基于有限元分析的滚筒洗衣机减震器销设计方案研究

刘鹤峰 徐锐 王龑 徐杰 鲍益东

1.无锡小天鹅电器有限公司 江苏无锡 214002；2.南京航空航天大学 江苏南京 210016

0 引言

在家电制造业中，体现零部件装配难易度的可制造性评估是一个很重要的生产指标。目前常用的评估方法大多停留在人为经验判断的定性分析和通过测量等实验进行的量化分析。在产品研发初期，量化分析评估产品的可制造性尤为重要，通过有限元分析结合测量实验进行评估可以有效降低研发成本、缩短研发周期，具有较高的经济效益[1]。

滚筒洗衣机设计制造时，整机运行的振动噪声是非常重要的性能指标，直接影响消费者的用户体验。当洗衣机高速转动脱水时，内部衣物的偏心导致桶与箱体的剧烈振动，桶底部通过2～4根减震器与箱体连接，非常容易产生噪声。其中减震器销是串联减震器与箱体的重要零部件，可靠性优秀且成本低廉的设计十分关键，可以有效降低低频噪声和预防减震器松动导致减震器下部与箱体干涉噪声[2]。

在减震器销的设计中，往往将销孔设计为过盈配合，增加销孔间的接触压力，避免减震器松动，但这会导致减震器销的装配力增加[3]，所以在设计中会在减震器销中增加开口槽，降低工人的装配难度[4]。然而在实际生产中，由于减震器销的成型收缩率较高，尤其是开口槽部位，会造成销孔接触不稳，影响减震器的性能，所以开口槽的设计至关重要。

本文针对该问题，基于有限元分析进行装配过程仿真，通过多种结构设计方案的对比，研究设计参数对减震器销的性能影响[5]。在满足强度的基础上，从底座结构有堵高、平均接触压力高于现状5%以上的方案中，选择装配力峰值最小的方案，提高减震器销的性能和可制造性。

1 减震器销装配过程仿真

1.1 减震器装配件的几何模型

减震器装配件由减震器、减震器销、底座组成，如图1 a)所示。综合分析各部件的相互作用关系，在不影响仿真分析的计算精度前提下，通过3D设计软件简化减震器和底座模型并建立预装配模型，如图1 b)所示。减震器销及底座的结构尺寸如图2 a)、b)所示，其中减震器销的卡扣高度为3.0 mm，外径为12.8 mm，开口槽宽为2.0 mm。

图1 减震器装配件

图2 减震器销及底座的结构尺寸

1.2 有限元模型的建立

由于减震器销装配过程属于过盈装配，是一种典型的材料非线性、几何非线性和接触非线性三重非线性问题，本文采用Abaqus2020中Standard隐式分析模块进行减震器销的装配过程仿真分析[6]。

（1）材料参数设置

减震器装配件有多个零件构成，其中底座的材料选用热浸锌钢板（SGCC），弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.47，密度为7.87 g/cm3；减震器销的材料选用尼龙66（PA66），弹性模量为3100 MPa，泊松比为0.3，密度为1.14 g/cm3，屈服应力为58 MPa；减震器材料选用热塑性硫化橡胶（TPV），采用Mooney-Rivlin模型[7]：

其中：U为弹性应变能，C10、C01、D1是橡胶与温度相关的材料参数，分别取0.622、0.152、0，为第一、第二应变偏量不变量，J为体积变化率。

（2）边界条件设置

减震器销装配过程有限元模型的边界条件根据实际的减震器销装配过程设置，底座和减震器固定，底座下端面和减震器上端面采用完全固定约束（约束BC-1、BC-2）。减震器销水平单向运动，其端面的约束BC-3，U1、U2、UR1、UR2、UR3设置为0，U3方向施加相应的装配位移50 mm，如图3所示。

图3 边界条件约束设置

（3）网格类型设置

在有限元分析中，网格类型和尺寸直接影响计算精度和计算效率，尤其是在复杂接触问题中。本文根据部件几何形状和装配过程中接触关系进行网格划分，进行网格收敛性验证设计。

减震器销网格类型选择：

由于在接触分析模拟中，从面模型部分一般选择使用一阶单元；另外Abaqus/Standard的内部接触算法，会出现二阶单元可能发生无法确定从面节点上力的情况。本文减震器销在接触中都属于从面，所以选择一阶单元C3D4。

底座网格类型选择：

底座在接触中都属于主面，形状比较规则，为提高计算效率，选用六面体网格。C3D8R在弯曲荷载下不易发生剪切自锁现象，对位移的求解结果比较精确，网格存在扭曲变形时，分析的精度不会受到太大的影响。基于以上优点，本文底座选择六面体线性缩减积分单元C3D8R。

减震器网格类型选择：

固体橡胶材料具有非常小的可压缩性，此时单元中的压应力是不确定的，因此减震器选用杂交单元（H族）C3D4H[8]。

（4）单元网格尺寸收敛性验证

在选定网格类型的基础上，设计了6种不同网格尺寸的方案，研究不同网格尺寸的计算时间、接触压力、装配力曲线的差异。计算时间体现了仿真的计算效率，接触压力体现了过盈装配后的预紧程度，装配力曲线体现了零件的装配难易度。

不同网格尺寸的计算时间如表1所示。

表1 不同网格尺寸的计算时间

在装配过程仿真分析中，为了更好量化分析、对比不同方案的紧固性能，即接触压力，将装配完成后的减震器销与底座和减震器的接触部位划分为A、B、C三段，如图4所示，分别输出各段的平均接触压力。

图4 接触压力分析区域示意

不同网格尺寸的接触压力如表2所示。

表2 不同网格尺寸的接触压力

不同网格尺寸的位移-装配力曲线如图5所示。

图5 不同网格尺寸的位移-装配力

位移-装配力曲线不同阶段说明（下述为减震器销在图2 a)中的A卡扣、B端角）：

A-1上升段：A卡扣与底座左圆孔接触，这个阶段以A卡扣的变形为主；

B-1上升段：B端角与底座左圆孔接触，这个阶段以B端角的变形为主；

C-1平稳段：A卡扣、B端角都处于减震器圆孔区域，这个阶段A、B两处变形基本没有变化，所以装配力曲线趋于稳定；

A-2上升段：A卡扣与底座右圆孔接触，这个阶段以A卡扣的变形为主；

B-2上升段：B端角与底座右圆孔接触，这个阶段以B端角的变形为主。

由于A-1、A-2都是以A卡扣的变形为主，B-1、B-2都是以B端角的变形为主，所以上述各自两段装配力曲线变化趋势相同。通过减少B端角的变形，就可以降低整个装配过程中的最大值。

计算时间越快，越有利于大量对比实验结果的获取。虽然网格尺寸五、六计算时间小于1 h，但网格尺寸六的装配力曲线与其他差异较大，网格尺寸五、六在B段的接触压力与其他差异较大，这两个方案排除。剩余4个方案的接触压力、装配力差异较小，优选计算时间最快的网格尺寸四。

故本文中该类型结构进行网格划分时，减震器销的主要网格尺寸为1.0 mm，减震器的主要网格尺寸为0.8 mm，底板的主要网格尺寸为1.5 mm。在此基础上，对关键部位的网格进行局部加密，生成网格如图6 a)、b)所示，单元数量为156705，节点数为39979。

图6 减震器销装配过程的有限元模型

1.3 仿真精度可靠性验证

对初始设计方案的量产零件进行装配力测试，与仿真结果进行对比，提高下一步的设计参数优选工作的可靠性[9]。随机抽取量产减震器销15个，进行装配力实测，数据如表3所示（直径1为底座内孔径，直径2为减震器销外径，缝隙为开口槽宽度），峰值装配力的均值为230.8 N。

表3 量产零件装配力实测

以量产实测各参数的均值进行仿真模拟，其中卡扣高3 mm，底板直径11.9 mm，减震器销外径12.8 mm，开口槽宽2.5 mm。按1.2节中的结论，进行材料参数、边界条件、网格类型、网格尺寸的设置。仿真结果装配力曲线如图7所示，峰值装配力为218.5 N，与量产零件实测峰值装配力的均值误差为5.3%，体现较好的仿真精度。故该参数设置及分析方法在下文优化设计方案仿真的准确性，有一定的可靠性依据。

图7 仿真装配力曲线

2 设计分析方案

通过结构优化、材料改善、接触改善等方式，都可以降低装配力曲线的峰值，使实际装配的可制造性更好。但改善材料的成本高、周期长，因企业以追求更好盈利为目的，该方法的优先级较低。改善接触主要是通过接触表面润滑，减少摩擦力，降低装配力。故本文通过研究不同结构下的装配力并进行方案优选，主要原则为：在不降低强度的基础上，优选接触压力更大、装配力峰值更小的结构方案。

卡扣高过大，影响装配力、应力，但防倒退能力变高；在减震器销的底段增加堵高，如表4中堵高结构图所示，模具成型的流动性更好，收缩变小，但装配力变大；开口槽过大，装配力变小，但装配后的接触压力变小，容易松动；外径过大，接触压力变大，但装配力也随之变大[10]。

基于以上分析，在壁厚不变的前提下，改变卡扣高、堵高、开口槽、外径4个变量（如表4所示），进行结构优选仿真实验（仿真实验参数设置都基于本文第一部分的结论），其中P0为初始设计方案，P1～P9为优选设计方案。

表4 九种设计方案

3 减震器销结构参数影响分析

3.1 平均接触压力分析

由于B处是橡胶件与塑料件的接触，本文仿真结果中的4个参数的变化对B处的接触压力值影响很小，可忽略不计。主要研究参数对A、C处接触压力的影响，具体接触压力值如表5所示（位移X=48.5 mm）。

表5 不同方案的接触压力（位移X=48.5 mm）

P2的接触压力明显小于其他方案，P3的接触压力明显大于其他方案，可知开口槽宽度与减震器销外径是影响接触压力的最关键参数。对比其他方案，可知堵高对A段的接触压力影响较大。

3.2 装配力分析

（1）对比P3与其他方案

P3外径为13.0 mm，其他方案为12.8 mm，可得出结论：减震器销的外径越大，装配力越大，与工程经验相符。

（2）对比P2与其他方案

P2缝隙为2.4 mm，其他方案为2.0 mm，可得出结论：缝隙越大，装配力越小，与工程经验相符。

（3）对比P0、P1与P2～P9

堵高会增加装配力，堵高值越大，装配力峰值越大；位移在0～45 mm内，堵高对装配力几乎无影响，装配力增大主要体现在45～50 mm范围内，如图8所示。

图8 不同方案的装配力变化曲线

当减震器销的位移量X=46.5 mm时，卡扣弹出完成安装，故X在46.5～50 mm之间，都是处于完成安装的状态。本文抽取47.0 mm、48.5 mm、49.0 mm、50.0 mm共4个位置，观测装配力值，具体数据如表6所示。

表6 关键位移处的装配力值

P3在4个位移处的装配力都明显高于其他方案，说明外径是影响装配力的第一关键参数。除P3以外的其他方案，0～47 mm位移内，装配力差异较小，说明这段位移内，堵高对装配力影响较小；48.5～50.0 mm位移范围内，装配力随堵高增加，有明显增大，说明堵高在后程对装配力影响较大。

4 方案优选

在初始设计方案中，开口槽的宽度为2 mm、无堵高，由于在生产中减震器销收缩率高，导致开口槽宽度增加26.5%，具体尺寸如表3所示，接触压力相应降低。从底座结构有堵高、平均接触压力高于现状5%以上的方案（P3、P4、P5）中，选择装配力峰值最小的方案，所以优选P5：在减震器销的底座增加4 mm的堵高，模具成型的流动性更好，收缩变小，装配完成的中值48.5 mm处的装配力331.73 N，相比于初始设计方案提高41.3%，但接触压力得到了有效提高。基于以上分析，对现有产品进行变更，变更后的实物如图9所示。

图9 变更后的减震器销实物

5 结论

本文以滚筒洗衣机中减震器销的装配为例，将有限元方法应用于零件装配过程仿真，提供安装时的装配力变化曲线，对可制造性进行量化分析。

（1）针对本文特殊的应用情况，进行包括建立几何模型、前处理（材料设置、边界条件设置、收敛性设置、网格类型设置）等设置，重点验证网格尺寸收敛性。综合考虑接触压力、装配力计算精度（相对误差<5%）和计算时间效率，优选网格尺寸为尺寸四（销1.0 mm、减震器0.8 mm、底板1.5 mm）。

（2）以成本低、周期短的结构优化为主要改善方向，卡扣高、堵高、开口槽、外径4个变量为主要优化参数，在满足性能要求的基础上，降低装配力曲线的峰值，达到更好装配的目的。通过仿真分析结合实验验证，最终优选为卡扣高4.0 mm、堵高4.0 mm、开口槽2.0 mm、外径12.8 mm的方案，并进行零件实物变更验证成功。