家用自動(dòng)洗碗機(jī)自由衛(wèi)星噴臂設(shè)計(jì)研究

張婧宜 杜光輝 趙 通 李 翔 熊好平

（佛山市順德區(qū)美的洗滌電器制造有限公司 佛山 528311）

引言

目前市面上洗碗機(jī)大多采用一字型單轉(zhuǎn)噴臂，如圖1 所示，噴孔洗滌軌跡為若干個(gè)同心圓，這些軌跡為噴孔直接噴射位置，而同心圓之間的區(qū)域，需要依靠水流的濺射、反射來清洗。相比傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)噴臂，衛(wèi)星噴臂的主副噴臂繞不同軸旋轉(zhuǎn)，通過噴孔布局以及選取合適的轉(zhuǎn)速比等，可加密軌跡、使噴射角度更加多樣化，有利于減少洗滌死區(qū)。

圖1 傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)噴臂洗滌軌跡

國(guó)內(nèi)外洗碗機(jī)廠商對(duì)衛(wèi)星噴臂的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，目前主要分為兩個(gè)方向：一種是引入行星輪機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星噴臂設(shè)計(jì)，如惠而浦采用了雙副噴臂系統(tǒng)，其中一側(cè)為齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)比為2 ∶1， 噴孔走對(duì)角線橢圓軌跡，可以更好的覆蓋洗滌區(qū)域四角[1]；BEKO 采用特殊傳動(dòng)比4 ∶3，使噴孔走方形軌跡，減少四角洗滌死區(qū)[2]；美的45 機(jī)齒輪噴臂，利用雙側(cè)齒輪傳動(dòng)，使噴孔軌跡更匹配長(zhǎng)方形洗滌區(qū)域等[3]。另一種方向?yàn)闊o齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的自由衛(wèi)星噴臂設(shè)計(jì)，如AEG、伊萊克斯等衛(wèi)星噴臂技術(shù)。本文將重點(diǎn)放在自由衛(wèi)星噴臂的研究設(shè)計(jì)。

1 自由衛(wèi)星噴臂主噴臂運(yùn)動(dòng)方式

無齒輪傳動(dòng)的自由旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星噴臂，通過對(duì)主噴臂以及副噴臂上驅(qū)動(dòng)孔的調(diào)整，可呈現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式。

1.1 主噴臂旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)明顯的周期性運(yùn)動(dòng)或“搖擺式”轉(zhuǎn)動(dòng)

如圖2 所示，自由旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星噴臂系統(tǒng)，主噴臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，除了受主噴臂上驅(qū)動(dòng)孔反沖力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響，同時(shí)副噴臂上驅(qū)動(dòng)孔反沖力也會(huì)對(duì)主噴臂產(chǎn)生一個(gè)力矩，且隨著副噴臂的轉(zhuǎn)動(dòng)周期性變化。當(dāng)副噴臂對(duì)主噴臂產(chǎn)生的力矩接近或者大于主噴臂噴孔產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，主噴臂會(huì)呈現(xiàn)出明顯的周期性轉(zhuǎn)速變化或者“搖擺式”轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，比如AEG、伊萊克斯等衛(wèi)星噴臂便是采用了該種運(yùn)動(dòng)方式。這種主噴臂“搖擺式轉(zhuǎn)動(dòng)”的方案優(yōu)勢(shì)在于增加副噴臂噴孔軌跡的復(fù)雜性，加密噴射軌跡，避開無齒輪衛(wèi)星噴臂在某些特定的轉(zhuǎn)速比下可能出現(xiàn)的較為稀疏的軌跡。

圖2 伊萊克斯衛(wèi)星噴臂轉(zhuǎn)矩示意圖[4]

1.2 主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)

另一種情況是主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，假使副噴臂驅(qū)動(dòng)孔對(duì)副噴臂產(chǎn)生的XY 平面方向的分力如圖3 所示，根據(jù)力的平移定理，將這幾個(gè)分力平移至副噴臂轉(zhuǎn)軸位置，如果XY 平面方向的合力為零時(shí)，或者合力較小，則副噴臂驅(qū)動(dòng)孔的反沖力對(duì)主噴臂的力矩遠(yuǎn)小于主噴臂驅(qū)動(dòng)孔產(chǎn)生的力矩，此時(shí)副噴臂的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)主噴臂轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的影響較小，主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)可通過驅(qū)動(dòng)孔的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。但是采用該方案需特別注意，當(dāng)主副噴臂均接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，某些特定的轉(zhuǎn)速比下，可能出現(xiàn)較為稀疏的軌跡，背離了我們想利用衛(wèi)星噴臂來加密噴射軌跡的初衷。因此，我們可以通過選擇主副噴臂的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速比范圍以及副噴臂的形態(tài)，比如雙臂或者多臂來降低出現(xiàn)稀疏軌跡的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 副噴臂驅(qū)動(dòng)孔XY 平面方向分力合力為零的幾種情況

2 衛(wèi)星噴臂副噴臂噴孔軌跡探究

以下將重點(diǎn)研究主副噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)方向、不同轉(zhuǎn)速比、以及不同副噴臂形態(tài)對(duì)噴孔軌跡的影響。

2.1 主副噴臂同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)洗滌孔數(shù)量和轉(zhuǎn)速比對(duì)噴孔軌跡的影響

2.1.1 單洗滌噴孔

如圖4 所示，當(dāng)主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)且主副噴臂同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)副噴臂上噴孔A 的軌跡滿足外擺線參數(shù)方程：

圖4 單洗滌噴孔示意圖

式中：

XA、YA—噴孔A 的橫縱坐標(biāo)；

θ—主噴臂轉(zhuǎn)過的角度；

L1—主噴臂轉(zhuǎn)軸距副噴臂轉(zhuǎn)軸距離；

L2—副噴臂上噴孔距副噴臂轉(zhuǎn)軸距離；

K—副噴臂與主噴臂轉(zhuǎn)速比，取K=M/N，且M 與N互質(zhì)。

假設(shè)洗滌區(qū)域?yàn)長(zhǎng)0*L0的正方形區(qū)域， 取L1=L2=0.25*L0。

取不同轉(zhuǎn)速比K 時(shí)，噴孔A 對(duì)應(yīng)的軌跡曲線如下（正方形區(qū)域邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0）。

如圖5 所示有如下規(guī)律，見圖5（a）～（e），當(dāng)K為整數(shù)時(shí)，K 越大，副噴臂噴孔A 軌跡越密集。當(dāng)K 為有理數(shù)時(shí)，K=M/N，M+N 值越大，副噴臂噴孔A 走過的軌跡更加密集（M+N 相等時(shí)，K 值越大軌跡越密）。

圖5 噴孔A 軌跡曲線

在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于主副噴臂均為自由轉(zhuǎn)動(dòng)，無齒輪連接，因此無法確定具體的轉(zhuǎn)速比，但是可以通過主副噴臂驅(qū)動(dòng)孔的設(shè)計(jì)調(diào)整來確定主副噴臂的轉(zhuǎn)速比范圍。當(dāng)在副噴臂上僅設(shè)置單個(gè)洗滌孔A 時(shí)（不包括副噴臂驅(qū)動(dòng)孔），可取轉(zhuǎn)速比K 大于4，這樣即便出現(xiàn)最差的軌跡圖（e），相比單轉(zhuǎn)噴臂的圓形軌跡，單個(gè)噴孔走過的路徑大大加長(zhǎng)，到達(dá)的噴射位置更多，已經(jīng)具備軌跡優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 雙洗滌噴孔

如圖6 所示，當(dāng)在副噴臂上設(shè)置兩個(gè)洗滌噴孔時(shí)，需疊加噴孔B 的軌跡圖如圖7（灰色為噴孔A 的軌跡，黑色為噴孔B 軌跡）。

值得注意的是，當(dāng)在副噴臂雙側(cè)設(shè)置噴孔A 和B 時(shí)，雖然對(duì)k=2、3、4、5 有加密噴射軌跡的作用，但當(dāng)K取3/2、5/2、7/2、9/2、11/2 時(shí)，兩個(gè)噴孔軌跡是重疊的，無加密噴射軌跡的作用。此時(shí)，推薦轉(zhuǎn)速比為K 大于2.5，則可能出現(xiàn)的最差軌跡為圖7（c），而該軌跡相比單轉(zhuǎn)噴臂兩個(gè)噴孔走的兩個(gè)同心圓軌跡相比，已經(jīng)具備優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 三臂三洗滌噴孔

如圖8 所示，當(dāng)副噴臂形態(tài)為3 臂時(shí)，設(shè)置三個(gè)洗滌噴孔，此時(shí)噴孔軌跡圖如圖9（灰色曲線為噴孔A軌跡，淺灰色曲線為噴孔B 軌跡，黑色曲線為噴孔C軌跡）。

圖8 三洗滌噴孔示意圖

注意，當(dāng)副噴臂形態(tài)為3 臂，夾角為120 °，且在其上設(shè)置3 個(gè)洗滌噴孔A、B、C 時(shí)，雖然對(duì)k=2、3、4、5、5/2、7/2、9/2、11/2 等軌跡有加密作用，但對(duì)K 取M/N，N=3 時(shí)，三個(gè)噴孔軌跡是重疊的，此時(shí)無加密軌跡的作用。推薦轉(zhuǎn)速比范圍取K 大于2，當(dāng)K=7/3 時(shí)，即圖9（i）為可能出現(xiàn)的最稀疏的軌跡，但此時(shí)三個(gè)噴孔的軌跡也比單轉(zhuǎn)噴臂上的三個(gè)同心圓軌跡更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 主副噴臂反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)洗滌孔數(shù)量和轉(zhuǎn)速比對(duì)噴孔軌跡的影響

2.2.1 單洗滌噴孔

如圖10 所示，當(dāng)主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)且主副噴臂反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)副噴臂上噴孔A 的軌跡滿足內(nèi)擺線參數(shù)方程：

圖10 單洗滌噴孔示意圖

式中：

XA、YA—噴孔A 的橫縱坐標(biāo)；

θ—主噴臂轉(zhuǎn)過的角度；

L1—主噴臂轉(zhuǎn)軸距副噴臂轉(zhuǎn)軸距離；

L2—副噴臂上噴孔距副噴臂轉(zhuǎn)軸距離；

K—副噴臂與主噴臂轉(zhuǎn)速比，取K=M/N，且M 與N互質(zhì)。

假設(shè)洗滌區(qū)域?yàn)長(zhǎng)0*L0 的正方形區(qū)域， 取L1=L2=0.25*L0。

取表中不同轉(zhuǎn)速比K 時(shí)，噴孔A 的軌跡曲線如圖11（正方形區(qū)域邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0）。

圖11 噴孔A 軌跡曲線

如圖11 所示有如下規(guī)律，見圖11（a）～（e），當(dāng)K 為整數(shù)時(shí)，K 越大，副噴臂噴孔A 軌跡越密集。當(dāng)K 為有理數(shù)時(shí)，K=M/N，M+N 值越大，副噴臂噴孔A 走過的軌跡更加密集（M+N 相等時(shí)，K 值越大軌跡越密）。

表2 不同的轉(zhuǎn)速比K

副噴臂依靠單噴孔A 進(jìn)行洗滌時(shí)，推薦選取轉(zhuǎn)速比K 大于3，這樣即使出現(xiàn)最差軌跡，單個(gè)噴孔的軌跡不會(huì)比圖（d）更為稀疏。而且相比單轉(zhuǎn)噴臂單個(gè)噴孔的圓形軌跡，衛(wèi)星噴臂單噴孔走過的路徑大大加長(zhǎng)，到達(dá)的噴射位置更多，已經(jīng)具有軌跡優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 雙洗滌噴孔

如圖12 所示，當(dāng)主副噴臂轉(zhuǎn)向相反，在副噴臂上設(shè)置兩個(gè)洗滌噴孔時(shí)，需疊加噴孔B 的軌跡圖如圖13（灰色為噴孔A 的軌跡，黑色為噴孔B 軌跡）。

圖12 雙洗滌噴孔示意圖

圖13 噴孔A、B 軌跡曲線

在副噴臂雙側(cè)設(shè)置噴孔A 和B 時(shí)，雖然對(duì)k=1、2、3、4、5 有加密噴射軌跡的作用，但對(duì)K 取3/2、5/2、7/2、9/2、11/2 時(shí)，兩個(gè)噴孔軌跡是重疊的，沒有加密作用。推薦轉(zhuǎn)速比K 大于2.5，則可能出現(xiàn)的最差軌跡為圖13（c），而此時(shí)軌跡相比單轉(zhuǎn)噴臂兩個(gè)同心圓軌跡相比，已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 三臂三洗滌噴孔

如圖14 所示，當(dāng)副噴臂形態(tài)為3 臂時(shí)，設(shè)置三個(gè)洗滌噴孔，此時(shí)噴孔軌跡圖如圖15（灰色曲線為噴孔A 軌跡，淺灰色曲線為噴孔B 軌跡，黑色曲線為噴孔C軌跡）。

圖14 三洗滌噴孔示意圖

當(dāng)副噴臂形態(tài)為3 臂，夾角為120°，且在其上設(shè)置3 個(gè)洗滌噴孔A、B、C 時(shí)，雖然對(duì)k=2、3、4、5、5/2、7/2、9/2、11/2 等有加密噴射軌跡的作用，但對(duì)K取M/N， N=3 時(shí)，三個(gè)噴孔軌跡是重疊的，沒有加密作用。推薦轉(zhuǎn)速比范圍K 大于2，取K=7/3 時(shí)，軌跡是最稀疏的，但此時(shí)三個(gè)噴孔的軌跡相比單轉(zhuǎn)噴臂上的3 個(gè)同心圓具有軌跡優(yōu)勢(shì)。

以上為副噴臂洗滌噴孔軌跡，再疊加驅(qū)動(dòng)孔，以及主噴臂上噴孔的軌跡，方構(gòu)成完整的洗滌軌跡。當(dāng)然在噴臂的實(shí)際運(yùn)行情況中，主副噴臂轉(zhuǎn)速受各零件的配合間隙的影響，同時(shí)也受洗碗機(jī)洗滌過程中的水溫、洗滌劑、污染物狀態(tài)等影響，出現(xiàn)并維持某個(gè)固定轉(zhuǎn)速比的臂設(shè)計(jì)，介紹了主噴臂周期性搖擺式轉(zhuǎn)動(dòng)和接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)兩種狀態(tài)；分析了當(dāng)主噴臂接近勻速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速比及多臂形態(tài)副噴臂對(duì)噴孔軌跡的影響，并分別給出了在同向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)不同噴臂形態(tài)的推薦轉(zhuǎn)速比，避開某些特定轉(zhuǎn)速比下的稀疏軌跡，充分發(fā)揮衛(wèi)星噴臂的軌跡優(yōu)勢(shì)，對(duì)自由旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星噴臂設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。概率極低，且噴臂每次啟停時(shí)，初始位置都會(huì)發(fā)生改變，所以即便維持了某個(gè)固定轉(zhuǎn)速比，出現(xiàn)了較稀疏的軌跡，但這些軌跡也會(huì)隨著洗滌泵每次啟停旋轉(zhuǎn)一定角度，因此出現(xiàn)大片洗滌死區(qū)的概率較低。本文針對(duì)不同轉(zhuǎn)向、不同副噴臂形態(tài)提出了推薦轉(zhuǎn)速比范圍，在噴臂驅(qū)動(dòng)孔設(shè)計(jì)中參考以上轉(zhuǎn)速比范圍，可以進(jìn)一步降低出現(xiàn)稀疏軌跡的概率。

3 結(jié)論

本文主要研究了無齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的自由旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星噴