波轮洗衣机刹车制动振动性能研究

江 黎 吴云贵 凌志东

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

一直以来，振动噪音问题都是衡量洗衣机性能好坏的一个重要指标[1]。对于波轮洗衣机而言，振动噪音问题主要出现在脱水阶段[2]。目前行业内存在一些关于波轮洗衣机的脱水启动特性、稳态特性的研究内容，但是对于波轮洗衣机的刹车制动振动特性研究几乎就是空白。刹车制动问题是一种非线性的振动问题，是脱水桶在高速平稳运转时动平衡突然发生破坏的一种极端表现[3,4]。由于此时的脱水桶还具有较高的角动量，脱水桶在偏心的作用下会剧烈的撞击箱体，导致箱体鼓包、移位、噪音大等等一系列问题[5,6]。本文以我司一款波轮产品为研究对象，首先介绍波轮洗衣机的振动原理，其次对波轮洗衣机的刹车制动过程进行分析，最后通过设计试验分析，提出抑制脱水桶刹车制动时振幅的主要方法。通过本文的研究，可以有效的缓解刹车制动时脱水桶剧烈的撞击箱体的现象，在开发中所遇到的振动难题为例使得产品性能满足设计需求。

1 波轮洗衣机的振动原理简介

1.1 波轮洗衣机悬挂系统

波轮洗衣机的悬挂系统由桶组件和吊杆组件两个部分组成，桶组件通过吊杆组件悬挂于箱体的角板上。波轮悬挂系统的示意图如图1所示。

如图1所示：桶组件包含盛水外桶、外桶盖、盐水平衡环、脱水内桶、波轮盘、离合器和电机。盐水平衡环紧固在脱水内桶桶口处，波轮盘固定在脱水内桶桶底，与盛水外桶上的离合器端面相连。

1.2 振动原理

将波轮洗衣机悬挂系统简化为一个经典的单自由度振动模型如图2所示。

系统的运动微分方程为：

式中：

M—系统质量；

δ—阻尼力；

K—弹簧刚度；

F—激励力。

令其为F=F0coswt，此微分方程的解为：

式中：

β—衰减系数，β=δ/2M；

ω0—固有频率，；

Zm—力阻抗，。

式（2）中第一项式为瞬态解，表明随固有频率振动的幅值，不随激励力的变化而变化，并且很快按指数规律衰减掉；第二项式为稳态解，振动频率与激励力的频率相同，振幅为周期运动的恒定值。一般情况下，有阻尼的振动系统，振动会在一个较短的时间内趋于稳定，维持稳态解形式的简谐振动，即：

2 刹车制动过程分析

洗衣机经过高速脱水之后，脱水桶内衣物的含水率趋于稳定。此时衣物形成的偏心与平衡环内的盐水的偏心，达到了相对动平衡状态。若此时脱水桶突然被制动减少，由于失去了离心力的作用，平衡环内的盐水会逐渐失去作用，由于桶内衣物形成的偏心几乎不再发生变化，导致系统的偏心逐渐增大。脱水桶在降速的过程中虽然会快速通过共振区，但是由于偏心较大，即使在一个极短的时间内，脱水桶也会发生剧烈跳动，撞击箱体导致箱体鼓包，甚至是整机发生位移等现象。

2.1 系统固有频率的估算

2.2 激振频率的估算

我司该款产品设计的最高转速为680 rpm，转换成频率为11.3 Hz。脱水桶在启停的过程中均会经过悬挂系统的共振区间，当激励转速与共振转速重合时，系统会产生较大的振幅。若此时脱水内桶偏心较大，由于桶组件与箱体的间隙有限，因此会出现桶组件剧烈撞击箱体，甚至移位的现象。对于波轮洗衣机而言，箱体与悬挂系统的间隙都比较小，而且吊杆的阻尼力在很短的时间内也无法有效的抑制振幅。

2.3 主要影响因子的估算

1）系统共振。由于脱水桶从高速降到0，,激励频率范围相对固有频率来说很宽，所以无法通过调整系统固有频率避开共振峰。

2）平衡环水路设计。通过水路设计，可以有效的降低突然刹车制动时，盐水回流的速度。在脱水桶动平衡状态被破坏之后，能有效缓解桶内相对偏心增加的速度，降低刹车制动时悬挂系统跳动的振幅，起到抑制振幅的作用。平衡环水路设计如图3所示。

3）增加吊杆阻尼力。由于脱水桶在启停的过程中共振区间无法避开，为了让洗衣机正常脱水，工程学上常用增加吊杆阻尼力的方法抑制共振振幅。我司产品上使用的吊杆是摩擦式阻尼吊杆，在弹簧的上侧有一个小的阻尼块可以提供阻尼力，通过调整阻尼力，可以实现减振的效果。但是从试验效果来看，阻尼力很难选配，阻尼力小了，起不到很好的减振的目的；阻尼力大了，减振效果明显了，但是吊杆噪音变大了，导致整机噪音测试不合格，因此可执行性较差。吊杆结构如图4所示。

4）外桶吊杆球座结构限位。目前外桶安装吊杆的球座位置，开口较大。通过修改结构，将球座位置开口减小，从而限制达到限制振幅的目的。由于外桶改模特别麻烦，我们将吊杆阻尼套上件加粗进行试验，具有明显的减振效果。吊杆阻尼套上件如图5所示。

综上所述，方案二和方案四是较为可行的减振措施。

3 试验结果对比

3.1 试验设计

3.1.1 测试工况

考虑到试验研究的对象为悬挂系统，跟箱体无关，为了便于观察以及测试，将悬挂系统吊装在特殊的工装上，测试工装如图6所示。

3.1.2 测试方法

1）在外桶的上侧前后左右四个位置布置好四个三向加速度传感器。

2）在内桶底部放置1.3 kg的沙包作为固定偏心，且每次试验都放在同一个位置启动脱水。

3）启动单脱水程序，让脱水桶旋转到最高速，然后突然按启停键制动。

4）使用专业的振动信号测试仪器采集悬挂系统从制动到停止过程中外桶的振幅。

5）记录最大位移的数据进行分析。

3.1.3 测试样品树

根据2.3节对于主要影响因子的评估，设计一组DOE试验，试验样品树如图7所示。

3.2 试验结果分析

按照3.1中的方法进行测试，得到试验结果如图8所示。

从图8中，可以得出以下两点结论：

1）新老吊杆对比，外桶振幅的平均值相差2 mm。

2）新老平衡环对比，外桶振幅的平均值相差1 mm。

综上所述，确定抑制振幅的方案如下：

方案一：平衡环水路重新改模；

方案二：吊杆阻尼套上件结构重新改模。

通过上述方案，可以有效的降低我司该款波轮产品脱水制动时振动的幅值，从而实现降低振动、噪音，优化整机性能的目的。

4 结束语

本文以我司一款波轮产品作为研究对象，主要分析了洗衣机产生振动的原理、影响刹车制动振幅的主要因素，以及试验确定抑制振幅的方案。通过本文的研究，可以有效的缓解刹车制动时脱水桶剧烈的撞击箱体的现象，使得产品性能满足设计需求。通过本文的研究，提供一种降低刹车制动时脱水桶振幅的方法，使得产品性能更加稳定、安全、可靠。同时本文的工作也给后续的波轮洗衣机脱水振动特性的研究提供一些思路和参考。由于波轮脱水刹车制动过程是一个极其复杂的非线性振动过程，本文的研究还是过于粗糙、浅显，不足之处，还望批评指正。