张丹伟1 王利亚2 刘圆圆2 江俊2
1.广东美的制冷设备有限公司
2.合肥美的电冰箱有限公司
摘要
冰箱门体自锁件是连接门体与箱体的重要组件，主要包括铰链和助吸器，其作用是保证门体在关合状态时具有一定的预紧力。自锁件不合理的设计极易引发开关门力感体验差、门体关合不严和开关门过程中产生异音等问题。针对我司某款冰箱门体自锁件在关门过程中产生较大异音的问题，借助仿真手段得到原始自锁件中的助吸器在关门过程中的运动学和动力学行为，对其结构进行多次优化，仿真分析其可行性，最后制作样件验证其实际降噪和自锁力效果。结果表明：优化的助吸器在保证原有自锁力的前提下大幅降低了关门过程中产生的异音，最大声压级降幅在30%以上，为用户提供了良好的听感体验。
关键词
自锁件；仿真分析；结构优化；摩擦噪声；自锁力
DOI: 10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.05.013
0 引言
自锁件在家电产品中广泛存在，对于冰箱门体而言，自锁件是门体与箱体的主要连接机构，其主要包括铰链和助吸器。助吸器一般固定在门体下侧，与铰链配合，能够实现门体关闭到一定角度后自动关合，还可以使门体在完全关合状态保持一定的预紧力，使门封与箱体更好地压紧，从而减少冷量泄漏。
目前，冰箱门体自锁件的市场投诉主要包括自锁力大小不适、铰链变形严重、助吸器断裂和产生明显噪声等问题。针对这些问题，业界对自锁件做了大量的研究。倪军[1]对某型号中铰链进行结构和材料上的改进，提升了铰链的整体强度。陈鑫等[2]针对借助DFMEA识别出的高风险点，利用仿真软件对中铰链进行优化前后的静载和冲击模拟，并通过试验验证其可行性。王传薪等[3]以某对开门冰箱中产生噪声的下铰链为研究对象，采用标准化8D（8 Disciplines）方法分析解决了该铰链噪声问题。梁杰存等[4]基于理论、仿真和试验分析提出一种快速计算铰链承载强度并进行优化设计的方法，提升了铰链强度设计的效率。韩丽丽等[5]针对冰箱门体在多个小角度处出现悬停的现象，基于多体动力学仿真手段对助吸器进行了优化。张升刚等[6]采用仿真分析的方法对铰链在冰箱整机跌落过程中的动力学行为进行了模拟分析，确认了应力集中区域。王利亚等[7]优化了自锁结构在推门阶段的自锁力曲线，提升了铰链自锁的顺畅性，同时改善了关门异音。段新峰等[8]通过Altair公司提供的HyperMesh和Optistruct软件对铰链轴向静力承载过程进行非线性仿真模拟，较好地预估了试验测试结果，为铰链优选提供依据。张德海等[9]针对铰链轴断裂的问题，从材料成分、构建工艺和结构尺寸方面进行分析，使用DEFFOROM软件得到铰链轴断裂的原因并进行结构参数修改。从以上成果可以看出，对冰箱自锁件的研究大多集中于强度和刚度的优化，对于降噪方面的研究相对较少。
针对冰箱门体自锁件在关门过程中存在异音的问题，本文借助仿真手段着重分析了助吸器的运动学和动力学行为，在尽可能保证原有自锁力的前提下，根据分析结果指导模型的优化，最后制作样件验证其实际效果，为自锁件降噪优化提供参考。
1 问题描述与原因分析
我司某款冰箱在关门过程中自锁件会产生明显的异音，图1为原始自锁件及其在冰箱中的安装位置。如图1 b) 所示，助吸器固定在门体上，开关门过程中随门体一起绕铰链轴转动，其材质大多为POM（聚甲醛），是具有一定弹性的柔性体。铰链固定在箱体上，其材质大多为圆钢。
图1 原始自锁件及其在冰箱中的安装位置
为了了解原始自锁件在关门过程中的噪声水平，在半消声室中对自锁件的声压级进行测试。测试时，传声器位于冰箱正前方50 cm、高150 cm处，具体位置如图2所示，●代表传声器。其中，噪声采集使用西门子LMS SCADAS MOBILE声振信号采集仪和PCB公司的PCB 333B30型传声器。测得的自锁件的声压级时域结果如图3所示。
图2 声压级测点方位示意图
图3 原始自锁件声压级时域图
助吸器与铰链实际配合过程中，两者的接触面会产生较大的挤压力和摩擦力，使得助吸器发生明显的变形甚至产生较大的噪声。为了定量地了解噪声产生的原因，首先仿真研究自锁件在不同门体旋转角度下的自锁力[7]。仿真计算中设定助吸器的密度为1410 kg/m3，弹性模量为8000 MPa，泊松比为0.39；设定铰链的密度为7860 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。
对模型划分网格时，首先对所有结构采用四面体单元、单元大小为2 mm进行划分。由于助吸器与铰链接触区域为关键部位，因此两者在整个运动过程中的接触区域的网格划分较密，网格单元大小为1 mm，图4为自锁件的网格划分模型。
图4 原始自锁件有限元网格划分模型
图5所示为关门角度为0°时门体及助吸器的位置示意图，该关门角度表示助吸器与铰链恰好接触时门体的位置。图中同时显示了门体关闭过程中其绕铰链轴的旋转方向以及用户的推门点距铰链轴的力臂长度，并且认为用户推门力始终与门体垂直。图6所示为关门角度为22°时助吸器的位置示意图，该关门角度为门体经过22°旋转后处于完全关合状态的位置。
图5 关门角度为0°时门体及助吸器位置示意图
图6 关门角度为22°时助吸器位置示意图
由于仿真软件中只能看到不同关门角度下相对于铰链轴的力矩值，因此还需要根据力矩值人工计算得到对应的自锁力值，其结果如图7所示。
图7 原始助吸器自锁力仿真结果
从自锁力仿真结果来看，自锁力在推门和自闭阶段的自锁力大小适中，并没有自锁力过大的现象。另外，由于滑动速度也是影响摩擦噪声的因素之一，因此有必要从运动学角度了解助吸器在关门过程中的运动情况。
在图8所示的助吸器模型上添加一个标记点，该标记点在助吸器上与铰链恰好接触时的位置，借此了解助吸器与铰链接触部分在关门过程中的运动状态，仿真得到该标记点在固定坐标系中随关门角度的位移如图9所示。
图8 原始助吸器模型上的标记点
图9 原始助吸器标记点随关门角度的位移
图9中假设关门过程中门体随时间以某一角速度匀速旋转，这样便建立了关门角度与时间的线性关系，曲线斜率增大则可以看作标记点速度变大。可以看出助吸器标记点在关门初始阶段运动速度较慢，在某一关门角度处运动速度急剧增大，在关门后半阶段又以较慢速度运动。
由上面的分析可知，自锁力并不是引起自锁件产生明显异音的主要原因，通过运动学分析初步判断助吸器与铰链接触面的滑动速度是主要影响因素。
2 优化设计与效果验证
根据上述初步分析，将改变助吸器与铰链接触面部分的运动状态作为改进的重点。具体地，应避免关门过程中助吸器与铰链接触面部分速度急剧增大的现象。经多次对助吸器模型弯钩部分修改，依据仿真结果，图10所示的改进1助吸器基本满足上述要求，其中半透明模型为原始助吸器。
图10 改进1与原始助吸器模型对比
仿真工作中，同样在改进1助吸器模型上设置标记点，其初始坐标与原始助吸器模型标记点的初始坐标相同，如图10所示。图11为仿真得到的原始与改进1助吸器模型上的标记点随关门角度的位移对比。
图11 原始与改进1助吸器标记点随关门角度的位移对比
为了了解实际的降噪效果，制作改进1助吸器样件安装于冰箱门体上进行听感体验，样件如图12所示。
图12 改进1自锁样件
门体使用改进1助吸器样件后，关门过程中自锁件异音明显降低。并且从实际过程看，助吸器与铰链接触面的滑动速度较原始状态更加平缓，无急剧增大的现象，与图11的位移对比结果一致。这种现象可解释为[10]：当滑动速度比较高时，摩擦材料的麻坑状犁沟形成的时间就会缩短，相当于摩擦力波动的时间减少，从而使摩擦力包含更高的频率成分。当某些频率成分与摩擦系统的固有频率相同或接近时，就会引起系统的共振振动从而引发出摩擦噪声。另外，助吸器在关门过程中若与铰链接触面的滑动速度比较平缓，所增加的表面能通过完全弹性恢复和能量交换就可以降低到稳定状态，因而不会发生明显的摩擦异音。
然而，改进1助吸器后刚度的增大导致自锁力大幅增加，这就使得推门阶段需要较大的推门力才能完成门体的关闭，原始与改进1助吸器的自锁力仿真结果对比如图13所示。
图13 原始与改进1助吸器自锁力仿真结果对比
从图13可以看出，相比于原始自锁力，改进1助吸器使得最大推门力和最大自闭力均远高于原始水平，与实际力感吻合。
为了尽量维持原有自锁力水平，现需对改进1助吸器进行优化，降低自锁件的自锁力，同时应满足关门过程中无明显异音的要求。降低自锁力通常采用降低助吸器刚度的方法，本文降低其刚度的方法为对助吸器某些部位进行挖空和减薄处理。同时，为了保证助吸器与铰链接触面的滑动速度不变，要保持其与铰链接触部分的结构不变。
在改进1助吸器模型的基础上进行多次修改，得到的改进2助吸器模型如图14所示，其中厚度减薄尺寸为3 mm，消减材料后的助吸器的质量减少了约0.8 g，其自锁力仿真结果对比如图15所示。
图14 改进2助吸器模型
图15自锁力仿真结果显示，改进2助吸器基本满足维持原有自锁力水平的要求。依照优化的助吸器模型制作其样件，如图16所示。
图15 原始、改进1与改进2助吸器自锁力仿真结果对比
图16 改进2自锁样件
由前期结果可以预测，改进2自锁样件可同时满足力感和听感的要求。为了验证实际降噪效果，测试改进2自锁样件在关门过程中的声压级，与原始自锁件噪声的对比如图17所示。
图17 原始与改进2自锁件声压级对比
从测试结果可以看出，使用改进2助吸器的自锁样件在关门过程中的最大声压级大幅降低，由51 dB(A)降至35 dB(A)，降幅高于30%。用户体验方面，听感上关门过程中无较大自锁件异音产生，可接受。另外，相比于原始自锁件，推门力和自闭力水平无明显变化，与原始自锁力水平相当。
3 结论
本文通过对某型号冰箱助吸器在关门过程的有限元仿真分析，论证了自锁件产生较大异音的原因，根据分析结果探讨出降低该自锁件异音的有效方案，即在保持自锁件自锁力基本不变的前提下，通过优化助吸器弯钩部分的结构，使得助吸器与铰链接触面的滑动速度在关门过程中较为平缓，制作样件验证了仿真模型的准确性和优化结构的可行性。经实际测试，最终改进的助吸器达到了关门过程中最大声压级降幅30%以上的目的，听感上可接受。
本文从具体产品出发，论述了针对自锁件在关门过程中产生较大异音的改进设计方法，并通过仿真分析与试验相结合的手段，验证设计方案的正确性，为今后该类产品的技术设计提供了借鉴。
参考文献
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（责任编辑：张晏榕）
作者简介：
张丹伟，博士学位。
研究方向：主要从事冰箱等制冷设备的噪声与振动控制研究。
地址：广东省佛山市顺德区北滘镇美的全球创新中心。
E-mail：cumt_zhangdanwei@126.com。
文章引用 (GB/T 7714-2015格式引文) :
[1] 张丹伟, 王利亚, 刘圆圆, 等. 冰箱门体自锁件降噪结构设计与试验研究[J]. 家电科技, 2023(05): 76-80.
DOI: 10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.05.013.
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