶直徑的大小，進而限制了內桶到外桶的間隙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的洗衣機內部系統輕量化設計[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