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(guò)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(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)門過(guò)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(guò)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(jì)方法是設(shè)計(jì)人員參考類似卡扣的幾何參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2]。現(xiàn)階段對(duì)于該類缺陷的改善，主要是借助仿真手段對(duì)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(kāi)模前期進(jìn)行方案初步評(píng)估[3]，之后再制作樣件進(jìn)行驗(yàn)證。目前，工程師對(duì)單軸自鎖件有了較為深入的研究，但對(duì)雙軸自鎖件的研究相對(duì)較少。

本文以某款高端冰箱中的門體雙軸自鎖件為研究對(duì)象，針對(duì)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，建立雙軸自鎖件的優(yōu)化模型，采用有限元分析軟件對(duì)關(guān)門過(guò)程中雙軸自鎖件的受力情況進(jìn)行分析，最后制作樣件驗(yàn)證其實(shí)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(guò)程和方法，對(duì)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)關(guān)門過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)軌跡受雙軸及其滑移槽的共同作用，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程無(wú)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(duì)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(duì)位置，兩者實(shí)際配合過(guò)程中助吸器的變形會(huì)對(duì)鉸鏈產(chǎn)生作用力，該作用力對(duì)門體產(chǎn)生自鎖效果。冰箱門體從打開(kāi)至完全關(guān)合狀態(tài)自鎖件大致經(jīng)歷兩個(gè)階段：第一階段從助吸器恰好與鉸鏈接觸時(shí)開(kāi)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(huì)在某個(gè)位置處于既無(wú)推門力也無(wú)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(duì)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(guò)程，第二階段是釋放應(yīng)變能恢復(fù)變形的過(guò)程，在門體關(guān)合狀態(tài)其內(nèi)部殘余的應(yīng)變能對(duì)門體產(chǎn)生預(yù)緊作用。

2 問(wèn)題描述與原因分析

根據(jù)市場(chǎng)反饋，某款高端冰箱在關(guān)門過(guò)程中存在推門力過(guò)大的問(wèn)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(wèn)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(jì)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(shí)門體的位置，門體經(jīng)過(guò)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(jì)算結(jié)果可知，關(guān)門過(guò)程中的最大推門力已超過(guò)30 N，同時(shí)可以看出自鎖力存在跳躍現(xiàn)象、順暢性差，與用戶的實(shí)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(jì)存在明顯的缺陷。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與效果驗(yàn)證

由上文分析可知，鉸鏈和助吸器的結(jié)構(gòu)會(huì)共同影響整個(gè)門體的自鎖力，尤其是兩者接觸部分的設(shè)計(jì)更是對(duì)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(diǎn)對(duì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其滑移槽始終會(huì)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(duì)于自鎖力會(huì)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(wú)邊倒圓處理，同時(shí)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(duì)鉸鏈上相應(yīng)的部分進(jìn)行邊倒圓設(shè)計(jì)，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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)又不改變自鎖力的分布趨勢(shì)，現(xiàn)考慮對(duì)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(guò)程中的儲(chǔ)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(duì)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(shí)現(xiàn)了助吸器剛度的降低。

圖8 助吸器優(yōu)化

對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響。對(duì)于雙軸自鎖件，由于開(kāi)關(guān)門過(guò)程中滑移槽與鉸鏈軸之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者之間的磨損是一種常見(jiàn)的問(wèn)題。鉸鏈軸端部結(jié)構(gòu)的改變，很可能會(huì)改變滑移槽槽壁所承受的應(yīng)力，因此對(duì)關(guān)門過(guò)程中滑移槽槽壁的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。分析過(guò)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(guò)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(duì)比

由圖10中滑移槽槽壁承受的最大應(yīng)力對(duì)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(guò)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(duì)滑移槽的磨損程度。

3.2 效果驗(yàn)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(guò)程中會(huì)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(cè)試與體驗(yàn)。其中，測(cè)試推門力和自閉力時(shí)使用了如圖12所示的聲學(xué)與振動(dòng)分析儀，圖13為測(cè)得的整個(gè)關(guān)門過(guò)程的自鎖力曲線。

圖12 自鎖力測(cè)試設(shè)備

圖13 改進(jìn)鉸鏈和助吸器的自鎖力測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)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(wú)突變現(xiàn)象。用戶體驗(yàn)方面，相比于原始自鎖件，優(yōu)化后的自鎖件使得推門過(guò)程更省力，同時(shí)力感順暢性也有了顯著提升。

4 結(jié)論

本文針對(duì)冰箱門體雙軸自鎖件在關(guān)門過(guò)程中存在的推門力過(guò)大及力感順暢性差的問(wèn)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(shí)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(duì)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(duì)鉸鏈上相應(yīng)的部分進(jìn)行邊倒圓設(shè)計(jì)。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(guò)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(shí)際效果驗(yàn)證，測(cè)試與仿真的自鎖力結(jié)果基本一致，用戶關(guān)門過(guò)程中力感順暢性顯著提升，證實(shí)了仿真分析的準(zhǔn)確性。