家用自动洗碗机自由卫星喷臂设计研究.pdf

技术创新/日用电器家用自动洗碗机自由卫星喷臂设计研究Study on Satellite Spray arm of Household Automatic Dishwasher张婧宜（佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司杜光辉赵通李翔熊好平佛山528311)摘要：本文介绍了自由卫星喷臂设计中主喷臂的两种运动方式及形成原因；在主喷臂接近匀速转动情况下，分析了主副喷臂旋转方向、转速比及多臂形态副喷臂对洗涤喷孔运动轨迹的影响。为了充分发挥卫星喷臂轨迹优势，避免某些特定转速比下形成稀疏轨迹，分别给出了对应不同旋转方向和多臂形态的推荐转速比范围，对自由旋转卫星喷臂设计具有一定参考意义。关键词：卫星喷臂；转速比；运动轨迹Abstract:This paper introduced two motion modes of the main spray arm in the design of free satellite spray system andthe formation reasons.Under the condition of the main spray arm rotating at a nearly uniform speed,the influences of therotation direction,rotational speed ratio and multi-arm configuration on the nozzle s trajectory were analyzed.In orderto give full play to the trajectory advantages of the satellite spray arm and avoid the formation of sparse motion tracksunder certain speed ratios,the recommended speed ratio ranges under different conditions were given respectively.Itprovided reference for the design of free satellite spray arm system.Key words:satellite spray arm;rotational speed ratio;trajectory引言目前市面上洗碗机大多采用一字型单转喷臂，如图1所示，喷孔洗涤轨迹为若干个同心圆，这些轨迹为喷孔直接喷射位置，而同心圆之间的区域，需要依靠水流的溅射、反射来清洗。相比传统单转喷臂，卫星喷臂的主副喷臂绕不同轴旋转，通过喷孔布局以及选取合适的转速比等，可加密轨迹、使喷射角度更加多样化，有利于减少洗涤死区。国内外洗碗机厂商对卫星喷臂的设计进行了大量研究，目前主要分为两个方向：一种是引人行星轮机构的卫星喷臂设计，如惠而浦采用了双副喷臂系统，其中一侧为齿轮传动，齿轮传动比为2：1，喷孔走对角线椭圆轨迹，可以更好的覆盖洗涤区域四角；BEKO采用图1 传统单转喷臂洗涤轨迹2023年9 月/Sep.202363技术创新/Technology and Innovation特殊传动比4：3，使喷孔走方形轨迹，减少四角洗涤死区2)；美的45 机齿轮喷臂，利用双侧齿轮传动，使喷孔轨迹更匹配长方形洗涤区域等3。另一种方向为无齿轮传动系统的自由卫星喷臂设计，如AEG、伊莱克斯等卫星喷臂技术。本文将重点放在自由卫星喷臂的研究设计。1自由卫星喷臂主喷臂运动方式无齿轮传动的自由旋转卫星喷臂，通过对主喷臂以及副喷臂上驱动孔的调整，可呈现两种运动方式。1.1主喷臂旋转呈现明显的周期性运动或“摇摆式”转动如图2 所示，自由旋转的卫星喷臂系统，主喷臂在转动过程中，除了受主喷臂上驱动孔反冲力产生的转矩影响，同时副喷臂上驱动孔反冲力也会对主喷臂产生一个力矩，且随着副喷臂的转动周期性变化。当副喷臂对主喷臂产生的力矩接近或者大于主喷臂喷孔产生的驱动力矩时，主喷臂会呈现出明显的周期性转速变化或者“摇摆式”转动现象，比如AEG、伊莱克斯等卫星喷臂便是采用了该种运动方式。这种主喷臂“摇摆式转动”的方案优势在于增加副喷臂喷孔轨迹的复杂性，加密喷射轨迹，避开无齿轮卫星喷臂在某些特定的转速比下可能出现的较为稀疏的轨迹。1.2主喷臂接近匀速转动另一种情况是主喷臂接近匀速转动，假使副喷臂驱动孔对副喷臂产生的XY平面方向的分力如图3 所示，Fs/131根据力的平移定理，将这几个分力平移至副喷臂转轴位置，如果XY平面方向的合力为零时，或者合力较小，则副喷臂驱动孔的反冲力对主喷臂的力矩远小于主喷臂驱动孔产生的力矩，此时副喷臂的转动对主喷臂转动产生的影响较小，主喷臂接近匀速转动，该转动状态可通过驱动孔的设计实现。但是采用该方案需特别注意，当主副喷臂均接近匀速转动时，某些特定的转速比下，可能出现较为稀疏的轨迹，背离了我们想利用卫星喷臂来加密喷射轨迹的初衷。因此，我们可以通过选择主副喷臂的旋转方向、转速比范围以及副喷臂的形态，比如双臂或者多臂来降低出现稀疏轨迹的风险。2卫星喷臂副喷臂喷孔轨迹探究以下将重点研究主副喷臂接近匀速转动时旋转方向、不同转速比、以及不同副喷臂形态对喷孔轨迹的影响。2.1主副喷臂同向转动时洗涤孔数量和转速比对喷孔轨迹的影响2.1.1单洗涤喷孔如图4所示，当主喷臂接近匀速转动且主副喷臂同向转动时，此时副喷臂上喷孔A的轨迹满足外摆线参数方程：XA=L1*sin+L2*sin(K*)YA=L1*cos+L2*cos(K*)式中：XA、Y A 一喷孔A的横纵坐标；a一主喷臂转过的角度；Mtot_max122Me+MsM(1)(2)MMtotminFsx12464日用电器/ElectricalAppliancesFxFeyl130MsMc123-M121图2 伊莱克斯卫星喷臂转矩示意图4技术创新/日用电器L1一主喷臂转轴距副喷臂转轴距离；L2一副喷臂上喷孔距副喷臂转轴距离；K一副喷臂与主喷臂转速比，取K=M/N，且M与N互质。假设洗涤区域为LL。的正方形区域，取L1=L2=0.25*LO。取不同转速比K时，喷孔A对应的轨迹曲线如下（正方形区域边长为LO）。如图5 所示有如下规律，见图5（a）（e），当K为整数时，K越大，副喷臂喷孔A轨迹越密集。当K为有理数时，K=M/N，M+N 值越大，副喷臂喷孔A走过的轨迹更加密集（M+N相等时，K值越大轨迹越密）。在实际应用过程中，由于主副喷臂均为自由转动，无齿轮连接，因此无法确定具体的转速比，但是可以通过主副喷臂驱动孔的设计调整来确定主副喷臂的转速比范围。当在副喷臂上仅设置单个洗涤孔A时（不包括副喷臂驱动孔），可取转速比K大于4，这样即便出现最差的轨迹图（e），相比单转喷臂的圆形轨迹，单个喷孔走过的路径大大加长，到达的喷射位置更多，已经具备轨迹优势。2.1.2双洗涤喷孔如图6 所示，当在副喷臂上设置两个洗涤喷孔时，需叠加喷孔B的轨迹图如图7（灰色为喷孔A的轨迹，黑色为喷孔B轨迹）。值得注意的是，当在副喷臂双侧设置喷孔A和B时，虽然对k=2、3、4、5 有加密喷射轨迹的作用，但当K喷孔AF1主喷臂(a）两个驱动孔XY平面方向分力合力为零副喷臂F2F3主喷臂（b）三个驱动孔XY平面方向分力合力为零副喷臂/F1+F1F2*F2F1F2F3XZL2L1Lo副喷臂旋转方向主喷臂旋转方向副喷臂F2主喷臂F1F3F2F3（c）三臂副喷臂三个驱动孔XY平面方向分力合力为零图3 副喷臂驱动孔XY平面方向分力合力为零的几种情况表1 不同转速比K编号abCdeK123453/25/2M+N23456图4单洗涤喷孔示意图fg7/29/257h9i11j11/213k20/1939139/1958m58/1977n77/198686/191052023年9 月/Sep.202365技术创新/Technology and Innovation(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=3/2(g)K=5/2(h)K=7/2(i)K=9/2(j)K=11/2(k)K=20/19取3/2、5/2、7/2、9/2、1 1/2 时，两个喷孔轨迹是重叠的，无加密喷射轨迹的作用。此时，推荐转速比为K大于2.5，则可能出现的最差轨迹为图7（c），而该轨迹相比单转喷臂两个喷孔走的两个同心圆轨迹相比，已经具备优势。2.1.3三臂三洗涤喷孔如图8 所示，当副喷臂形态为3 臂时，设置三个洗涤喷孔，此时喷孔轨迹图如图9（灰色曲线为喷孔A轨迹，浅灰色曲线为喷孔B轨迹，黑色曲线为喷孔C轨迹）。注意，当副喷臂形态为3 臂，夹角为1 2 0，且在其上设置3 个洗涤喷孔A、B、C时，虽然对k=2、3、4、5、5/2、7/2、9/2、1 1/2 等轨迹有加密作用，但对K取M/N，N=3时，三个喷孔轨迹是重叠的，此时无加密轨迹的作用。推荐转速比范围取K大于2，当K=7/3时，即图9（i）为可能出现的最稀疏的轨迹，但此时三个喷孔的轨迹也比单转喷臂上的三个同心圆轨迹更具优势。(1)K=39/19(m)K=58/19图5 喷孔A轨迹曲线2.2主副喷臂反向转动时洗涤孔数量和转速比对喷孔轨迹的影响2.2.1单洗涤喷孔如图1 0 所示，当主喷臂接近匀速转动且主副喷臂反(n)K=77/19L2L1Lo图6 双洗涤喷孔示意图(0)K=86/19喷孔A副喷臂旋转方向一喷孔B主喷臂旋转方向66日用电器/ElectricalAppliances技术创新/日用电器(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=3/2L2L1Lo图：三洗涤喷孔示意图(g)K=5/2喷孔A副喷臂旋转方向+喷孔B喷孔主喷臂旋转方向(h)K=7/2图7喷孔A、B 轨迹曲线向转动时，此时副喷臂上喷孔A的轨迹满足内摆线参数方程：XA=L1*sin 0-L2*sin(K*e)YA=L1*cos 0+L2*cos(K*)式中：XA、Y A 一喷孔A的横纵坐标；0一主喷臂转过的角度；L1一主喷臂转轴距副喷臂转轴距离；L2一副喷臂上喷孔距副喷臂转轴距离；K一副喷臂与主喷臂转速比，取K=M/N，且M与N(i)K=9/2(j)K=11/2(3)(4)(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=3/2(g)K=5/2(h)K=7/2图9 喷孔A、B、C轨迹曲线(i)K=7/32023年9 月/Sep.202367技术创新/Technology and Innovation互质。假设洗涤区域为LO*LO的正方形区域，取L1=L2=0.25*L0。取表中不同转速比K时，喷孔A的轨迹曲线如图1 1（正方形区域边长为LO）。如图1 1 所示有如下规律，见图1 1（a）（e），当K为整数时，K越大，副喷臂喷孔A轨迹越密集。当K为有理数时，K=M/N，M+N 值越大，副喷臂喷孔A走过的轨迹更加密集（M+N相等时，K值越大轨迹越密）。副喷臂依靠单喷孔A进行洗涤时，推荐选取转速比K大于3，这样即使出现最差轨迹，单个喷孔的轨迹不编号aK1M+N2喷孔AL2副喷臂旋转方向L1Lo图1 0单洗涤喷孔示意图表2 不同的转速比KbC2334主喷臂旋转方向de4556f3/25g5/27h7/2919/211j11/213k20/1939139/1958m58/1977(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=3/2(g)K=5/2(h)K=7/2(i)K=9/2(j)K=11/2(k)K=20/1968日用电器/ElectricalAppliances(1)K=39/19图1 1喷孔A轨迹曲线(m)K=58/19技术创新/日用电器会比图（d）更为稀疏。而且相比单转喷臂单个喷孔的圆形轨迹，卫星喷臂单喷孔走过的路径大大加长，到达的喷射位置更多，已经具有轨迹优势。2.2.2双洗涤喷孔如图1 2 所示，当主副喷臂转向相反，在副喷臂上设置两个洗涤喷孔时，需叠加喷孔B的轨迹图如图1 3（灰色为喷孔A的轨迹，黑色为喷孔B轨迹）。在副喷臂双侧设置喷孔A和B时，虽然对k=1、2、L2L1Lo图1 2 双洗涤喷孔示意图3、4、5 有加密喷射轨迹的作用，但对K取3/2、5/2、7/2、9/2、1 1/2 时，两个喷孔轨迹是重叠的，没有加密作用。推荐转速比K大于2.5，则可能出现的最差轨迹为图1 3（c），而此时轨迹相比单转喷臂两个同心圆轨迹相比，已经具有优势。2.2.3三臂三洗涤喷孔如图1 4所示，当副喷臂形态为3 臂时，设置三个洗涤喷孔，此时喷孔轨迹图如图1 5（灰色曲线为喷孔A轨迹，浅灰色曲线为喷孔B轨迹，黑色曲线为喷孔C喷孔A轨迹）。当副喷臂形态为3 臂，夹角为1 2 0，且在其上设副喷臂旋转方向置3 个洗涤喷孔A、B、C时，虽然对k=2、3、4、5、5/2、7/2、9/2、1 1/2 等有加密喷射轨迹的作用，但对K取M/N，N=3 时，三个喷孔轨迹是重叠的，没有加密作用。推荐转速比范围K大于2，取K=7/3时，轨迹是最稀疏的，喷孔B但此时三个喷孔的轨迹相比单转喷臂上的3 个同心圆具主喷臂旋转方向有轨迹优势。以上为副喷臂洗涤喷孔轨迹，再叠加驱动孔，以及主喷臂上喷孔的轨迹，方构成完整的洗涤轨迹。当然在喷臂的实际运行情况中，主副喷臂转速受各零件的配合间隙的影响，同时也受洗碗机洗涤过程中的水温、洗涤剂、污染物状态等影响，出现并维持某个固定转速比的(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=3/2(g)K=5/2(h)K=7/2图1 3喷孔A、B 轨迹曲线(i)K=9/2(j)K=11/22023年9 月/Sep.202369技术创新/Technology and Innovation喷孔AL2副喷臂旋转方向L1喷孔BLo喷孔臂设计，介绍了主喷臂周期性摇摆式转动和接近匀速转动两种状态；分析了当主喷臂接近匀速转动情况下，旋转方向、转速比及多臂形态副喷臂对喷孔轨迹的影响，并分别给出了在同向转动和反向转动时，对应不同喷臂形态的推荐转速比，避开某些特定转速比下的稀疏轨迹，充分发挥卫星喷臂的轨迹优势，对自由旋转卫星喷臂设主喷臂旋转方向计具有一定指导意义。图1 4三洗涤喷孔示意图(a)K=1(b)K=2(c)K=3(d)K=4(e)K=5(f)K=7/2(g)K=7/3图1 5喷孔A、B、C轨迹曲线(h)K=10/3概率极低，且喷臂每次启停时，初始位置都会发生改变，参考文献：所以即便维持了某个固定转速比，出现了较稀疏的轨迹，但这些轨迹也会随着洗涤泵每次启停旋转一定角度，因此出现大片洗涤死区的概率较低。本文针对不同转向、不同副喷臂形态提出了推荐转速比范围，在喷臂驱动孔设计中参考以上转速比范围，可以进一步降低出现稀疏轨迹的概率。3结论本文主要研究了无齿轮传动系统的自由旋转卫星喷1 KL Becker,N J Ferragut,J R Fountain,J D Gephart.Dishwasher with Controlled Rotation of Lower Spray Arm:Us,20140069462A1P.Mar13,2014.2 J C Boyer,K E Durham,C Curtis.Spray Arm Assembly forDishwasher Appliance:Us,9635994B2 P.May2,2017.3黎铭峰.实现长方形高覆盖的洗碗机喷臂探究J.家电科技，2017(1):68-70.4 A Haegermarck,N Olson,S Forster,Wash Arm Arrangementfora Dishwasher:EP2584951B1 P.Dec29,2011.作者简介：张婧宜，中级工程师，主要研究方向：洗碗机喷淋系统设计以及洗涤时序研究。70日用电器/ElectricalAppliances