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洗衣机不平衡部件的协调共存

时间: 2011-07-04 15:17 来源: 作者: Vasilije Vasic  点击:
塑料的老化和蠕变有利于其与其它材料的连接。这可能会导致一边的材料扩界而另一边的产品失效。这里以上的一个螺纹连接的塑料混凝土作为例子来说明如何达到可能的最好设计。

白色家电工业在寻求成本有效和可靠的制造方式。装置本身应包含数量最少的组件。组件减少的数量与连接它们的部分有密切关系,并进而影响其使用寿命。

最近十年来,在加工技术方面的不断提高已经使得聚合物的使用不断增加。产品工程师的一个主要任务就是找到一个连接聚合物组件或者聚合物组件与金属组件的可靠方法。最常用的为螺纹连接和卡扣连接,其中前种方式居于主导地位。在设计阶段,工程师依靠官方标准和指标、组件制造商或者材料供应商、尤其是他们自身的经验来进行设计。

具有时间依赖性的松弛和蠕变行为的聚合物对产品开发者又提出了一个挑战。松弛是由于连续应力的存在而发生的,而蠕变则是连续载荷作用的结果。诸如温度和湿度的环境影响会加速这些现象的发生。


这台洗衣机包含一个配重块, 它通过3个螺钉被装配到高分子洗衣桶上。

当考虑聚合物和与之相配合的组件时,工程师必须自己解决的问题是:

◆ 在设计螺纹连接的时候,什么时候和怎样去整合聚合物的数据;
◆ 如何估计时间依赖性和耐久性以确保螺纹连接的安全。

在家用电器领域的连接技术


图1 为了降低重量并节约成本和能量,洗衣机的主要部件越来越多地由高分子材料来制得。

这里作为例子使用的洗衣机有如下组件(图1所示):

◆ 带支撑腿的外壳;
◆ 包含桶、套桶、混凝土配重块(cconcrete ounterweights)、皮带轮和驱动带;
◆ 由过滤单元和带分散单元的管路组成的配水系统;
◆ 包括、驱动马达和操作平台的电子部件;
◆ 由减震器和弹簧组成的悬挂系统。

这些组件中的许多都是由高分子材料制成,如泵外壳、盖子和多数的驱动皮带及皮带轮。当洗衣机的高分子组件及它们之间的连接被开发完成后,动态和静态的热机械应力都需要被考虑到。在绝大多数情况下,螺纹连接的方式会被采用,但卡扣连接(如在盖子处的连接)和销钉连接(如减震器)也会被采用。

而且,洗衣机的金属桶现在也是由高分子材料制得。另一方面,螺纹连接为主要采用的连接方式。洗衣桶中最重要的连接为其与混凝土配重块之间的连接。为了抵消旋转过程中的不平衡,洗衣桶的质量常常用混凝土配重块来进行增重(标题图片所示)。这就导致了特殊载重的形成,震动就正是其中之一。产品开发者面临的挑战是去找到合适的方法来连接高分子与金属螺钉并评估和确保洗衣机整个寿命期间的连接性能。

装上配重块

除了质量计算和工艺外,指南VDI 2230还详细描述了螺钉的载荷分布并解释了预加载荷。这样的定尺寸方法通常基于静载荷而得到。但在实际情况下,动态热机械载荷(规则和不规则振动/载荷周期)也会存在。

因为这个原因,自攻螺丝通常被用于将上下配重块连接到洗衣桶上。这显著缩短了部件的模塑时间并降低了组装成本。这些措施使得连接件能承受高的载荷,并且其能在连接件质量不降低的情况下被组装和拆卸达数十次。使用自攻螺丝的目的是去抵消(举例来说,用夹紧力/预应力并去除扭矩)高分子材料的时间依赖性,在这里,所用的材料为聚丙烯(PP)。在VDI标准中,对于预载荷的重要因素改变了包括螺钉材料在内的松弛和温度依赖性。然而,VDI标准假定部件间的连接为金属-金属类型,在被嵌入后,其认为的预载荷力降低了约10%并且大约80%的最小载荷或者0.2%的弹性极限应力保留在屈服点。聚合物的主要特征(螺纹连接的轮毂材料) — 具有时间依赖性的蠕变和/或者松弛,没有在标准中被明确地提到。此外,仅有少部分标准适于室温下夹紧部件的主要材料(所谓的接触面的嵌入,热膨胀)。高分子材料制造商因而推荐用螺纹连接高分子部件期间第100个小时作为一个周期,在此期间其自身进行稳定。

设计特征

该设计的成功以压蠕变对螺钉预载荷的影响而定,因为安全的缘故,其必须在洗衣机的整个寿命周期内保持恒定。在静态和动态载荷结合都存在的地方,部件的寿命基于高分子材料的疲劳极限。

为了消除在高分子材料上的载荷,在螺钉头和垫圈之间为夹紧提供额外(圆形)弹簧垫圈的设计方案消除了不需要的应力松弛和由动态载荷所引起的连接处变松现象 (图2所示)。高分子材料制得的洗衣桶连接点处的壁厚必须能在材料被连接时,有效防止螺钉破坏强度更低的材料。作为一个经验规则,高分子部件的外径应该至少是螺钉名义直径的两倍。除此之外,穿刺深度和孔直径必须正比于螺纹连接件的强度(旋出力或者松开扭矩)。


图2 洗衣桶和配重块之间的螺纹连接必须在不损失强度(松开)承受静态和动态载荷。

然而,这些标准没有完全反映高分子及其与金属连接的行为。

这样的螺纹连接(装配力FM不再存在)的松开几率被由于高分子降解并因此将夹紧件包埋住的量FZ所降低。有效预载荷力FV在产品的整个寿命周期内必须不在限定值FV, erf之下 (图3所示)。


图3 通用夹紧力图能用于读出产品组装和使用时的预载荷力。

最大螺旋力(FS, max)取决于螺钉和其弹性性能。然而,预期载荷FA依赖于螺钉和夹紧部件。临界力之比由伸张量计算得到,其依次依赖于所用材料的硬度。除了所谓的100小时稳定时间外,制造商也推荐采用自动和扭矩感应的组装过程。

蠕变和松弛

高分子材料的时间依赖行为后来也被纳入到实验估算的范围内。一条实验总曲线描述了蠕变随时间t变化的情况。该曲线本身是由在相同时间范畴内的不同温度下的不同模量曲线并结合位移因子aT(图4所示)而得到的经验公式。合成蠕变张量J (t)提供了关于预载荷衰减和产品使用期内连接处松开,和在计算开始阶段忽略的温度信息。此外,也有可能由此来推断产品的寿命[例如,aT = J(now) / J(10a)]。


图4 J(t)的总曲线由模量曲线得到并通过位移因子aT而被关联到在T0时的曲线。

另一方面,高分子材料所承受的蠕变也能通过用于粘弹性的通用公式来进行描述:

式中,Jg(稳定时间)为在平衡状态下的蠕变,其由连接物的连接和初始嵌入而产生。由于恒定的载荷的作用,蠕变张量的值总是在增加。在当前情况下,桶在各个方向上以一定加速度(由于离心力的作用而产生)振动。加速度的值依赖于洗衣机的样式,一个大小为10 g(g=9.81 m/s2的近似上限值)的数值被采用(图5所示)。


图5 预载荷力被连接到支撑物上所需夹紧力的动态载荷所将降低。

在一定时间后,动态载荷(FA)的范围可能会超过连接的安全阈值,并且所需的夹紧力可能就会达不到。这说明其在使用过程中存在极大的更强的振动。而且在洗衣机延长寿命的使用过程中,这可能会导致连接的失效。

总结

当连接在设计时,必须考虑如下的标准:

◆ 高分子材料的初始蠕变值;
◆ 预期蠕变张量的最大值和在产品服务期限后期预载荷力的评估;
◆ 在不同使用温度下高分子的特征行为、相应的调整及螺纹连接条件;
◆ 螺纹连接力和高分子材料之间的关系。

用这些方面来补充VDI指南2230就显得很有价值。

统一一个特殊解决方法的决定不应该只基于一般的假设。获得高分子蠕变和松弛的绝对值而不只是相对值就很有必要。然而,这些绝对值不能完全由等式和模拟来得到。为了在螺钉上的不规则和重复性的动态热机械载荷能被检验,在实际情况下的实验工作是必需的。

然而,理论研究结果有助于减少可能的解决方案的数量并避免过多的选择参数的裕度。当实验结果和高分子部件的适当加速老化被引入到设计中时,优化的解决方案就可获得。 (end)

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