壁掛式空調(diào)器熱脹冷縮異響機理分析與控制

周偉峰 張帆 熊軍 徐志亮 周孝華 董龍

ZHOU Weifeng ZHANG Fan XIONG Jun XU Zhiliang ZHOU Xiaohua DONG Long

TCL空調(diào)器（中山）有限公司 廣東中山 528427

TCL Air Conditioner (ZhongShan) Co., Ltd. Zhongshan 528427

1 引言

家用空調(diào)壁掛機的風道零件底座、中框通常由ABS注塑而成，該材料的線膨脹系數(shù)較高，遇冷或受熱時變形量較大。當空調(diào)在制冷或制熱模式下開、關(guān)機時，風道溫度突然降低或升高將引起底座零件的熱脹冷縮，進而在底座與中框配合處產(chǎn)生局部的相對位移，引起不連續(xù)的摩擦異響。該異響忽大忽小且無規(guī)律，如某機型在室內(nèi)溫度-15℃時制熱開機，摩擦異響持續(xù)15～20分鐘，嚴重影響用戶使用體驗。傳統(tǒng)解決方法是通過在零件裝配接觸面貼海綿或絨布的方式來緩解異響，但該方式影響生產(chǎn)效率且效果不明顯。麥劍章、林勇強通過添加填充劑對PP進行改性，改善其強度、剛性和耐熱性能，降低了收縮率，提高了尺寸穩(wěn)定性，使其整體綜合性能接近工程塑料的水平，替代傳統(tǒng)材料用于制造空調(diào)室內(nèi)機出風框，解決空調(diào)的熱脹冷縮噪聲問題[1]。本文通過防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不改變注塑材料基礎(chǔ)上，亦可有效改善塑料件熱脹冷縮異響問題。其優(yōu)勢有：成本低、穩(wěn)定性好、一致性高，不受材料廠家、批次等因素影響。由于外觀多樣性要求，塑料件注塑時需要增加色母，色母在注塑時分散、熔融狀態(tài)、與基材的相容程度都會影響產(chǎn)品的力學特性，目前已發(fā)現(xiàn)部分廠家的色母會加劇熱脹冷縮異響，故改性PP材料并不能從根本上解決熱脹冷縮異響問題。

2 熱漲冷縮異響機理分析

如圖1所示，某新設(shè)計的壁掛機風道主要由3個零件組成：底座、中框、左右掃風葉片，其中底座背面、接水盤下方有保溫泡沫貼合。從理論上分析，熱脹冷縮異響的重要條件是：（1）溫度驟變；（2）兩零件配合接觸。同時滿足這兩個條件的位置在出風口區(qū)域：上、下側(cè)由中框、底座、掃風葉片剛性配合組成。這三個零件接觸面較大，配合零件熱脹冷縮后在接觸面形成剪切力而產(chǎn)生摩擦，隨著剪切力逐漸增加，靜摩擦轉(zhuǎn)為動摩擦時就會在接觸面形成相對位移，引起“咔咔”聲響。而接觸面積大會使異響次數(shù)多、頻率高，改善此類摩擦異響可從減小接觸面積入手，使“面與面”的接觸改為“線與面”的接觸，即降低了接觸面摩擦力，即便存在相對位移，其釋放的聲能量也較小。

表1 不同零件熱膨脹變形對比

圖1某新設(shè)計掛機的風道構(gòu)成示意圖

圖2底座上風口側(cè)防異響設(shè)計（與中框配合）

圖3底座下風口側(cè)防異響設(shè)計（與中框配合）

2.1 相同材料不同零件間的異響分析

“壁掛機的底座、中框均為ABS材料，ASB樹脂的線膨脹系數(shù)為7.38h 10-51/℃[2]”。假設(shè)室內(nèi)環(huán)境溫度15℃，室內(nèi)機制熱開機時風道內(nèi)部平均溫度約46℃，溫升變化約31℃，底座寬810mm，其寬度方向的受熱膨脹約為1.85mm，由于非均勻溫升，實際膨脹尺寸會更小一點；中框?qū)?20mm，出口上邊緣有部分位置在風道出口，其表面溫度假設(shè)為41℃，其受熱膨脹約1.57mm。即兩零件受熱膨脹程度不同，在裝配位置會產(chǎn)生相對位移，即摩擦異響。

2.2 不同材料不同零件間的異響分析

壁掛機的底座為ABS材料，風道背面為保溫泡沫，25℃時，其線膨脹系數(shù)約為1.71h 10-51/℃，假設(shè)室內(nèi)環(huán)境溫度15℃，室內(nèi)機制熱開機時風道內(nèi)部平均溫度約46℃，保溫泡沫熱阻較大，平均約20℃，溫升變化約5℃，泡沫寬455mm，則其寬度方向的受熱膨脹為0.04mm，可見底座與泡沫間的熱膨脹差異較大，易在配合平面產(chǎn)生摩擦異響。

同理，掃風葉片材料為PP+PE材質(zhì)，其線膨脹系數(shù)約為15h 10-51/℃掃風葉片表面溫度約44℃，溫升變化約29℃，掃風葉片寬293mm，則其寬度方向的受熱膨脹1.27mm，掃風葉片同時與底座、中框配合，三個零件變形量不同，在裝配位置會產(chǎn)生相對位移，即摩擦異響。

2.3 防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

由表1可見，底座和中框雖然材料相同，但是局部溫差變化不同，導致受熱變形量不同，零件配合處存在相對位移，即摩擦異響；底座與泡沫材料不同，局部溫差變化也不同，受熱變形量差異大，其配合處打膠貼合，膠的材質(zhì)是松脂，常溫下韌性較好，可在底座與泡沫間形成緩沖帶；如貼合不牢有虛位，底座熱脹冷縮變形時會與泡沫摩擦產(chǎn)生異響。

綜上所述，底座、中框、左右掃風葉片防異響結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路為：（1）減小配合處接觸面積，將面接觸改為點接觸或線接觸；（2）規(guī)范底座打膠走線方式并在完成打膠后確認是否牢固。

3 關(guān)鍵零件防異響設(shè)計與試驗驗證

根據(jù)確定的防異響設(shè)計思路，本文通過對某新開發(fā)800A機型進行了防異響設(shè)計，模具首樣后裝機確認熱脹冷縮異響，與某老機型進行噪音異響試驗對比。

3.1 底座防異響設(shè)計

如圖2，在底座出風口上緣與中框配合位置，采用分散布置的8個傾斜小筋條與中框平面線接觸；如圖3，在底座下風口側(cè)與中框配合處分散布置7組共21個凸包；如圖4所示，在底座下風口與掃風葉片配合處，均勻設(shè)計了9個斜面小筋條與掃風葉片線接觸；這三個位置由傳統(tǒng)的面與面的大面積接觸改為線接觸，極大降低了接觸面積與剪切力。

表2 800XT與800A熱脹冷縮異響測試數(shù)據(jù)對比

3.2 中框防異響設(shè)計

如圖5，在中框內(nèi)側(cè)下出風口處，設(shè)計了10個均勻分布的條狀小筋條，與掃風葉片配合時呈小平面式的“點接觸”，即使中框與掃風葉片存在位移，其摩擦力較小，不易產(chǎn)生異響。

3.3 掃風葉片防異響設(shè)計

如圖6，在掃風葉片與底座配合處，設(shè)計了18個均勻分布的條狀小筋條，與底座配合時呈“線接觸”；如圖7，在掃風葉片與中框配合處，設(shè)計了6個均勻分布的條狀小筋條，與中框配合時呈“線接觸”。掃風葉片同時與底坐、中框接觸，這兩個配合位置采用“線接觸”降低了接觸面積與剪切力，可有效改善熱脹冷縮異響。

3.4 底座部件打膠工藝優(yōu)化

由上文可知，保溫泡沫的受熱變形量最小，其與底座通過松脂粘連，可作為熱脹冷縮的緩沖帶；如貼合不牢有虛位，底座熱脹冷縮變形時會與泡沫摩擦產(chǎn)生異響，需要對底座部件打膠工藝進行規(guī)范。圖8中紅色為打膠走線圖，圖9為量產(chǎn)打膠狀態(tài)，增加了對底座泡沫的抽檢工序，手工施加壓力，在底座泡沫破損前，底座不會與底座泡沫發(fā)生脫離，要求合格率100%。

圖4底座下風口側(cè)防異響設(shè)計（與掃風葉片配合）

圖5中框下風口側(cè)防異響設(shè)計（與掃風葉片配合）

圖6掃風葉片防異響設(shè)計（與底座配合）

圖7掃風葉片防異響設(shè)計（與中框配合）

圖8底座部件打膠工藝

圖10 800XT時域頻譜（制冷轉(zhuǎn)送風）

圖11 800XT時域頻譜（制熱轉(zhuǎn)送風）

3.5 熱脹冷縮異響試驗驗證

以兩個典型平臺室內(nèi)機作為試驗對象：800XT室內(nèi)機在底座、中位關(guān)鍵位置貼海綿作為防異響手段；800A室內(nèi)機為防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需貼海綿。在本底噪音為18dB(A)的半消聲室，根GB/T 7725-2004[3]對兩套全新室內(nèi)機進行結(jié)構(gòu)異響噪音測試。制冷測試工況：內(nèi)側(cè)32℃，外側(cè)35℃，制熱測試工況：內(nèi)側(cè)10℃，外側(cè)6℃，測試結(jié)果匯總見表2。按我司企標要求，制冷或制熱模式下，室內(nèi)機在室內(nèi)環(huán)境中放置6小時后，開機制冷或制熱運行15分鐘，轉(zhuǎn)送風5分鐘，圖10～13為時域上的噪聲頻譜。可見，采用防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計的800A內(nèi)機，制冷開機15分鐘及轉(zhuǎn)送風5分鐘內(nèi)異響次數(shù)為0；制熱從開機到轉(zhuǎn)送風異響僅4聲，較800XT異響次數(shù)下降85.2%，防異響效果明顯。制冷、制熱轉(zhuǎn)送風時由于室外機停機，內(nèi)、外側(cè)壓力突變，導致室內(nèi)機蒸發(fā)器管路中的冷媒狀態(tài)不穩(wěn)定，冷媒流過分配器時可能產(chǎn)生短時異響，非本防異結(jié)構(gòu)響控制范圍。

4 結(jié)論

（1）通過底座、中框、左右掃風葉片的防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小了零件配合處的接觸面積，且將面接觸改為點接觸或線接觸，接觸面積相比某老殼體減小98%；

圖12800A時域頻譜（制冷轉(zhuǎn)送風）

圖13800A時域頻譜（制熱轉(zhuǎn)送風）

（2）采用防異響結(jié)構(gòu)設(shè)計的800A內(nèi)機，制冷開機15分鐘及轉(zhuǎn)送風5分鐘內(nèi)異響次數(shù)為0；制熱從開機到轉(zhuǎn)送風異響僅4聲，較采用貼海綿作為防異響手段的800XT室內(nèi)的異響次數(shù)下降85.2%，熱脹冷縮異響改善明顯，且在產(chǎn)品上市半年內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)熱脹冷縮異響客訴，提升了用戶滿意度與品牌口碑。