冰箱中鉸鏈的改進設計

倪 軍

（合肥美的冰箱有限公司 合肥 230041）

引言

冰箱鉸鏈是連接冰箱門體和箱體之間重要的安裝結構件，依據鉸鏈安裝位置的不同，冰箱鉸鏈分為上鉸鏈、中鉸鏈和下鉸鏈[1]。上鉸鏈、下鉸鏈是冰箱產品的通用件，分別安裝在冰箱箱體頂部與底部，起固定門體和承重作用。中鉸鏈通常配置在雙門冰箱、三門冰箱、多門冰箱等系列產品上，經螺栓與箱體中梁固連，起承載上門體和固定下門體的作用。冰箱鉸鏈一般采用冷軋鋼板壓鑄成形或鋼板沖壓成形，鋼板表面做鍍鋅處理，以提升鉸鏈的防銹防腐能力[2]。

在雙門、三門和多門冰箱系列產品中，中鉸鏈是一個重要的性能結構件，它既要承受門體及門體所載食物在軸向的重力，又要承受開關門過程中產生的沖擊力。如果鉸鏈強度不夠，很容易使鉸鏈產生徑向或軸向變形，導致冰箱門體關不上或關不嚴，從而使冰箱產生關門報警，影響冰箱的保鮮和制冷功能[1]。情況嚴重時，會出現門體的脫落，造成PL事故。可見冰箱中鉸鏈性能的優劣，影響著冰箱的整體性能。

1 中鉸鏈的初始設計

冰箱產品開發過程中段，為了確保冰箱鉸鏈具有足夠的強度和使用壽命，都需要對冰箱門進行必要的開關門性能實驗，以驗證鉸鏈的可靠性[3]。按照鉸鏈十年的使用壽命，冰箱開關門性能實驗的次數，企業標準設定為100 000次。

某型號中鉸鏈的結構模型如圖1所示。中鉸鏈由鉸鏈座和鉸鏈軸兩部分組成。鉸鏈座的材質為冷軋鍍鋅鋼板，牌號為Q235，厚度4 mm，鉸鏈軸材質為15號鋼，直徑8 mm。鉸鏈座由模具沖壓成形，整體由垂直固定面和水平承重面兩部分構成，固定面配有安裝孔，承重面設置一個寬度3 mm，深度1.5 mm的加強筋，以提高鉸鏈的整體強度。鉸鏈軸通過壓鉚方式，壓固在鉸鏈座承重面的上下兩端。實際使用過程中，中鉸鏈由2根M5×16的沉頭內六角不銹鋼螺釘緊固在箱體中梁預埋鐵上，鉸鏈與箱體中梁橫向配合間隙為0.5 mm。鉸鏈軸外配軸套，與冰箱門體間通過上下端蓋實現定位安裝，徑向配合間隙為0.2 mm。鉸鏈座及鉸鏈軸材料的主要機械性能如表1所示。

表1 鉸鏈座及鉸鏈軸材料主要機械性能指標

樣機實驗階段，對配置了該中鉸鏈的數款雙門冰箱、多門冰箱進行開關門性能實驗，結果部分樣機在開關門實驗進行到85 000～90 000次之間時，冰箱上下門體關閉過程中產生干涉現象。經比照研究后發現，上門體在垂直方向產生了局部下沉現象。將實驗的中鉸鏈拆離箱體中梁后與基準鉸鏈比照，發現實驗鉸鏈在徑向產生了明顯的塑性變形，這是造成冰箱門體干涉的主要原因。冰箱中鉸鏈在徑向上的塑性變形，表明其結構強度已無法滿足現階段所有產品的使用需求，因此需要對中鉸鏈進行必要的改進設計。

2 中鉸鏈的改進設計

提升中鉸鏈的結構強度，考慮從結構和材料兩個方面入手，即同種材質改結構、同種結構改材質、結構與材質一起改動。

2.1 中鉸鏈的結構改進設計

中鉸鏈的結構改進有三種方案：①優化加強筋的數量和截面形狀，提升結構強度；②增加鉸鏈座與箱體固定點數量，提升鉸鏈的整體強度；③加強筋和固定點同時改進。

2.1.1 加強筋的改進設計

由圖1可知，原中鉸鏈在徑向承重面上有一個加強筋，改進設計中，嘗試增加加強筋數量。鑒于原中鉸鏈徑向承重面空間有限，故最多只能新增一個加強筋。查閱相關的參考文獻，可知不同的加強筋截面尺寸對結構件的性能亦有一定的影響[4,5]，故結合實際的加工工藝，及開模難度，加強筋設計了2種改進方案。加強筋改進方案如圖2所示。

圖1 某中鉸鏈結構模型

由中鉸鏈的徑向變形可知，在冰箱開關門性能實驗中，中鉸鏈的整體結構性能主要由其軸向承載能力決定。開關門過程中的沖擊力，對中鉸鏈破壞影響有限。故在評價改進方案結構性能的優劣時，以中鉸鏈所處的靜力學模型為基礎，分析中鉸鏈軸向承載力的變化對鉸鏈結構產生的影響。以垂直于鉸鏈承重面，且通過鉸鏈軸心向下的力F等效冰箱上門體對中鉸鏈的作用力，在改進模型的基礎上，利用ANSYS軟件，對改模型進行靜力學仿真分析。通過力F值的變化，觀察模型的應力云圖及模型的承載力位移曲線，來分析改進模型的結構性能。

中鉸鏈靜力學模型的材質及機械性能指標如表1所示，泊松比0.33，材料密度7.85 g/cm3，對中鉸鏈模型進行有限元建模。將圖2中改進方案的三維模型導入到ANSYS軟件中進行受力分析，其應力云圖及承載力位移曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 模型1及模型2的應力云圖

圖4 模型1及模型2承載力位移曲線

由圖3可知，中鉸鏈所受大值應力主要集中在鉸鏈座固定面與承重面結合處。隨著軸向力F值的增大，應力值大的區域從第2顆螺釘孔處逐漸向右側和徑向擴散，當應力值達到348.12 Mpa時，鉸鏈模型1開始產生塑性形變，當應力值達到345.91 Mpa時，鉸鏈模型2開始產生塑性形變。可見模型1與模型2的結構強度相當。圖4中，兩種鉸鏈的承載力位移曲線幾乎重合，也說明了兩種結構強度沒有本質區別，當承載力超過476 N后，兩種模型承載力位移急劇變化。

2.1.2 固定點的改機設計

在原中鉸鏈的基礎上，增加一個固定點，即在固定面右邊增加一個M4×16的內六角螺釘。改進后的中鉸鏈模型及應力云圖如圖5所示。在相同的力學環境下模型1、模型2、模型3的位移曲線對比結果如圖6所示。

圖5 改進模型3及應力云圖

圖6 模型1、2、3承載力位移曲線

由圖6知，模型3的軸向承載能力優于模型1、模型2。由圖5應力云圖可知，模型3的塑性形變應力為393.9 Mpa，亦優于模型1和模型2。可見，增加一個固定點，對中鉸鏈整體結構強度的提升，具有明顯的效果。相關研究表明，中鉸鏈的第三顆螺釘是影響鉸鏈強度的關鍵因素[6]。

2.1.3 改進模型的對比分析

為了更好的改進中鉸鏈的結構，設計過程中，又新增了幾個改進模型，與之前的模型進行比照分析。各個模型的應力云圖及承載力位移曲線如圖7～圖8所示，軸向最大承載力如表2所示。

表2 各模型最大軸向承載力

圖7 6個模型應力云圖

圖8 6模型軸向承載力位移曲線

對比模型3和模型4的應力云圖、軸向承載力位移曲線及軸向最大承載力可知，在材質、固定點、鉸鏈結構相同的情況下，加強筋的數量對鉸鏈強度有較大影響。合理情況下，增加加強筋數量可以提升結構強度。

對比模型1與模型4、模型2與模型6的仿真分析結果，可知，同種結構，固定點的數量對鉸鏈整體強度有明顯影響。合理的增加鉸鏈的固定點，是提升鉸鏈結構強度的有效方法。

對比模型1與模型2、模型4與模型6的仿真分析結果，可知，在鉸鏈結構、固定點數量及加強筋數量相同的情況下，小范圍內加強筋的截面樣式的不同對整體構件的強度影響不大。

對比模型5與模型3的仿真分析結果，可知，鉸鏈局部結構的變化對整體強度有一定影響。模型5與模型3相比，其在鉸鏈固定面與承重面交界處切除一小塊連接，使得鉸鏈承重面變小，結果模型5的軸向承載力位移曲線、軸向最大承載力、應力云圖指標與模型3的性能指標相比出現小幅衰減。

對比模型1～6，可知，模型4的各項指標參數最優秀。這是一個比較理想的改進設計方案。

2.2 中鉸鏈的材料改進

選中模型4，將模型4中的材質Q235替換成Q295，其他條件保持不變，形成模型7。對模型4與模型7在同一個環境條件下進行仿真分析，分析結果如圖9所示。

圖9 模型4及模型7軸向承載力位移曲線

由分析結果對比可知，模型7的結構性能優于模型4。模型7的最大軸向承載力為972 N，模型4的軸向最大承載力為817 N。可見，在其他條件相同的前提下，構件材質的優劣，決定著構件的性能。

通過以上的分析比較，最終決定采用模型4和模型7兩套方案，對原中鉸鏈進行改進設計，并制作樣件，進行開關門性能實驗驗證。

3 對標試驗與驗證

將模型4與模型7制成樣件后，對其進行開關門耐久性實驗。經過數十次實驗驗證，模型4的開關門次數基本穩定在120 000次左右，模型7的開關門次數基本穩定在145 000次左右。可見，兩種模型的中鉸鏈結構性能，均滿足企標的要求。鑒于模型4結構性能已經滿足使用標準，基于降本增效的企業運營角度考慮，最終選取模型4的改進設計方案，替代現有產品中的中鉸鏈。

4 結束語

以某型號的冰箱中鉸鏈為研究對象，通過開關門性能實驗檢驗其結構性能。實驗過程中，發現該中鉸鏈結構強度不能滿足現有產品的承載力需求，于是對中鉸鏈提出了數種改進方案，針對每種鉸鏈方案建立三維模型，并導入ANSYS軟件中，分析每種模型的靜力學性能。通過比照分析，初選出整體結構性能最好的改進模型。將選出的改進模型制件后，再次啟用開關門性能實驗，檢驗改進樣件的結構性能。實驗結果顯示，改進樣件結構性能符合企業標準，且有一定的性能富余。

本文從具體的產品實例出發，論述了冰箱中鉸鏈改進設計的方法，并通過仿真分析和對標實驗，論證設計方案的正確性，為今后該類產品的技術設計提供了借鑒依據。