冰箱自锁结构顺畅性及异音研究

冰箱自锁结构顺畅性及异音研究

周小伍

海信（容声）广东冰箱有限公司 广东 佛山 528303

摘要：合理的自锁设计，可以使冰箱门体平滑关闭，且关闭后，有一定的预紧力，保证门封与箱体的良好配合。不合理的自锁设计，会导致开关门体验差、门关不上、自锁不紧、噪音等问题，且门体不能良好地闭合，会导致冰箱漏冷、压缩机不停机、冰箱内食物变质等问题。

关键词：冰箱；铰链；自锁；优化；异音

引言

碰撞的本质为能量释放问题，在我们关注的冰箱滑轨抽屉碰撞中，主要的能量来源为初速度动能、自锁弹簧的弹性势能以及部分倾斜带来的重力势能。主要的能量释放来自碰撞时门封的减震、振动噪声的耗散、滑轨的摩擦以及箱体的位移。抽屉关闭的初速度为用户提供，不在客观控制的范畴，我们不予讨论。

1自锁结构分析

冰箱门体自锁结构是冰箱开关门过程中主要的用户交互结构，其自锁结构顺畅性，直接影响着用户开关门交互体验。但是由于自锁过程为相关构件的空间过盈装配过程，现阶段缺乏有效的可测量指标，系统研究自锁顺畅性问题。

2工作原理

依靠有绕组的定子铁心自身的重力产生对铁心内壁的正压力，从而在内壁表面产生摩擦力，当总摩擦力大于铁心总重时，即实现铁心的吊起。这种现象即为“自锁”。

3自锁结构仿真分析

3.1模型简化及网格划分

铰链自锁结构如图1所示。塑料自锁件与门体端盖通过螺钉相连，门体端盖与铰链自锁结构通过铰链轴连接，铰链轴与铰链基座面之间为铆接。考虑到自锁塑料件材质为POM塑料，铰链自锁结构材质为SPCC金属钣金件，材料刚度、强度等差异较大，简化铰链自锁结构模型。自锁塑料件采用四面体单元，材料为POM塑料，单元大小为1mm，单元类型C3D4，单元总数为107791个；考虑到自锁铰链刚度较大，简化铰链自锁结构为刚体面，采用线性四边形单元，并采用刚体单元建立铰链自锁结构有限元分析模型，单元大小为1mm，单元类型为刚体单元，单元总数为1037个。

图1铰链自锁结构

3.2材料参数

根据有限元理论，仿真结构的准确性与所采取的材料模型及材料参数密切相关。考虑到自锁结构工作过程中，自锁塑料件始终处于弹性状态，为获取自锁塑料件（POM）相关材料参数，进行了标准拉伸样条制作，并使用Instron万能材料试验机开展准静态拉伸实验。

3.3起吊装置的结构及使用介绍

起吊装置采用的连杆机构，使用时直接将该装置直接放入铁心内径，然后下压滑套，使支撑弧板与铁心内孔壁之间产生一定的正压力，然后起吊，在铁心重力的作用下，正压力逐渐增大，直至将铁心吊起。铁心放置到位后，敲击装置顶端，3个支撑臂可以自动回收。整个过程无需工人进行大强度劳动，起吊辅助时间很短，由于采用自锁原理设计，可靠性是很高的，不会出现吊运过程中脱落等情况。为了防止工人对内径尺寸较小的铁心进行起吊使用不匹配的吊运装置，此处设计了一个限位螺母，从而将支撑臂回收的最小角度进行限制，实现了对起吊铁心最小内径的限制，避免了工人的误操作。

3.4边界条件及连接简化

自锁塑料件与铰链自锁结构由门体端盖相连，且实际使用中门体端盖变形较小，为简化计算模型，去除门体端盖相关模型，采用RIB2单元将自锁塑料件连接于铰链轴心位置；考虑到自锁塑料件与铰链自锁结构的相对运动，将铰链自锁结构通过RIB2单元约束为刚体，与地面刚接。在自锁塑料件约束点施加关于铰链位置的转动角位移40度，以模拟自锁结构关门过程，自锁塑料件与铰链自锁单元之间定义接触以实现载荷传递。

整个静力实验过程是一个典型的准静态过程，涉及几何大变形、材料弹塑性及接触状态变化，属于强非线性问题。

图2铰链有限元模型

4自锁结构仿真优化

4.1门封减震耗散

冰箱门封是冰箱的密封结构，对冰箱的保温起最主要的作用。门封主要使用热塑性材料进行加工制作，同时其结构内含有数个气囊。门封的减振耗散，主要通过其材料的储能耗能特性以及气囊的机械结构来达到。门封气囊的结构在冰箱中主要起着密封的作用，有专门的设计和评价指标，本文暂不做讨论，这里我们仅对其材料进行分析和探索。

目前传统冰箱门封主要使用软质聚氯乙烯（PVC）挤塑成型，但近年来新型热塑性弹性体（TPE）门封由于其环保性和可重复利用性，正快速崛起。门封材料的储能减震特性主要通过储能模量及损耗模量表征。储能模量，又称杨氏模量，是材料变形后回弹的指标，表示材料储存弹性形变能量的能力；损耗模量是指材料形变时损耗变为热能的度量。等对PVC和TPE材料进行了基于DMA的弹性性能分析，其实验结论表明在20℃时，TPE材料的储能模量和损耗模量均明显高于PVC材料。由此可以推断，在同等条件下将PVC门封更换为TPE门封，可以相对提高门封在碰撞时的能量损耗，从而达到降低冰箱抽屉碰撞噪声的作用。

4.2优化自锁结构顺畅性验证

为优化自锁结构顺畅性，提高自锁角度，降低自锁推门力矩，确定自锁结构优化方案为，在应变能不变的前提下，降低自锁推门力矩峰值，且为简化优化过程，在自锁塑料件结构不变的前提下，利用仿真分析方法优化接触部位曲线，优化自锁结构反力矩仿真分析。

5实验方法和数据分析

依据上述理论分析，设计实验进行验证。实验使用某款五门法式冰箱，冷藏为左右开门，冷冻为三个滑轨抽屉。噪声以及力学采集使用DASPINV3062V便携式数据采集卡及配套软件，可实时监控噪声，采集滑轨拉力，利用压力摩擦力关系计算摩擦系数。传声器使用PCB，频响范围20Hz～20kHz；微型测力传感器量程：0kg～20kg，精度：0.5%F.S。传声器布置于冰箱正前方1m，距离地面高1m，实验时首先打开软件开始采集，将抽屉拉开后缓慢关闭，当抽屉运行到滑轨自锁点时停止，这时给抽屉一个极低的可忽略推力使其越过自锁，自动关闭。这样既可以保证实验可重复性，也排除了实验初速度的不可控影响。经过多次实验分析，确定各影响因素权重，分析最终改善效果。

结语

本文以我司某款自锁结构为例，建立了自锁结构仿真分析准静态模型，并结合实验及仿真分析结果，设定自锁顺畅性相关指标，分析自锁结构原理确定最终优化方向，且利用仿真分析方法针对各指标进行优化验证，并通过手板验证仿真分析模型的准确性及优化结构的可行性，成功解决了冰箱自锁结构总角度小、自锁顺畅性差、关门噪音大等问题，为同类问题的解决提供了一套完善的分析优化及验证思路。

参考文献

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