冰箱門體雙軸自鎖件力感順暢性優(yōu)化研究

張丹偉 王利亞 鐘澤 江俊

1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311；2.合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

自鎖件在冰箱門體中的應(yīng)用較為廣泛，目前大多自鎖件屬于單軸自鎖類型，而雙軸自鎖件主要應(yīng)用于高端類冰箱中。與單軸自鎖件相比，同樣是依靠鉸鏈與助吸器的配合，使得門體在關(guān)閉過程中產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，保證門體能夠緊密關(guān)合。不同之處在于雙軸自鎖件中的鉸鏈存在兩根軸，該兩根軸配合助吸器內(nèi)的雙軌跡軸套，實現(xiàn)了開關(guān)門過程中門體不與冰箱側(cè)邊物體發(fā)生干涉的功能[1]。

雙軸自鎖件在關(guān)門過程中普遍存在推門力不適中及力感順暢性差的缺陷，傳統(tǒng)設(shè)計方法是設(shè)計人員參考類似卡扣的幾何參數(shù)，進(jìn)行試驗，然后根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)再進(jìn)行試驗驗證，反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)計要求[2]。現(xiàn)階段對于該類缺陷的改善，主要是借助仿真手段對優(yōu)化后的自鎖件進(jìn)行力學(xué)仿真，可在樣件制作之前或開模前期進(jìn)行方案初步評估[3]，之后再制作樣件進(jìn)行驗證。目前，工程師對單軸自鎖件有了較為深入的研究，但對雙軸自鎖件的研究相對較少。

本文以某款高端冰箱中的門體雙軸自鎖件為研究對象，針對使用過程中存在的問題，建立雙軸自鎖件的優(yōu)化模型，采用有限元分析軟件對關(guān)門過程中雙軸自鎖件的受力情況進(jìn)行分析，最后制作樣件驗證其實際效果。這一基于有限元分析的冰箱門體雙軸自鎖件自鎖力的分析過程和方法，對于同類自鎖件的改善具有一定的指導(dǎo)意義。

1 助吸器雙軌跡運動過程

冰箱門體雙軸自鎖件主要由助吸器和雙軸鉸鏈組成，兩部分配合起到門體的自鎖作用，如圖1所示為該自鎖件在冰箱門體中的安裝位置仰視圖。助吸器固定在門體上，開關(guān)門過程中其運動軌跡受雙軸及其滑移槽的共同作用，轉(zhuǎn)動過程無固定的旋轉(zhuǎn)軸，其材質(zhì)大多為POM（聚甲醛）。雙軸鉸鏈固定在箱體上，其材質(zhì)大多為圓鋼，相對于助吸器可以看作是剛體。

圖1 雙軸自鎖件在冰箱中的安裝示意圖

圖2 中顯示了雙軸與其滑移槽的相對位置，兩者實際配合過程中助吸器的變形會對鉸鏈產(chǎn)生作用力，該作用力對門體產(chǎn)生自鎖效果。冰箱門體從打開至完全關(guān)合狀態(tài)自鎖件大致經(jīng)歷兩個階段：第一階段從助吸器恰好與鉸鏈接觸時開始，如圖2 a) 所示，隨著門體關(guān)閉其推門力先逐漸增大，達(dá)到某一最大值后逐漸減小，若關(guān)門角度繼續(xù)增大，助吸器會在某個位置處于既無推門力也無自閉力的臨界狀態(tài)；第二階段為該臨界狀態(tài)后，隨著門體繼續(xù)關(guān)閉，助吸器產(chǎn)生的自閉力先增大后減小的階段，最終門體處于關(guān)合狀態(tài)，如圖2 b) 所示。

圖2 雙軸自鎖件示意圖

對于助吸器，上述第一階段是推門力引起其發(fā)生變形、積累應(yīng)變能的過程，第二階段是釋放應(yīng)變能恢復(fù)變形的過程，在門體關(guān)合狀態(tài)其內(nèi)部殘余的應(yīng)變能對門體產(chǎn)生預(yù)緊作用。

2 問題描述與原因分析

根據(jù)市場反饋，某款高端冰箱在關(guān)門過程中存在推門力過大的問題，該冰箱的門體使用雙軸自鎖件，其在該冰箱中的安裝位置如圖3所示，此圖為從冰箱的仰視角度拍攝。

圖3 存在缺陷的雙軸自鎖件在冰箱中的安裝位置

為了定量地了解問題產(chǎn)生的原因，借助仿真手段研究助吸器在不同關(guān)門角度下的自鎖力。雙軸自鎖件的原始仿真模型如圖4所示，仿真計算中設(shè)定助吸器的材質(zhì)為POM，其彈性模量為8000 MPa、抗拉強(qiáng)度為60 MPa、密度為1410 kg/m3、泊松比為0.39[4]；設(shè)定鉸鏈的材質(zhì)為圓鋼，其彈性模量為2.1×105MPa、抗拉強(qiáng)度為400 MPa、密度為7860 kg/m3、泊松比為0.3，圖5為自鎖力仿真結(jié)果。圖中定義0°為助吸器與鉸鏈恰好接觸時門體的位置，門體經(jīng)過20°旋轉(zhuǎn)后處于完全關(guān)合狀態(tài)。

圖4 原始雙軸自鎖件模型

圖5 原始雙軸自鎖件的自鎖力仿真結(jié)果

由仿真計算結(jié)果可知，關(guān)門過程中的最大推門力已超過30 N，同時可以看出自鎖力存在跳躍現(xiàn)象、順暢性差，與用戶的實際推門力感較為吻合。因此，由以上分析可知，該雙軸自鎖件的設(shè)計存在明顯的缺陷。

3 優(yōu)化設(shè)計與效果驗證

由上文分析可知，鉸鏈和助吸器的結(jié)構(gòu)會共同影響整個門體的自鎖力，尤其是兩者接觸部分的設(shè)計更是對自鎖力的大小和順暢性有至關(guān)重要的影響。基于以上分析，重點對鉸鏈軸和助吸器彎鉤部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析

助吸器在運動過程中，其滑移槽始終會與鉸鏈軸的端部發(fā)生摩擦，兩者接觸部分的樣式和摩擦情況對于自鎖力會有顯著的影響。查看原始結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，鉸鏈軸的端部幾乎無邊倒圓處理，同時鉸鏈上與助吸器接觸部分的邊緣僅為倒斜角處理。因此，為了提高鉸鏈與助吸器接觸部分的光滑程度，對鉸鏈上相應(yīng)的部分進(jìn)行邊倒圓設(shè)計，如圖6 b) 中的黃色部分所示，其倒圓的半徑R為1.0 mm。

圖6 鉸鏈優(yōu)化

對鉸鏈優(yōu)化完畢后，進(jìn)行相應(yīng)的自鎖力仿真分析，與原始雙軸自鎖件的自鎖力對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 原始與改進(jìn)鉸鏈的自鎖力仿真結(jié)果對比

從圖7可以看出，相比于原始自鎖力，改進(jìn)的鉸鏈?zhǔn)沟米枣i力的順暢性更佳，自鎖力曲線中的突變現(xiàn)象明顯減少。

另外，為了進(jìn)一步降低推門階段的最大推門力，同時又不改變自鎖力的分布趨勢，現(xiàn)考慮對助吸器的優(yōu)化。助吸器的力臂形狀決定其抗彎能力及閉合過程中的儲能能力[5]。降低自鎖力常用的方法之一是降低助吸器的剛度，此處對助吸器彎鉤部分的凹槽進(jìn)行加深，兩側(cè)凹槽分別加深1 mm與0.5 mm，凹槽底部厚度h由3.5 mm減薄至2 mm，如圖8中黃色區(qū)域所示，實現(xiàn)了助吸器剛度的降低。

圖8 助吸器優(yōu)化

對助吸器進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行相應(yīng)的自鎖力仿真分析，自鎖力對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 原始與改進(jìn)鉸鏈和助吸器的自鎖力仿真結(jié)果對比

助吸器彎鉤部分的消減，降低了其剛度，最終使得自鎖力有了進(jìn)一步的降低。相比于鉸鏈優(yōu)化的自鎖力，最大推門力降低了1.6 N，已降至25 N以下。

鉸鏈和助吸器結(jié)構(gòu)的改變，除了影響其自鎖力以外，亦會對其應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響。對于雙軸自鎖件，由于開關(guān)門過程中滑移槽與鉸鏈軸之間存在相對運動，兩者之間的磨損是一種常見的問題。鉸鏈軸端部結(jié)構(gòu)的改變，很可能會改變滑移槽槽壁所承受的應(yīng)力，因此對關(guān)門過程中滑移槽槽壁的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。分析過程中，設(shè)定門體的重力為100 N，助吸器分別和圖6所示的原始與改進(jìn)的鉸鏈配合使用，其關(guān)門過程中滑移槽槽壁承受的最大應(yīng)力如圖10所示。

圖10 助吸器和原始與改進(jìn)鉸鏈配合使用的應(yīng)力對比

由圖10中滑移槽槽壁承受的最大應(yīng)力對比結(jié)果可知，鉸鏈軸端部結(jié)構(gòu)的改變，使得滑移槽槽壁在關(guān)門過程中承受的最大應(yīng)力由43.5 MPa下降至38.6 MPa，可降低鉸鏈軸對滑移槽的磨損程度。

3.2 效果驗證

目前鉸鏈的成型方式主要有壓鑄和沖壓兩種，由于鉸鏈與助吸器在關(guān)門過程中會受力并產(chǎn)生變形，而壓鑄鉸鏈較沖壓鉸鏈有更好的尺寸穩(wěn)定性和較小的內(nèi)應(yīng)力，可以保證較好的尺寸精度[6]。根據(jù)以上分析，依照改進(jìn)的鉸鏈和助吸器模型制作其樣件，其中鉸鏈采用壓鑄工藝，如圖11所示。

圖11 改進(jìn)鉸鏈和助吸器樣件

將制作的雙軸自鎖件樣件安裝于冰箱門體中進(jìn)行自鎖力的力感測試與體驗。其中，測試推門力和自閉力時使用了如圖12所示的聲學(xué)與振動分析儀，圖13為測得的整個關(guān)門過程的自鎖力曲線。

圖12 自鎖力測試設(shè)備

圖13 改進(jìn)鉸鏈和助吸器的自鎖力測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，測試與仿真的自鎖力結(jié)果基本一致，使用優(yōu)化的鉸鏈和助吸器使得最大推門力有所降低，自鎖力曲線中基本無突變現(xiàn)象。用戶體驗方面，相比于原始自鎖件，優(yōu)化后的自鎖件使得推門過程更省力，同時力感順暢性也有了顯著提升。

4 結(jié)論

本文針對冰箱門體雙軸自鎖件在關(guān)門過程中存在的推門力過大及力感順暢性差的問題，借助仿真手段分析了原始雙軸自鎖件缺陷產(chǎn)生的原因，仿真得到的自鎖力結(jié)果與用戶的實際推門力感較為吻合。

根據(jù)力學(xué)基本理論，降低自鎖力采用了降低助吸器剛度的方法，即對助吸器彎鉤部分的凹槽進(jìn)行加深。另外，為了提高鉸鏈與助吸器接觸部分的光滑程度，對鉸鏈上相應(yīng)的部分進(jìn)行邊倒圓設(shè)計。仿真結(jié)果顯示優(yōu)化后的雙軸自鎖件的最大推門力已降至25 N以下，并且降低了滑移槽槽壁在門體關(guān)閉過程中承受的最大應(yīng)力，提升了自鎖力的順暢性。

最后制作樣件進(jìn)行實際效果驗證，測試與仿真的自鎖力結(jié)果基本一致，用戶關(guān)門過程中力感順暢性顯著提升，證實了仿真分析的準(zhǔn)確性。