洗衣機(jī)不平衡部件的協(xié)調(diào)共存

塑料的老化和蠕變有利于其與其它材料的連接。這可能會(huì)導(dǎo)致一邊的材料擴(kuò)界而另一邊的產(chǎn)品失效。這里以洗衣機(jī)上的一個(gè)螺紋連接的塑料混凝土作為例子來說明如何達(dá)到可能的最好設(shè)計(jì)。

白色家電工業(yè)在尋求成本有效和可靠的制造方式。裝置本身應(yīng)包含數(shù)量最少的組件。組件減少的數(shù)量與連接它們的部分有密切關(guān)系，并進(jìn)而影響其使用壽命。

最近十年來，在加工技術(shù)方面的不斷提高已經(jīng)使得聚合物的使用不斷增加。產(chǎn)品工程師的一個(gè)主要任務(wù)就是找到一個(gè)連接聚合物組件或者聚合物組件與金屬組件的可靠方法。最常用的為螺紋連接和卡扣連接，其中前種方式居于主導(dǎo)地位。在設(shè)計(jì)階段，工程師依靠官方標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)、組件制造商或者材料供應(yīng)商、尤其是他們自身的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

具有時(shí)間依賴性的松弛和蠕變行為的聚合物對(duì)產(chǎn)品開發(fā)者又提出了一個(gè)挑戰(zhàn)。松弛是由于連續(xù)應(yīng)力的存在而發(fā)生的，而蠕變則是連續(xù)載荷作用的結(jié)果。諸如溫度和濕度的環(huán)境影響會(huì)加速這些現(xiàn)象的發(fā)生。

這臺(tái)洗衣機(jī)包含一個(gè)配重塊, 它通過3個(gè)螺釘被裝配到高分子洗衣桶上。

當(dāng)考慮聚合物和與之相配合的組件時(shí)，工程師必須自己解決的問題是：

◆ 在設(shè)計(jì)螺紋連接的時(shí)候，什么時(shí)候和怎樣去整合聚合物的數(shù)據(jù);

◆ 如何估計(jì)時(shí)間依賴性和耐久性以確保螺紋連接的安全。

在家用電器領(lǐng)域的連接技術(shù)

圖1 為了降低重量并節(jié)約成本和能量，洗衣機(jī)的主要部件越來越多地由高分子材料來制得。

這里作為例子使用的洗衣機(jī)有如下組件(圖1所示)：

◆ 帶支撐腿的外殼;

◆ 包含桶、套桶、混凝土配重塊(cconcrete ounterweights)、皮帶輪和驅(qū)動(dòng)帶;

◆ 由過濾單元和帶分散單元的管路組成的配水系統(tǒng);

◆ 包括泵、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和操作平臺(tái)的電子部件;

◆ 由減震器和彈簧組成的懸掛系統(tǒng)。

這些組件中的許多都是由高分子材料制成，如泵外殼、蓋子和多數(shù)的驅(qū)動(dòng)皮帶及皮帶輪。當(dāng)洗衣機(jī)的高分子組件及它們之間的連接被開發(fā)完成后，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的熱機(jī)械應(yīng)力都需要被考慮到。在絕大多數(shù)情況下，螺紋連接的方式會(huì)被采用，但卡扣連接(如在蓋子處的連接)和銷釘連接(如減震器)也會(huì)被采用。

而且，洗衣機(jī)的金屬桶現(xiàn)在也是由高分子材料制得。另一方面，螺紋連接為主要采用的連接方式。洗衣桶中最重要的連接為其與混凝土配重塊之間的連接。為了抵消旋轉(zhuǎn)過程中的不平衡，洗衣桶的質(zhì)量常常用混凝土配重塊來進(jìn)行增重(標(biāo)題圖片所示)。這就導(dǎo)致了特殊載重的形成，震動(dòng)就正是其中之一。產(chǎn)品開發(fā)者面臨的挑戰(zhàn)是去找到合適的方法來連接高分子與金屬螺釘并評(píng)估和確保洗衣機(jī)整個(gè)壽命期間的連接性能。

裝上配重塊

除了質(zhì)量計(jì)算和工藝外，指南VDI 2230還詳細(xì)描述了螺釘?shù)妮d荷分布并解釋了預(yù)加載荷。這樣的定尺寸方法通?；陟o載荷而得到。但在實(shí)際情況下，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械載荷(規(guī)則和不規(guī)則振動(dòng)/載荷周期)也會(huì)存在。

因?yàn)檫@個(gè)原因，自攻螺絲通常被用于將上下配重塊連接到洗衣桶上。這顯著縮短了部件的模塑時(shí)間并降低了組裝成本。這些措施使得連接件能承受高的載荷，并且其能在連接件質(zhì)量不降低的情況下被組裝和拆卸達(dá)數(shù)十次。使用自攻螺絲的目的是去抵消(舉例來說，用夾緊力/預(yù)應(yīng)力并去除扭矩)高分子材料的時(shí)間依賴性，在這里，所用的材料為聚丙烯(PP)。在VDI標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于預(yù)載荷的重要因素改變了包括螺釘材料在內(nèi)的松弛和溫度依賴性。然而，VDI標(biāo)準(zhǔn)假定部件間的連接為金屬-金屬類型，在被嵌入后，其認(rèn)為的預(yù)載荷力降低了約10%并且大約80%的最小載荷或者0.2%的彈性極限應(yīng)力保留在屈服點(diǎn)。聚合物的主要特征(螺紋連接的輪轂材料) — 具有時(shí)間依賴性的蠕變和/或者松弛，沒有在標(biāo)準(zhǔn)中被明確地提到。此外，僅有少部分標(biāo)準(zhǔn)適于室溫下夾緊部件的主要材料(所謂的接觸面的嵌入，熱膨脹)。高分子材料制造商因而推薦用螺紋連接高分子部件期間第100個(gè)小時(shí)作為一個(gè)周期，在此期間其自身進(jìn)行穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)特征

該設(shè)計(jì)的成功以壓蠕變對(duì)螺釘預(yù)載荷的影響而定，因?yàn)榘踩木壒?，其必須在洗衣機(jī)的整個(gè)壽命周期內(nèi)保持恒定。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷結(jié)合都存在的地方，部件的壽命基于高分子材料的疲勞極限。

為了消除在高分子材料上的載荷，在螺釘頭和墊圈之間為夾緊提供額外(圓形)彈簧墊圈的設(shè)計(jì)方案消除了不需要的應(yīng)力松弛和由動(dòng)態(tài)載荷所引起的連接處變松現(xiàn)象 (圖2所示)。高分子材料制得的洗衣桶連接點(diǎn)處的壁厚必須能在材料被連接時(shí)，有效防止螺釘破壞強(qiáng)度更低的材料。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，高分子部件的外徑應(yīng)該至少是螺釘名義直徑的兩倍。除此之外，穿刺深度和孔直徑必須正比于螺紋連接件的強(qiáng)度(旋出力或者松開扭矩)。

圖2 洗衣桶和配重塊之間的螺紋連接必須在不損失強(qiáng)度(松開)承受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。

然而，這些標(biāo)準(zhǔn)沒有完全反映高分子及其與金屬連接的行為。

這樣的螺紋連接(裝配力FM不再存在)的松開幾率被由于高分子降解并因此將夾緊件包埋住的量FZ所降低。有效預(yù)載荷力FV在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內(nèi)必須不在限定值FV, erf之下 (圖3所示)。

圖3 通用夾緊力圖能用于讀出產(chǎn)品組裝和使用時(shí)的預(yù)載荷力。

最大螺旋力(FS, max)取決于螺釘和其彈性性能。然而，預(yù)期載荷FA依賴于螺釘和夾緊部件。臨界力之比由伸張量計(jì)算得到，其依次依賴于所用材料的硬度。除了所謂的100小時(shí)穩(wěn)定時(shí)間外，制造商也推薦采用自動(dòng)和扭矩感應(yīng)的組裝過程。

蠕變和松弛

高分子材料的時(shí)間依賴行為后來也被納入到實(shí)驗(yàn)估算的范圍內(nèi)。一條實(shí)驗(yàn)總曲線描述了蠕變隨時(shí)間t變化的情況。該曲線本身是由在相同時(shí)間范疇內(nèi)的不同溫度下的不同模量曲線并結(jié)合位移因子aT(圖4所示)而得到的經(jīng)驗(yàn)公式。合成蠕變張量J (t)提供了關(guān)于預(yù)載荷衰減和產(chǎn)品使用期內(nèi)連接處松開，和在計(jì)算開始階段忽略的溫度信息。此外，也有可能由此來推斷產(chǎn)品的壽命[例如，aT = J(now) / J(10a)]。

圖4 J(t)的總曲線由模量曲線得到并通過位移因子aT而被關(guān)聯(lián)到在T0時(shí)的曲線。

另一方面，高分子材料所承受的蠕變也能通過用于粘彈性的通用公式來進(jìn)行描述：

式中，Jg(穩(wěn)定時(shí)間)為在平衡狀態(tài)下的蠕變，其由連接物的連接和初始嵌入而產(chǎn)生。由于恒定的載荷的作用，蠕變張量的值總是在增加。在當(dāng)前情況下，桶在各個(gè)方向上以一定加速度(由于離心力的作用而產(chǎn)生)振動(dòng)。加速度的值依賴于洗衣機(jī)的樣式，一個(gè)大小為10 g(g=9.81 m/s2的近似上限值)的數(shù)值被采用(圖5所示)。

圖5 預(yù)載荷力被連接到支撐物上所需夾緊力的動(dòng)態(tài)載荷所將降低。

在一定時(shí)間后，動(dòng)態(tài)載荷(FA)的范圍可能會(huì)超過連接的安全閾值，并且所需的夾緊力可能就會(huì)達(dá)不到。這說明其在使用過程中存在極大的更強(qiáng)的振動(dòng)。而且在洗衣機(jī)延長壽命的使用過程中，這可能會(huì)導(dǎo)致連接的失效。

總結(jié)

當(dāng)連接在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮如下的標(biāo)準(zhǔn)：

◆ 高分子材料的初始蠕變值;

◆ 預(yù)期蠕變張量的最大值和在產(chǎn)品服務(wù)期限后期預(yù)載荷力的評(píng)估;

◆ 在不同使用溫度下高分子的特征行為、相應(yīng)的調(diào)整及螺紋連接條件;

◆ 螺紋連接力和高分子材料之間的關(guān)系。

用這些方面來補(bǔ)充VDI指南2230就顯得很有價(jià)值。

統(tǒng)一一個(gè)特殊解決方法的決定不應(yīng)該只基于一般的假設(shè)。獲得高分子蠕變和松弛的絕對(duì)值而不只是相對(duì)值就很有必要。然而，這些絕對(duì)值不能完全由等式和模擬來得到。為了在螺釘上的不規(guī)則和重復(fù)性的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械載荷能被檢驗(yàn)，在實(shí)際情況下的實(shí)驗(yàn)工作是必需的。

然而，理論研究結(jié)果有助于減少可能的解決方案的數(shù)量并避免過多的選擇參數(shù)的裕度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和高分子部件的適當(dāng)加速老化被引入到設(shè)計(jì)中時(shí)，優(yōu)化的解決方案就可獲得。