洗衣机自动升降脚轮移动技术的研究及应用

论文价值的评定意见：

论文针对洗衣机底部打扫和自动安全移动问题，结合机洗衣机底部卫生及适老性需求，开发了一种操作简单、使用方便的洗衣机移动解决方案，研发了一种升降移动装置。进行了结构设计、强度计算、电机力矩计算、可靠性分析等工作，结合仿真模拟及大量可靠性试验验证和用户体验，实现了洗衣机智能自动升降的功能，这对于家电产品的功能具有很好的创新意义。

赵志强1 许升1,2 吕佩师1 黄本财3

1.青岛海尔洗衣机有限公司

2.数字化家电国家重点实验室

3.青岛海尔滚筒洗衣机有限公司

摘要

Abstract

洗衣机具有自动升降脚轮移动功能，对于打扫洗衣机底部卫生，安全便捷移动洗衣机以及产品的适老性具有重要意义。基于为用户提供一种操作简单、使用方便、耐用可靠的洗衣机移动解决方案的目标，研发出了一种自动升降脚轮移动装置。该装置设计了一套移动洗衣机的脚轮，通过对脚轮运行轨迹精密模拟及受力大小的分析、电机力矩理论计算、仿真模拟、大量可靠性试验验证以及用户体验，创新设计了有电机齿轮变速传动、点动控制到位、杠杆传动升降、万向轮移动的洗衣机，可以通过自动升降脚轮方便地移动洗衣机，解决了滚筒洗衣机机器重、不容易搬运的行业难题，提高了洗衣机产品的适老性。

关键词

Keywords

洗衣机；电机；升降；移动脚轮

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.02.020

0 引言

因为长期接触地面，洗衣机底部很容易成为灰尘、毛发藏匿的“大本营”。而一些位于洗手间的洗衣机，长期与含酸碱物质的洗浴用品和潮湿空气接触，更容易造成底盘生锈腐蚀，降低使用寿命。因为洗衣机工作时需高速运转，而增加脚轮会降低洗衣机稳定性，从而产生振动强、晃动大等问题，洗衣机行业内一直都是底脚接触地面，无法直接安装轮子。要想清洗底部，就得挪动洗衣机，但一台滚筒洗衣机重约70 110 kg，成年男性无法轻松移动；同时，中国己经进入了人口老龄化国家的行列[1]，根据第七次人口普查数据显示，截至2020年11月，我国60岁及以上人口达2.64亿，占总人口比重的18.7%[2]，对老年人而言移动洗衣机更加困难。目前洗衣机的便捷移动问题亟需改进解决，除了通过降低洗衣机自身重量外，研发制造高效可靠的具有自动移动功能的洗衣机产品是解决上述问题的技术方向。

如何实现便捷移动洗衣机长期以来是科研人员以及各个企业的研究课题。张钧德[3]为了使全自动洗衣机便于移动，提出了一种减振支脚与伸缩万向轮并用的结构，避免了将支脚直接改成万向轮在脱水时出现的爬行现象，但存在伸缩万向轮压入及锁定繁琐的问题。王叙圣[4]在洗衣机的底托下安装一滚轮，并使滚轮的最低点高于机脚最低点，并在箱体后侧安装一手柄，当需要移动时，握住手柄，使洗衣机倾斜一角度实现滚轮接触地面，用户即可推动或拉动洗衣机移动位置，但是此方案存在支撑底脚需要内移使振动增加，用户手工倾斜洗衣机存在完全倾倒，导致机器受损甚至存在用户人身危险等问题。森智宏（MORI, Tomohiro）[5]等提出一种洗衣机装配架，用户将洗衣机底座与所述装配架嵌合后，用脚踩踏装配架的脚踏面，实现洗衣机向用户倾斜，洗衣机悬空，而装配架上具脚轮，进而能够容易地移动洗衣机，但是存在操作繁琐且踩踏洗衣机倾斜可能导致洗衣机翻倒等危险问题。为解决洗衣机移动问题，许多科研工作者均提出了一种洗衣机脚轮底座[6-10]，其有支撑底脚用来支撑洗衣机，也有可以手工旋转出来的轮子用来移动，目前该方案上市的脚轮底座品牌、材质各异，工艺、效果也参差不齐，使用时很容易出现承重差、晃动大，甚至坠机等安全隐患。

一方面，上述研究均需要手工操控来实现洗衣机移动，过程比较复杂且可靠性差；另一方面基于适老性也需要自动化移动，对消费者而言，智能洗衣机同样具备现实意义[11]。针对用户痛点和行业发展趋势，本文提出了一种自动升降移动洗衣机的脚轮，通过对洗衣机脚轮轨迹分析及用户模拟测试，确定了前升降定向轮，后升降万向轮；针对升降脚轮各个部件进行了仿真模拟和结构强度解析，确定了设计方案及部件的强度满足要求；根据升降洗衣机的重量，通过力矩理论分析，确定了电机力矩；并对此模块单独制定了可靠性试验标准及试验验证。本方案创新设计的自动升降脚轮技术，彻底解决了困扰洗衣机行业的机器重，不容易搬运、移动的难题，解决了用户痛点，技术成熟可靠，并获得产业化，得到用户广泛好评。

1 自动升降脚轮移动技术结构原理

1.1 结构原理

基于现有洗衣机行业内的洗衣机产品的重量调研，本文提出的洗衣机自动升降脚轮移动技术设计提升洗衣机重量目标设定为110 kg。

首先对脚轮运行轨迹精密模拟及推拉力大小进行分析，对洗衣机升降的4个脚轮施行了四种安装方案，包括：前面和后面两个轮子均为万向轮；前面和后面两个轮子均为定向轮；前面两个轮子为万向轮，后面两个轮子为定向轮；前面两个轮子为定向轮，后面两个轮子为万向轮；并进行了大量用户使用模拟，通过对脚轮运行轨迹及用户推拉力大小分析，发现洗衣机采用前面两个轮子为定向轮，后面两个轮子为万向轮，用户往前外拉以及往后推，洗衣机的方向控制、拖拉力以及操作体验最佳。

本文提出的洗衣机自动升降脚轮移动技术结构工作原理如图1、图2所示。电机经减速器带动杠杆机构运动，驱动脚轮伸出及缩回。洗衣机底部前后各安装一套升降机构，升降机构固定在下角板上，前升降机构用定向轮，后升降机构用万向轮，可以适用于滚筒以及波轮洗衣机。

图1 具有自动升降脚轮移动技术的洗衣机的透视示意图

图2 自动升降脚轮移动模块立体示意图

本文提出的洗衣机自动升降脚轮移动技术模块的实物图如图3所示。自动升降脚轮移动单个模块通过电机实现脚轮收缩且完全不接触地面，用户选择移动洗衣机功能后电机驱动脚轮逐步伸出以及完全伸出接触地面，并向上提升洗衣机实现支撑底脚脱离地面一定距离，进而用户可以便捷地移动洗衣机；当洗衣机被重新放置后，用户选择收纳功能，电机驱动轮子逐步收缩至完全不接触地面，使支撑底脚重新接触地面，实现洗衣机的稳固支撑。移动后的洗衣机洗涤脱水的振动噪声性能与现有洗衣机一致。洗衣机安装自动升降脚轮移动后，与未安装该机构洗衣机的测试台位振动噪声测试数据对比如表1所示。

图3 自动升降脚轮移动单个模块的实物图

表1 振动噪声测试对比结果

1.2 结构强度解析

本文考虑洗衣机升降重量目标110 kg，结合装置所处工况特点，拟校核结构静强度是否满足要求，重点关注部件如图4所示，包括：固定板、凸轮、连接杆、摇臂、横梁、后盖板。自动升降脚轮移动单个模块重点关注部件的解析材料屈服强度结果如表2所示。

图4 自动升降脚轮移动单个模块的重点关注对象

表2 解析材料信息结果

自动升降脚轮移动单个模块建模说明：CAD模型简化原则为受力无关部位圆角去除；单元选择方案为钣金件二维壳单元网格，凸轮、后盖板六面体网格，尺寸不大于2 mm；联接关系为各件铰链联接。

横梁受力分析结果如图5所示，当四个升降轮承受整机重量时（净重110 kg），即两个升降轮负载55 kgf时，横梁最大应力为207.5 Mpa，满足设计要求。

图5 自动升降脚轮移动单个模块的横梁应力云图

自动升降脚轮移动单个模块的其他部件的应力云图如图6所示，当横梁达到屈服时，凸轮、上盖、下盖、摇臂、连杆、固定板最大应力值分别为7.2、1.9、3.6、53、80、67，均明显低于材料屈服强度，该工况下凸轮、摇臂、连杆、固定板无明显变形风险。

图6 自动升降脚轮移动单个模块的其他部件的应力云图

综合前述仿真解析结论：

载重110 kg时，升降装置应力最大部件在横梁上，为207.5 Mpa，结构安全；升降装置能承受的极限负载为132.8 kgf；洗衣机升降轮装置安全系数为1.2。

1.3 电机力矩计算分析

洗衣机整机重量为110 kg，因此可近似为每个轮子承载的重量为27.5 kg；为选择合理的电机输出力矩，对升降系统结构进行分析对比，升降系统主要有三种状态如图7所示，经过分析，状态2，所需要的电机输出力矩最大。因此针对状态2进行分析计算；计算过程中未考虑各个支点的滑动摩擦力，但摩擦力确实存在，不可忽略，故最终计算结果中采取1.5的安全系数。

图7 自动升降脚轮移动单个模块轮子收缩状态、逐步伸出以及完全伸出状态的示意图

如上所示相关数据，各个部件长度L及角度从三维图纸中均可获得，如图8所示，整个系统运动缓慢，因此，将系统近似为动态平衡状态，进行数据计算：

图8 自动升降脚轮移动单个模块轮子逐步伸出状态的受力分析示意图

据此可初步计算电机需要提供的扭矩值约为：T’=F2 D =F1 cos a D=213.8 N 0.84 23.5 mm=4.2 N•m。

如果考虑摩擦问题，增加增量系数1.5，电机的输出扭矩约为：T= T’ 1.5=6.3 N•m。

公式中：

T’-电机需要提供的扭矩值（N•m）；

T-考虑摩擦增加增量系数后电机需要提供的扭矩值（N•m）；

F1-杠杆方向驱动轴点承受的压力（N）；

F2-驱动轴点与电机轴点垂直方向的压力（N）；

a-F1和F2的夹角值（ ， a=33.2 ）；

D-驱动轴点与电机轴点的直线距离（m）。

1.4 自动升降脚轮装置可靠性分析

自动升降脚轮装置进行可靠性运行试验中出现了下齿根部断齿现象，针对发生断齿的齿轮进行简化分析，下齿根的应力最大值为248.6 MPa，为压应力，若采用40Cr材料属性屈服强度785 MPa，安全系数为3.16。经过改进无断齿的情况。

针对自动升降脚轮移动模块及洗衣机的可靠性，开展了可靠性试验及试验结果如表3所示，该装置具有良好的耐腐蚀和可靠性。

表3 自动升降脚轮移动模块及洗衣机的可靠性试验及结果

2 产业化

本文提出的自动升降脚轮移动技术的洗衣机可实现位置便捷移动，同时能保持运行平稳。其技术优势为：耐用、平稳、隐藏式脚轮、外观无损颜值高、一键升降自动化、尺寸微变嵌入无忧、无需复杂安装原装、振动噪声低等诸多技术优势，该技术方案2019年应用于某品牌洗衣机产品，上市后获得良好用户口碑，实现了洗衣机低振静音且能够自动化的便捷移动。

3 结论

本文提出了一种洗衣机用自动升降脚轮移动装置，通过对脚轮运行轨迹分析，仿真模拟，电机力矩理论计算，大量可靠性试验验证，创新设计了有电机齿轮变速传动，点动控制到位，杠杆传动升降，万向轮移动的洗衣机，实现了洗衣机的便捷移动，最后对该技术的技术优势进行了描述，该技术成本低廉，效果稳定，具有良好的市场前景。

（1）研发了一种洗衣机用自动升降脚轮移动技术，电机经齿轮减速器带动杠杆机构运动，驱动脚轮伸出及缩回，点动控制到位，杠杆传动升降，实现洗衣机智能便捷移动并提高了洗衣机产品的智能化及适老性。

（2）通过对自动升降脚轮移动单个模块结构强度解析及仿真分析，载重110 kg时，升降装置应力最大部件在横梁上，为207.5 Mpa，结构安全；升降装置能承受的极限负载为132.8 kgf；洗衣机升降轮装置安全系数为1.2。

（3）为满足载重110 kg，为选择合理的电机输出力矩，对升降系统结构进行分析对比，并通过进行数据计算确定了该技术电机的输出扭矩约为6.3 N•m

（4）关于自动升降脚轮移动模块及洗衣机的可靠性，单独制定了可靠性试验方法，本技术已通过测试。

（5）本文提出的自动升降脚轮移动技术的洗衣机具有耐用、平稳、隐藏式外观无损颜值高、一键升降自动化、尺寸微变嵌入无忧、无需复杂安装原装等诸多技术优势，实现了洗衣机低振静音且能够自动化的便捷移动。

参考文献

[1] 贾佳. 韩国AI人工智能承担起老年人群体健康管理的责任[J]. 家电科技, 2021(03): 8-10.

[2] 李田. 中国60岁及以上人口超2.6亿[J]. 老同志之友, 2021(12).

[3] 张钧德. 自动洗衣机的脚轮设计[J]. 家用电器科技, 1986(04): 6.

[4] 王叙圣. 洗衣机移动支撑[J]. 家用电器, 1999(11): 21.

[5] 森智宏, 冈崎纯也. 洗衣机设置用装配架[P]. 山东省: CN114901538A, 2022-08-12.

[6] 丁守法, 张明明, 高超, 等. 一种新型环保的洗衣机底衬[P]. 安徽省: CN211199789U, 2020-08-07.

[7] 练明晴. 一种洗衣机活动底座[P]. 河南省: CN210946148U, 2020-07-07.

[8] 聂文文. 一种洗衣机用防晃动底座[P]. 山东省: CN210975243U, 2020-07-10.

[9] 阎玉凤. 一种用于移动、固定、调平洗衣机的底座[P]. 广东省: CN111411490A, 2020-07-14.

[10] 林颖, 张孟强, 钟志明, 等. 一种预防洗衣机移动的固定装置[P]. 上海市: CN212560814U, 2021-02-19.

[11] 李志刚. 洗衣机智能化: 解决痛点仍需时间[J]. 电器, 2018(01): 20-21.

（责任编辑：张蕊）

作者简介：

赵志强，硕士学位。研究方向：减振降噪、处理剂自动投放、进排水模块研究等。

地址：山东省青岛市崂山区海尔路一号海尔信息产业园。

E-mail：zhaozhiqiang@haier.com。

基金项目：

海尔智能升降移动洗衣机项目

（P02X20190001）。

文章引用 (GB/T 7714-2015格式引文) :

[1] 赵志强, 许升, 吕佩师, 等. 洗衣机自动升降脚轮移动技术的研究及应用[J]. 家电科技, 2023(02): 108-112.