研究应用
劳春峰1武凤玲1张江涛1范强1梁泉2
1.青岛海尔智能技术研发有限公司山东青岛 266001；
2.青岛海尔滚筒洗衣机有限公司山东青岛 266001
摘要：本文在分析了全自动波轮洗衣机现有悬挂系统减振原理后，总结了洗衣机原有悬挂系统的性能缺陷。根据整机系统的振动特性，引入准零刚度隔振理论，提出一种全新的可实现静态大刚度、动态小刚度的悬挂减振系统。通过数值模拟和实验验证了该设计方案的可行性，将该设计方案应用于全自动波轮洗衣机后，整机的振动性能得到大幅提高。 关键词：悬挂系统；洗衣机；准零刚度；隔振
Research and application of a new suspension system of the washing machine based on quasi-zero stiffness vibration isolation theory
LAO Chunfeng1 WU Fengling1 ZHANG Jiangtao1 FAN Qiang1 LIANG Quan2
离子风机aryang
1. Qingdao Haier Smart Technology R&D Co., Ltd. Qingdao 266001;
2. Qingdao Haier Drum Washing Machine Co., Ltd. Qingdao 266001
Abstract: The vibration performance defects of the suspension system of the automatic top load washing machine have been summarized in this paper after the vibration principle of the suspension system had been analyzed. According to the washing machine vibration performance and the quasi-zero-stiffness vibration isolation theory is used. An new suspension system with high-static and low-dynamic stiffness of the top load washing machine would be design. The feasibility of the new suspension system is verified by the numerical simulation and experiment. The vibration performance of the washing machine is greatly improved by adopting the quasi-zero stiffness suspension system. Keyword: The suspension system; The washing machine; Quasi-zero stiffness; Vibration isolation
中图分类号：TB53,TM925.33
DOI:10.19784/jki.issn1672-0172.2020.99.023
1 引言
“振动噪音”对于洗衣机的重要性毋庸置疑，无论从产品性能、整机寿命还是用户体验都与其密不可分。目前国内外对洗衣机振动的研究主要集中在滚筒洗衣机上，一般通过优化滚筒洗衣机的整机结构、调整配重质量和位置等参数来改进箱体的振动[1-3]。而对波轮洗衣机的减振系统，特别是悬挂系统上的研究深度还较欠缺，只在文献[4]中研究总结了吊杆的刚度、阻尼、倾角和脱水启动函数对波轮洗衣机振动特性的影响。在文献[5]中通过实验和仿真的方法，搭建了悬挂系统的数学模型，为悬挂系统的优化提供了理论支撑。但以上都未对现有波轮洗衣机悬挂系统的性能缺陷进行深入的研究分析，缺乏理想的悬挂系统设计方案，对洗衣机整机振动性能的提高也难有质的飞跃。 而本文在分析了波轮洗衣机悬挂系统的减振原理后，基于准零刚度的隔振理论，提出了一种较理想的悬挂系统减振模型，基于该模型设计出的悬挂系统具有大的静态刚度、小的动态刚度，可根据工作工况的变化调整合适的系统刚度，实现系统静态时具有大的
如果您对本文内容感兴趣请联系作者：武凤玲**************
89
90
承载能力，桶体小位移；在脱水动态过程中，降低系统固有频率，提高悬挂系统隔振性能，减小振动传递。
2 波轮洗衣机的结构及悬挂系统
2.1 波轮全自动洗衣机的结构系统
如图1所示，全自动波轮洗衣机主要由支撑系统、工作单元和
悬挂系统三大部分组成[6]。
其中支撑系统包括箱体、背板、顶盖和底座等，主要用于定位和保护桶体，是承受工作单元和悬挂系统的框架；工作单元主要包括平衡环、内桶、外桶、驱动系统等，主要用于盛放衣物和水，实现洗涤和脱水功能；悬挂系统是连接箱体和工作单元的纽带，使三大部分构成洗衣机整机系统，其主要作用是缓
冲和消耗洗衣机脱水时产生的振动能量。
图1 波轮洗衣机结构示意图
2.2 全自动波轮洗衣机悬挂系统的工作原理及发展历程
全自动波轮洗衣机悬挂系统主要起到支撑和隔振两大作用。
支撑：即将洗衣机的工作单元悬挂于箱体上，使桶体和驱动系统能够稳定工作，完成整机洗涤、脱水等工作；隔振：即隔离和缓冲桶体脱水工作时产生的振动能量的传播，避免全部传递到箱体上。悬挂系统隔振减振能力的优劣直接影响了洗衣机的振动性能。
波轮洗衣机的悬挂系统主要由四个吊杆组成，从洗衣机悬挂系统的发展历程来看，先后出现了开放式吊杆、半开放式吊杆和封闭式吊杆三大类型的悬挂系统，如图2。
以上几种悬挂系统，都是围绕系统阻尼的有无和性能来迭代优化的，而弹簧刚度作为隔振元件的主要参数始终没有得到更进一步的优化发展，本文将针对洗衣机的振动特性，引入准零刚度隔振理论，行业首创提出一种全新的磁弹簧悬挂吊杆减振模型，其具备的非线性刚度特性可提供大的静态刚度和小的动态刚度。
3 全自动波轮洗衣机振动特性及准零刚度隔振理论分析
3.1 全自动波轮洗衣机的振动特性
目前波轮洗衣机采用的减振系统可以简化为如图3的物理模
型，可以将其视为单自由度系统的受迫振动[7]，在整个脱水振动过
程中，工作单元质量体m 被一个刚度系数为K 的线性弹簧所支撑[8]，并将振动能量进行隔离。当系统的工作频率大于其固有频率的倍时，隔振才会产生作用。
洗衣机整机系统的固有频率：
。洗衣机脱水过程
中，转速在不断升高，内桶衣物中水分的质量在逐渐减小，导致整机固有频率ω0在不断增大，
而产生共振的转速也随之增高，这就会使拉扯桶体的惯性力和恢复力增大，不利于系统振动性能的控制。因此，为保证洗衣机的振动性能，其系统固有频率越小越好，即弹簧刚度越小越好，如图4
。
图4 悬挂系统刚度与固有频率的关系
弹簧刚度越小，开始产生隔振的频率也越低，隔振效果越好，但是小刚度的弹簧支撑质量体的稳定性较差，
会发生很大的静位新型电子产品
图2 三种悬挂系统结构示意图
图3
波轮洗衣机减振物理模型人脸识别医疗
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移[9]。因此，一种静态大刚度动态小刚度的非线性减振系统代替现有的弹簧吊杆线性减振系统，对于提高波轮洗衣机的振动性能来说至关重要。3.2 准零刚度隔振理论
隔振器一直以来都是应用最广的最有效的控制机械振动的技
术手段，根据隔振器自身特性的不同，一般将其分为线性隔振和非线性隔振两种，比如波轮洗衣机中采用的弹簧吊杆悬挂系统就是一种典型的线性隔振器，由于线性隔振器的结构简单、成本低的特点，近些年来被得到广泛的应用，其技术也趋于成熟。然而由于线性隔振器的性能限制，使得一些复杂的振动问题不能得到完全解决，因此非线性隔振理论也越来越得到发展和应用。
准零刚度非线性隔振器是一种将正负刚度弹性元件并联在静平衡位置获得准零刚度的组合隔振器。如图5为正负刚度并联后载荷变形曲线图。它具有非线性刚度，静承载能力好，结构变形小；系统固有频率低，隔振频带宽；根据不同使用工况，可灵活调整系统刚度等优点[10]
。
图5 正负刚度并联变形关系图
4 全自动波轮洗衣机准零刚度悬挂系统方案设计计算
4.1 准零刚度悬挂系统模型设计
具有负刚度特性的弹性元件的种类很多，比如：橡胶、碟簧、组
合梁、磁铁等。本文为代替传统波轮洗衣机的吊杆悬挂系统，并保证新的零准刚度悬挂系统与洗衣机整机装配空间尺寸匹配、以及整机的结构、装配工艺不受影响，进行了如图6所示的准零刚度悬挂吊杆的设计，在吊杆原有金属弹簧基础上并联一对永磁磁环，内外磁环结构如图7，外磁环与吊杆套筒内壁固连，同时吊杆套筒与外桶相连，保持相对固定。内磁环内环与金属导杆固连，内磁环会随着金属导杆的运动而上下移动。
在洗衣机工作过程中，由于洗涤工况的变化，会压缩金属弹簧沿轴向运动产生正刚度，同时金属导杆带动内磁环上下相对运动，使内外磁环产生负刚度。可将该悬挂系统简化为如图8所示的单自由度隔振系统的力学分析。图8中，m 为洗衣机工作单元的质量，包括内外桶、传动系统、衣服、水等；
c 为吊杆内部的阻尼；k p 为金属弹簧提供的正向刚度；k n 为磁环提供的负向刚度。合成后洗衣机悬挂系统的总刚度为K =k p +k n ＜k p 。
4.2 磁环磁力计算及优化按照吊杆套筒内的空间尺寸，先设计一对磁环的尺寸如表1，磁
环材料选用钕铁硼。本文基于实验方法进行磁力计算，先利用拉力计测得两磁环之间的位移量和磁力的对应关系，并画出刚度曲线，如图9，再在Matlab 中将金属弹簧的刚度与磁环刚度曲线进行拟合，从而得到该悬挂系统的准零刚度曲线，如图10。
表1 内外磁环尺寸
磁环
外半径（mm ）
内半径（mm ）
磁环高（mm ）
外环191410内环
防盗机箱8
3
10
由文献[11]可知，对于给定材料特性的环形永磁铁，其刚度一般与磁环的内径r 1、
r 2，外径R 1、R 2，磁环高度h 1、h 2有关，若要调整准零刚度悬挂系统的磁刚度，可通过调整磁环的几何尺寸实现，但要保证系统的稳定性，要使正刚度的值略大于负刚度的绝对值，并使
磁刚度在工作位置附件近似为常数。
图6 准零刚度悬挂吊杆三维设计图
图7 内外磁环结构图图8 准零刚度悬挂系统力学模型
92
5 准零刚度悬挂系统仿真分析及实验验证
5.1 准零刚度悬挂系统减振性能的仿真分析
本文选用海尔8.5 kg 容量的某型号洗衣机为验证平台，在UG
中建立整机三维模型，然后将此三维模型导入LMS-Virtual Lab 中建立多体动力学模型。模型中各零部件材料属性设置如表2。
表2 模型物理参数零部件
材料密度(Kg/mm 3)杨氏模量(MPa)
泊松比钣金件SPCC 7.85E-062060000.3塑料件
PP
9.10E-07
等离子割1330
0.4
零部件之间链接方式设置如下：
（1）吊杆与外桶和箱体接触处设置Spherical Joint （球铰），吊杆的金属杆和上托设置Cylindrical Joint （圆柱副）；
（2）内外桶之间设置Revolute Joint ，转速以10 rps 的加速度升速800转；
（3）在内桶底部放入1 kg 偏心块。
将如上图所示得到的非线性刚度曲线带入模型，对洗衣机整机模型进行多体动力学仿真分析，对比原始的线性悬挂吊杆与准零刚度悬挂吊杆对整机振动的影响曲线，如图11。
由数值模拟结果可知，采用非线性悬挂吊杆后，在洗衣机脱水阶段系统的的共振点提前了，且脱水瞬
态和稳态的振幅都有降低，说明准零刚度隔振理论在洗衣机中应用的可行性。
5.2 实验验证
按照上述准零刚度悬挂吊杆三维模型，完成模块加工制作，如
图12，将此准零刚度悬挂吊杆代替原有吊杆装配到洗衣机上，进行整机振动性能测试，在内桶底部放置1 kg 偏心块模拟衣物产生的偏心质量，取外桶顶盖前中部的振动数据，实验数据如表3，每组实验重复4次，取平均值。
由表3可知，与原始样机相比，使用准零刚度悬挂吊杆后，整机振动性能平均可提高20%～30%，振动性能得到极大提高。
表3 准零刚度悬挂吊杆减振性能数据
序号
振动数据
X
Y
Z
原始
准零刚度吊杆原始
准零刚度
吊杆
原始准零刚度吊杆1
10.387.159.13 6.38 1.53 1.1328.757.458.07 6.75 1.43 1.0339.59 6.978.72 6.33 1.470.97410.157.029.28 5.93 1.41 1.05平均9.72
7.158.8 6.34
1.46
1.05减振幅度
26%
27%
28%
6 结论
本文基于准零刚度减振理论，结合洗衣机自身的振动特性，提出了一种洗衣机非线性悬挂减振系统。通过将永磁磁铁的负刚度特性与金属弹簧的正刚度特性相结合，实现了洗衣机非线性悬挂系统的准零刚度特性。通过设计计算、仿真分析及实验验证可得以下结论：
（1）本文首先为满足洗衣机整机结构、装配和工艺等要求，在原始悬挂吊杆基础上，完成非线性悬挂吊杆结构设计，通过改变
磁铁几何尺寸r 、R 、h 和金属弹簧刚度k p 可实现非线性悬挂系统正负刚度比例的调整。
（2）通过建立多体动力学模型进行仿真分析，在分别采用原
始的线性悬挂吊杆和准零刚度非线性悬挂吊杆时，对比整机振动特性曲线。由分析结果可知：采用非
线性悬挂吊杆后，整机共振点提前，有利于更快的避开共振点；在脱水瞬态和稳态过程中，振动幅值都有所降低，说明该准零刚度非线性悬挂系统在洗衣机中应用的可行性。
卷积编码
图9 内外磁环刚度曲线图
图10
准零刚度悬挂吊杆刚度曲线
图11
准零刚度悬挂吊杆减振对比模拟
（3）通过实验验证，在采用了准零刚度非线性磁弹簧吊杆后，洗衣机在脱水阶段的振动可降低约20%～30%。
本文全球首创提出的磁弹簧吊杆可适用于所有型号的波轮洗衣机中，下一步将进一步研究准零刚度减振系统在滚筒洗衣机中应用的可行性。
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