Çamaşır makinesi tambur grubunun dinamik yükler etkisindeki deformasyonlarının analizi ve optimizasyon ile iyileştirilmesi
Analysis of deformations in washing machine tubs under the influence of dynamic  loads and their improvement using optimization methods
Yazar: NUR BALÇIK
Danışman: PROF. DR. ATA MUGAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Çamaşır makineleri = Washing machines

Özet:
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte beyaz eşya sektöründe kullanıcıların, ürüne özgü talep ettiği özellikler de değişebilmektedir. Çamaşır makinelerinde fiyat/performans kriterinin yanı sıra tasarım, ses seviyesi, titreşim, kapasite ve makinenin ebatları da göz önünde bulundurulmaya başlanmıştır. Firmalar kullanıcıların taleplerini olabildiğince hızlı karşılayıp aynı derinlikte yıkama kapasitesinin miktarını yükselterek, daha yüksek devir hızlarında sıkma yapabilen ve kullanıcı ara yüzü daha işlevsel ve daha fazla fonksiyonu olan çamaşır makineleri tasarlayarak pazar paylarını artırmayı, teknolojideki gelişmeler sayesinde ürünün tasarımını en uygun hale getirip kaliteli ürün üretmeyi hedeflemektedirler.
Çamaşır makinesi satışlarında ise firmalar, pazar rekabetini koruyabilmek ve pazar payını artırabilmek için kullanıcıya en uygun fiyatlı ve en kaliteli çamaşır makinesini sunmak ana amaçlarından biri olmuştur. Bu doğrultuda maliyet ve kalite odaklı çalışmalar firmaların başlıca projeleri arasında yer almaya başlamıştır. Fakat hem tasarım maliyetlerinin aşağı çekilmesi hem de ürünün kalitesini artırabilmek için alternatif çözümler bulunması, yapılacak prototip çalışmalarını artırabilmekte ve testlerin tekrarlanma durumu firma açısından ek maliyetler getirebilmektedir. 
Günümüzde bilgisayar programlarında sayısal modellemeler teknolojinin sağladığı vazgeçilmez bir unsur haline gelmiştir. Çamaşır makinesi özelinde yapılan çalışmalar, sayısal modellemeler sonrasında tasarım değişikliği, çözümlerin iyileştirilmesine yön vermeye başlamış ve ideal çözüme ulaşma hızını artırmıştır. Hızın artması hem piyasa isterlerine hızlı cevap veren firmaların pazar payını olumlu yönde etkilemiş hem de işçilik maliyetlerini düşürmüştür. Yapılan bu çalışma da sayısal modellemenin bu avantajlarını kullanan, çamaşır makinelerindeki bir iyileştirme faaliyetidir. Gövde titreşim seviye değerlerinin aşağıya çekilmesi, çamaşır makinesinin dengesiz yük durumunda kazan grubunun gövdeye çarpması ve yürümesini,  çalışması esnasında elemanların (komponentlerin) birbirlerine sürtmesi ve aşındırması gibi konular gelişime açık konulardır. Bu başlıklar arasından sürtme başlığına odaklanılmıştır. 
Bu tezin amacı, çamaşır makinelerinin kazan kapağı ile tambur ön sacı arasında, makinenin titreşimleri ve hareketli parçaların etkileşimli dinamik davranışları sonucunda meydana gelen sürtme ve kazan ön kapak parçasında oluşan bölgesel deformasyon problemlerine optimum bir çözüm bulabilmektir. Hareketli kazan grubu parçalarının titreşimleri, diğer gövde elemanları ile etkileşimi sonucu, çamaşır makinesi yıkanan çamaşırlara büyük zarar vermekte ve bu sorun makinedeki yıkama bölgesini sabit parçalardan ayıran körükte hasara sebep olarak ciddi mekanik arızalara yol açmaktadır. Bu nedenle, bu bölgedeki elemanların karşılıklı etkileşimi ve oluşan dinamik hareketlerdeki belirsizlikler dikkate alınarak bir analiz çalışması yapılmıştır. Tambur grubunda çok sayıda parçanın karşılıklı etkileşimi söz konusu olduğundan, problemin analizi için ilgili parçaların hepsinin modellenmesi ve karşılıklı etkileşimlerinin incelenmesi gerekmektedir. Bulunan çözüm ile ürün kalitesinin artırılması hedeflenmiştir. 
Yedi bölümden oluşan bu tez çalışması kapsamında teorik modelleme, sayısal simülasyonlar ve deneysel doğrulama çalışmaları yapılmıştır ve sırası ile bölümlerde yapılan çalışmalar detaylı bir şekilde anlatılmıştır.
Giriş bölümünde problemin detaylı açıklaması sunulmuştur. Tezin amacı ve kapsamı anlatılarak, çamaşır makinesi tarihçesi görsellerle aktarılmıştır. Çamaşır makinesi komponent isimleri sıkça kullanılacağından dolayı komponent tanıtımı yapılmış, işlevleri anlatılmış ve terminoloji aktarılmaya çalışılmıştır. Çamaşır makinesinin çalışma prensibi anlatılarak literatür özeti yapılmıştır. Literatür taraması dört farklı başlık altında değerlendirilmiştir. İlk başlık çamaşır makinesinde değişken yükleri ve titreşim konularını içeren çalışmalar olmuştur. Burada dengesiz yükler, bu yüklerin konumlarının belirlenmesi, farklı dengeleme sistemleri, titreşim problemleri, bunların modal ve dinamik analizleri öne çıkan alt başlıklardır. Diğer başlıklar ise tasarım değişiklikleri ve enjeksiyon yöntemiyle üretilmiş plastik parçalarda problem görülmesi sonrasında yapılan iyileştirmeler de dahil olmak üzere, beyaz eşya sektöründe önde gelen firmaların çamaşır makineleri incelemeleri ve patent araştırmalarıdır. 
Tezin teori bölümünde sayısal modellemenin temelini oluşturan tek ve çok serbestlik dereceli doğrusal titreşim sistemlerinin titreşim teorisi, çamaşır makinelerinde tamburun içinde bulunan ve dengesizlik oluşturabilecek çamaşırlar için rotor dinamiği teorisi anlatılmıştır. Geçirgenlik konusu ve iyi bir yalıtım için gereklilik koşulları grafikler ile teorik olarak açıklanmıştır. Sehim hesabı örneği referans alınarak kazan kapağı parçasında alternatif çözüm önerilerini bulmak ve teorik olarak değerlendirmek amaçlanmıştır.  
Tasarım çalışmaları, modellemeler ve analiz sonuçları bölümü ile birlikte yürütülmüştür. Öncelikle mevcut tasarım ele alınarak, tambur grubu ve kazan grubu modal analizleri yapılmıştır. Mod frekansları ve mod şekilleri incelenmiş, 0-21 Hz arasında çamaşır makinesi çalışma frekansı olduğundan maksimum frekansın ikinci harmoniğinde kazan grubunun ilk mod frekansı olan 38.9 Hz'e yakın olduğu görülmüştür. Dinamik analizlerde kazan kapağı ile tambur arasındaki mesafeler kontrol edilmiştir. Tasarım değişikliklerinde kazan kapağı ile tambur ağzı arası mesafe değeri de refarans alınarak kazan grubu ilk mod frekanslarını artırılması hedeflenmiş ve alternatif hammadde çözümleri de değerlendirilmiştir. Her bir tasarım değişikliği için modal analiz ve dinamik analiz yapılarak, kazan kapağı ile tambur ağzı arası mesafe bulunmuştur. Mevcut durumda kazan kapağı ve tambur ağzı arasında mesafe negatif değerde bulunmuştur. Önerilen çözümlerden saat 3 ve 9 yönlerinde güçlendirme yapılmış ve cam elyaf katkılı PP hammaddesi kullanılan V05, kazan kapağına sac parça eklenen V06 ve V07 çözümleri mod frekansları ve tambur kazan arası mesafe değerleri açısından uygun bulunmuştur. Dengesiz yük koşulları simüle edilerek kazan ön ve arka bölgelerinde eksenlerdeki deplasman değerleri gösterilmiştir.
Model doğrulama bölümünde, yapılan analizlerin doğrulanması hedeflenmiştir. Bu kapsamda yapılan testlerde çamaşır makinelerinin farklı yük koşullarında çalışması durumunda mevcut tasarım ile yapılan testler sonucunda körükte meydana gelen deformasyon gösterilmiştir. Yapılan dinamik analizlerde kazan kapağı ile tambur ön sacı arasında girişim görülmesi, körükte meydana gelen deformasyonu açıklamaktadır. Körükte saat 3 ve 9 yönlerinde meydana gelen deformasyonlar sonrasında kazan kapağında saat 3 ve 9 yönlenderinde tasarım iyileştirmesi V02 alternatif çözüm önerisi sunulmuştur. Bunun üzerine de cam elyaf katkılı hammadde kullanılması için V05 alternatif çözüm önerisi sunulmuştur. V02 ve V05 alternatif çözüm önerilerinin numuneleri alınarak testlere verilmiştir. V05 çözümü için körükte deformasyonlara rastlanmamıştır.
Sonuçlar ve öneriler bölümünde, tambur körüğe sürtme problemi mevcut tasarımdaki kazan kapağının mod frekanslarından ve mod şekillerinden dolayı meydana geldiği belirtilmiştir. Kazan grubunun ilk mod frekansı, çamaşır makinesinin maksimum çalışma frekansının ikinci harmoniğine yakın değerdedir. Kazan grubunun mod şekline bakıldığında saat 3 ve 9 yönlerinde kazan kapağı tambura yaklaşmaktadır. Dinamik analizlerde girişim görülmüş olup testlerde de körükte aşınmalar görülmüştür. Tasarım ve hammadde değişiklikleri ile seri üretim koşulları iyileştirilmiştir. İleriki çalışmalarda yükleme ağzı geniş kazan kapağı tasarımları için kazan kapağında sac parça kullanımı önerisi, proseste ve tasarımlarda değişikler yapılarak değerlendirilebilir.

Abstract:
With the development of technology, the features demanded by the users in the home appliance sector may also change. In addition to the price/performance criteria, the design, sound level, vibration, capacity and dimensions of the washing machine is also taken into consideration in washing machines. Companies aim to increase their market share by meeting the demands of the users as quickly as possible, by increasing the amount of washing capacity at the same depth, by designing washing machines that can spin at higher rotation speeds and with a more functional user interface and more functions, and to optimize the design of the product and produce quality products thanks to the developments in technology.
Regarding the washing machine sales, one of the main objectives of the companies offer the most affordable and best quality washing machine to the user in order to maintain market competition and increase its market share. With this perspective, cost and quality improvement projects are started to take place among the main projects of the companies. However, both reducing the design costs and finding alternative solutions to increase the quality of the product can increase the prototype work load and the repetition of the tests may bring additional costs for the company.
Today, numerical modeling in computer programs is become an indispensable element provided by technology. Studies carried out specifically for the washing machine started to shape the improvement of design solutions after numerical modeling and increased the speed of reaching the ideal solution. The increase in speed has both positively affected the market share of companies that respond quickly to market demands and reduced labor costs. This study is an improvement activity in washing machines that uses these advantages of numerical modeling. Subjects such as lowering the body vibration level, the tub group hitting the cabinet body and walking problems in the case of an unbalanced load of the washing machine, and the friction and abrasion of the components during its operation are subjects that are open to development. Among these titles, the focus of thesis is on dynamic behavior of tub of a washing machine to prevent damage to laundry.
The aim of this thesis is to find an optimum solution to the problems of friction between the tub front cover part and the drum front sheet of the washing machine, as a result of the vibrations of the machine and the interactive dynamic behavior of the moving parts, and the regional deformation problems that occur in the tub front cover part. As a result of the vibrations of the moving tub group parts and their interaction with other body elements, the washing machine greatly damages the washed laundry and this problem causes serious mechanical failures by causing damage to the gasket that separates the washing area in the machine. For this reason, this study is carried out by taking into account the mutual interaction of the elements in this region and the uncertainties in the dynamic movements that occur. Since many parts interact with each other in the drum group, it is necessary to model all the relevant parts and examine their interactions for the analysis of the problem. With the solution found, it is aimed to increase the product quality.
Within the scope of this thesis, which consists of seven chapters, theoretical modeling, numerical simulations and experimental validation studies is carried out and the studies carried out in the chapters were explained in detail.
In the introduction part, a detailed explanation of the problem is presented. The purpose and scope of the thesis is explained, and the history of the washing machine is conveyed with visuals. Since the washing machine component names is used frequently, the definitions of the components are made, its functions are explained and the terminology is tried to be conveyed. The working principle of the washing machine is explained and the literature is summarized. The literature review is evaluated under four different headings. The first topic is the issues involving unbalanced loads and vibration issues in the washing machine. Here, unbalanced loads, determination of the positions of these loads, different balancing systems, vibration problems, their modal and dynamic analyzes are the sub-headings that stand out. Other topics are design changes and improvements made after problems in injection molded plastic parts, washing machine benchmarking and patent searches of leading companies in the home appliance industry.
In the theory part of the thesis, the vibration theory of single and multi-degree-of-freedom linear vibration systems, which form the basis of numerical modeling, and the rotor dynamics theory for laundry in the drum in washing machines, which may cause imbalance, are explained. The permeability issue and the necessary conditions for a good insulation are explained theoretically and graphically. It is also aimed to find and theoretically consider alternative solution proposals in the tub front cover part by taking the deflection calculation example as a reference.
The design studies are carried out together with the modeling and analysis results. First of all, the current design was taken into consideration and modal analyzes of the drum group and the tub group were made. The natural frequencies and mode shapes were examined, and since the washing machine operating frequency was between 0-21 Hz, it was observed that the second harmonic of the maximum frequency was close to 38.9 Hz, which is the first natural frequency of the tub group. In dynamic analysis, the distances between the gasket and the drum were checked. In the design changes, the distance between the tub front cover and drum front sheet openings is also taken as a reference, and it is aimed to increase the first natural frequency of the tub group, and alternative raw material solutions are also considered. For each design change, modal analysis and dynamic analysis are performed and the distance between the tub and the drum is added. In the current situation, the distance between the tub front cover and the drum front cover is found to be negative. Among the suggested solutions, V05, where is made design change at 3 and 9 o'clock and glass fiber reinforced PP raw material is used, V06 and V07 solutions with sheet metal parts added to the tub front cover are found suitable in terms of natural frequencies and distance values between drum front cover and tub front cover. By simulating unbalanced load conditions, the displacement values in the axes of the tub front and rear regions are shown.
In the model validation section, it is aimed to validate the analyzes made. In the tests carried out in the scope of this thesis, the deformation in the gasket as a result of the tests carried out with the current design in case the washing machines operate under different load conditions is shown. In the dynamic analysis, the interference between the tub front cover and the drum front sheet explain the deformation in the gasket. After the deformations in the gasket at 3 and 9 o'clock directions, a design improvement V02 alternative solution proposal is presented on the tub front cover at 3 and 9 o'clock directions. In addition to the V02 alternative solution, V05 alternative solution proposal is presented using of glass fiber reinforced raw materials. Samples of alternative solution proposals V02 and V05 is  taken from mold and given to the tests. No deformation was found in the gasket for the V05 alternative solution proposal.
In the results and recommendations section, it is stated that the drum-gasket rubbing problem occurs due to the natural frequencies and mode shapes of the tub front cover in the current design. The first natural frequency of the tub group is close to the second harmonic of the maximum natural frequency of the washing machine. Considering at the mode shape of tub group, the tub front cover gets closer the drum at 3 and 9 o'clock directions. Interference is observed in dynamic analysis and abrasions are observed on the gasket in the tests. Mass production conditions are improved with new design and raw material changes. In future studies, the suggestion of using sheet metal part in the tub front cover can be recommended by making changes in the process and designs.