洗衣機不平衡部件的協(xié)調共存

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 )導致一邊的材料擴界而另一邊的產(chǎn)品失效。這里以洗衣機上的一個(gè)螺紋連接的塑料混凝土作為例子來(lái)說(shuō)明如何達到可能的最好設計。

白色家電工業(yè)在尋求成本有效和可靠的制造方式。裝置本身應包含數量最少的組件。組件減少的數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(lái)，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地位。在設計階段，工程師依靠官方標準和指標、組件制造商或者材料供應商、尤其是他們自身的經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行設計。

具有時(shí)間依賴(lài)性的松弛和蠕變行為的聚合物對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者又提出了一個(gè)挑戰。松弛是由于連續應力的存在而發(fā)生的，而蠕變則是連續載荷作用的結果。諸如溫度和濕度的環(huán)境影響會(huì )加速這些現象的發(fā)生。

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

當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(wèn)題是：

◆ 在設計螺紋連接的時(shí)候，什么時(shí)候和怎樣去整合聚合物的數據;

◆ 如何估計時(shí)間依賴(lài)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 為了降低重量并節約成本和能量，洗衣機的主要部件越來(lái)越多地由高分子材料來(lái)制得。

這里作為例子使用的洗衣機有如下組件(圖1所示)：

◆ 帶支撐腿的外殼;

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

◆ 由過(guò)濾單元和帶分散單元的管路組成的配水系統;

◆ 包括泵、驅動(dòng)馬達和操作平臺的電子部件;

◆ 由減震器和彈簧組成的懸掛系統。

這些組件中的許多都是由高分子材料制成，如泵外殼、蓋子和多數的驅動(dòng)皮帶及皮帶輪。當洗衣機的高分子組件及它們之間的連接被開(kāi)發(fā)完成后，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的熱機械應力都需要被考慮到。在絕大多數情況下，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(xiāo)釘連接(如減震器)也會(huì )被采用。

而且，洗衣機的金屬桶現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。為了抵消旋轉過(guò)程中的不平衡，洗衣桶的質(zhì)量常常用混凝土配重塊來(lái)進(jìn)行增重(標題圖片所示)。這就導致了特殊載重的形成，震動(dòng)就正是其中之一。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者面臨的挑戰是去找到合適的方法來(lái)連接高分子與金屬螺釘并評估和確保洗衣機整個(gè)壽命期間的連接性能。

裝上配重塊

除了質(zhì)量計算和工藝外，指南VDI 2230還詳細描述了螺釘的載荷分布并解釋了預加載荷。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)熱機械載荷(規則和不規則振動(dòng)/載荷周期)也會(huì )存在。

因為這個(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(zhù)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數十次。使用自攻螺絲的目的是去抵消(舉例來(lái)說(shuō)，用夾緊力/預應力并去除扭矩)高分子材料的時(shí)間依賴(lài)性，在這里，所用的材料為聚丙烯(PP)。在VDI標準中，對于預載荷的重要因素改變了包括螺釘材料在內的松弛和溫度依賴(lài)性。然而，VDI標準假定部件間的連接為金屬-金屬類(lèi)型，在被嵌入后，其認為的預載荷力降低了約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(lài)性的蠕變和/或者松弛，沒(méi)有在標準中被明確地提到。此外，僅有少部分標準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)行穩定。

設計特征

該設計的成功以壓蠕變對螺釘預載荷的影響而定，因為安全的緣故，其必須在洗衣機的整個(gè)壽命周期內保持恒定。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷結合都存在的地方，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)彈簧墊圈的設計方案消除了不需要的應力松弛和由動(dòng)態(tài)載荷所引起的連接處變松現象 (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度更低的材料。作為一個(gè)經(jīng)驗規則，高分子部件的外徑應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度(旋出力或者松開(kāi)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度(松開(kāi))承受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷。

然而，這些標準沒(méi)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(kāi)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。有效預載荷力FV在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內必須不在限定值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)的預載荷力。

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