虚拟样机技术在滚筒洗衣机中的研究和应用

1. 引言

随着科技的持续进步，人民生活水平的不断提高，人民对家电产品性能和使用便利性要求越来越高，而滚筒洗衣机作为最普及的家用电器之一，其工作运行时，尤其是高速甩干时的振动却一直是个突出的问题，长期困扰着人们。

随着计算机技术水平的提高，人们对多体系统动力学研究的深入，逐渐开发出了，虚拟样机技术，本文就是利用国际上主流设计仿真软件ADAMS对滚筒洗衣机进行参数化建模、并进行理论分析仿真，得出对滚筒洗衣机内外筒总成的最优设计方案，降低了滚筒洗衣机振动振幅，从而优化了产品结构。

滚筒洗衣机可以简化分成内外筒总成，悬挂系统和箱体三大部分，内外筒总成是通过挂簧和减震器组成的悬挂系统固定到箱体上，箱体是起到支撑和固定的作用，挂簧，减震器起到减小内外筒总成作用，内筒总成实现洗衣功能。洗衣机在正常工作时门外筒是不转动的，只是起到载体和贮水作用，外筒上安装有，电机、配重等件。洗衣机内筒在电机的驱动下产生转动，从而带动衣物转动，实现对衣物的摔打、浸泡、摩擦等洗涤作用。

由于内筒中的衣物在脱水时是分布在内筒的筒壁上的，构成了一个偏离内筒回转轴的偏心负载，该偏心负载的随着内筒的转动产生了偏心力，这个偏心力施加到内筒上，形成了一个激振源；在悬挂系统与箱体之间设有悬挂弹簧和阻尼器，因此滚筒洗衣机悬挂系统构成了一个由偏心质量回转引起的简谐受迫振动系统。随着负载分布的不同均匀度情况，也就产生了不同偏心状态，不同偏心状态，也就产生不同偏心力，偏心力引起了内外筒的振动，偏心力越大，筒的振幅越大，因此滚筒洗衣机振动产生的原因，是因为洗涤衣物在筒内转动时产生的偏心力导致的。

滚筒洗衣机的构造简图如图所示：

滚筒洗衣机悬挂系统的振动可以简化为偏心质量的回转引起的简谐受迫振动。该受迫运动的驱动力频率是不断变化的，本机仿真测试采用的角加速度为30d/s²，偏心质量围绕中心旋转的角加速度为30d/s²相当于内筒以5rpm/s²的加速度增加转动角速度.

滚筒洗衣机力学模型如图所示

(2)运动微分方程：

n——内筒转速，rpm／min。

简谐受迫振动的模型特点决定滚筒洗衣机设计时应该保证内外筒总成的重心应该尽量放置在挂簧与减震器组成的减震系统重心平面上。

3.滚筒洗衣机多体动力学仿真分析及建模

3.1 建模步骤

（1）三维建模部分

滚筒洗衣机动力学CAE模型创建是在三维CAD基础上的，本文采用常用三维制图软件pro/e ，完成三维图设计并进行装配，根据设计经验完成重心及主轴惯性矩设计。

（2）三维图完成后将整机图导入Mechpro，进行刚体的创建，及部分约束的添加，此外还可以在此软件内创建一些参照点Marker。

（3）设置完成后倒入ADAMS ,在该软件中进一步添加约束，创建spring、damper、bushing 等柔性体，并进一步完善约束，及添加所需要的各种力，完成后添加驱动力，进行仿真测试。再此过程中，需要反复修改模型，知道达到最准确结构，并与CAT测试的物理样机一致。

3.2 创建虚拟样机流程示意图

3.3创建完成后的虚拟样机如图所示：

该虚拟样机主要包括以下几部分组成

1：刚性体整机组件如筒、箱体、配重等。

2:  柔性体零部件挂簧、减震器，胶垫等。

3：施加的约束和力如电机驱动，及连接的旋转副。

4：需要测试的位置点Marker，及所有变量函数。

4.仿真输出结果

仿真测试条件

4.1偏心负载重量1kg，测试时间周期100s 加速度5rpm/s²。

4.2 测试输出结果以Y方向运行轨迹为输出记录各个子部件的运动轨迹。

轨迹1：弹簧位置测试点Marker-spring Y 方向位移轨迹图。

轨迹2：减震器测试点Marker-damper force值曲线图。

轨迹2：内筒上偏心块重心测试Marker-CG  Y 方向位移仿真轨迹

轨迹3：外筒后测试点Marker-tub  在Y 方向仿真轨迹。

分析：以上轨迹反应了，滚筒洗衣机甩干时的频域曲线。随着时间的增加，偏心质量旋转角速度的不断加大，相当于激震源频率的不断增加，此时内外筒振幅及减震器的力发生变化，其中外筒的振幅及弹簧的拉伸幅度随着共振点的临近突然增大，后续缓慢减少，其中共振点的幅值在一定程度上反映了系统的性能。减震器的力基本是不断增加的，但达到一定值后不在变化。

5. 结束语（或结论）

1．测试结果显示，滚筒洗衣机甩干时，内外筒总成做圆周的平动，其外筒上的任意点基本在其X Y 方向运动振幅对称。

2．滚筒洗衣机在甩干时在230转附近会有一个共振点，刚开始振幅很小，但经过共振点时振幅突然增大，过后振幅缓慢减少。

滚筒洗衣机的动力学仿真是建立在具有丰富实践经验基础上的，仿真的关键在于减震器模型的创建，及所有柔性体模型的创建，对于新开发的系统，创建完成后仿真的结果如果不理想需要重新修改模型，然后继续仿真测试直到满足需要，然后再去制作物理样机进行CAT测试，这样不但降低了研发成本，更缩短了产品上市时间。这是该技术发展的美好前景。