冰箱门体双轴自锁件力感顺畅性优化研究

张丹伟 王利亚 钟泽 江俊

1.广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311；2.合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

自锁件在冰箱门体中的应用较为广泛，目前大多自锁件属于单轴自锁类型，而双轴自锁件主要应用于高端类冰箱中。与单轴自锁件相比，同样是依靠铰链与助吸器的配合，使得门体在关闭过程中产生一定的预紧力，保证门体能够紧密关合。不同之处在于双轴自锁件中的铰链存在两根轴，该两根轴配合助吸器内的双轨迹轴套，实现了开关门过程中门体不与冰箱侧边物体发生干涉的功能[1]。

双轴自锁件在关门过程中普遍存在推门力不适中及力感顺畅性差的缺陷，传统设计方法是设计人员参考类似卡扣的几何参数，进行试验，然后根据经验调整参数再进行试验验证，反复进行，直到达到设计要求[2]。现阶段对于该类缺陷的改善，主要是借助仿真手段对优化后的自锁件进行力学仿真，可在样件制作之前或开模前期进行方案初步评估[3]，之后再制作样件进行验证。目前，工程师对单轴自锁件有了较为深入的研究，但对双轴自锁件的研究相对较少。

本文以某款高端冰箱中的门体双轴自锁件为研究对象，针对使用过程中存在的问题，建立双轴自锁件的优化模型，采用有限元分析软件对关门过程中双轴自锁件的受力情况进行分析，最后制作样件验证其实际效果。这一基于有限元分析的冰箱门体双轴自锁件自锁力的分析过程和方法，对于同类自锁件的改善具有一定的指导意义。

1 助吸器双轨迹运动过程

冰箱门体双轴自锁件主要由助吸器和双轴铰链组成，两部分配合起到门体的自锁作用，如图1所示为该自锁件在冰箱门体中的安装位置仰视图。助吸器固定在门体上，开关门过程中其运动轨迹受双轴及其滑移槽的共同作用，转动过程无固定的旋转轴，其材质大多为POM（聚甲醛）。双轴铰链固定在箱体上，其材质大多为圆钢，相对于助吸器可以看作是刚体。

图1 双轴自锁件在冰箱中的安装示意图

图2 中显示了双轴与其滑移槽的相对位置，两者实际配合过程中助吸器的变形会对铰链产生作用力，该作用力对门体产生自锁效果。冰箱门体从打开至完全关合状态自锁件大致经历两个阶段：第一阶段从助吸器恰好与铰链接触时开始，如图2 a) 所示，随着门体关闭其推门力先逐渐增大，达到某一最大值后逐渐减小，若关门角度继续增大，助吸器会在某个位置处于既无推门力也无自闭力的临界状态；第二阶段为该临界状态后，随着门体继续关闭，助吸器产生的自闭力先增大后减小的阶段，最终门体处于关合状态，如图2 b) 所示。

图2 双轴自锁件示意图

对于助吸器，上述第一阶段是推门力引起其发生变形、积累应变能的过程，第二阶段是释放应变能恢复变形的过程，在门体关合状态其内部残余的应变能对门体产生预紧作用。

2 问题描述与原因分析

根据市场反馈，某款高端冰箱在关门过程中存在推门力过大的问题，该冰箱的门体使用双轴自锁件，其在该冰箱中的安装位置如图3所示，此图为从冰箱的仰视角度拍摄。

图3 存在缺陷的双轴自锁件在冰箱中的安装位置

为了定量地了解问题产生的原因，借助仿真手段研究助吸器在不同关门角度下的自锁力。双轴自锁件的原始仿真模型如图4所示，仿真计算中设定助吸器的材质为POM，其弹性模量为8000 MPa、抗拉强度为60 MPa、密度为1410 kg/m3、泊松比为0.39[4]；设定铰链的材质为圆钢，其弹性模量为2.1×105MPa、抗拉强度为400 MPa、密度为7860 kg/m3、泊松比为0.3，图5为自锁力仿真结果。图中定义0°为助吸器与铰链恰好接触时门体的位置，门体经过20°旋转后处于完全关合状态。

图4 原始双轴自锁件模型

图5 原始双轴自锁件的自锁力仿真结果

由仿真计算结果可知，关门过程中的最大推门力已超过30 N，同时可以看出自锁力存在跳跃现象、顺畅性差，与用户的实际推门力感较为吻合。因此，由以上分析可知，该双轴自锁件的设计存在明显的缺陷。

3 优化设计与效果验证

由上文分析可知，铰链和助吸器的结构会共同影响整个门体的自锁力，尤其是两者接触部分的设计更是对自锁力的大小和顺畅性有至关重要的影响。基于以上分析，重点对铰链轴和助吸器弯钩部分的结构进行改进。

3.1 结构优化与仿真分析

助吸器在运动过程中，其滑移槽始终会与铰链轴的端部发生摩擦，两者接触部分的样式和摩擦情况对于自锁力会有显著的影响。查看原始结构发现，铰链轴的端部几乎无边倒圆处理，同时铰链上与助吸器接触部分的边缘仅为倒斜角处理。因此，为了提高铰链与助吸器接触部分的光滑程度，对铰链上相应的部分进行边倒圆设计，如图6 b) 中的黄色部分所示，其倒圆的半径R为1.0 mm。

图6 铰链优化

对铰链优化完毕后，进行相应的自锁力仿真分析，与原始双轴自锁件的自锁力对比结果如图7所示。

图7 原始与改进铰链的自锁力仿真结果对比

从图7可以看出，相比于原始自锁力，改进的铰链使得自锁力的顺畅性更佳，自锁力曲线中的突变现象明显减少。

另外，为了进一步降低推门阶段的最大推门力，同时又不改变自锁力的分布趋势，现考虑对助吸器的优化。助吸器的力臂形状决定其抗弯能力及闭合过程中的储能能力[5]。降低自锁力常用的方法之一是降低助吸器的刚度，此处对助吸器弯钩部分的凹槽进行加深，两侧凹槽分别加深1 mm与0.5 mm，凹槽底部厚度h由3.5 mm减薄至2 mm，如图8中黄色区域所示，实现了助吸器刚度的降低。

图8 助吸器优化

对助吸器进行优化后，进行相应的自锁力仿真分析，自锁力对比结果如图9所示。

图9 原始与改进铰链和助吸器的自锁力仿真结果对比

助吸器弯钩部分的消减，降低了其刚度，最终使得自锁力有了进一步的降低。相比于铰链优化的自锁力，最大推门力降低了1.6 N，已降至25 N以下。

铰链和助吸器结构的改变，除了影响其自锁力以外，亦会对其应力状态产生影响。对于双轴自锁件，由于开关门过程中滑移槽与铰链轴之间存在相对运动，两者之间的磨损是一种常见的问题。铰链轴端部结构的改变，很可能会改变滑移槽槽壁所承受的应力，因此对关门过程中滑移槽槽壁的应力进行仿真分析。分析过程中，设定门体的重力为100 N，助吸器分别和图6所示的原始与改进的铰链配合使用，其关门过程中滑移槽槽壁承受的最大应力如图10所示。

图10 助吸器和原始与改进铰链配合使用的应力对比

由图10中滑移槽槽壁承受的最大应力对比结果可知，铰链轴端部结构的改变，使得滑移槽槽壁在关门过程中承受的最大应力由43.5 MPa下降至38.6 MPa，可降低铰链轴对滑移槽的磨损程度。

3.2 效果验证

目前铰链的成型方式主要有压铸和冲压两种，由于铰链与助吸器在关门过程中会受力并产生变形，而压铸铰链较冲压铰链有更好的尺寸稳定性和较小的内应力，可以保证较好的尺寸精度[6]。根据以上分析，依照改进的铰链和助吸器模型制作其样件，其中铰链采用压铸工艺，如图11所示。

图11 改进铰链和助吸器样件

将制作的双轴自锁件样件安装于冰箱门体中进行自锁力的力感测试与体验。其中，测试推门力和自闭力时使用了如图12所示的声学与振动分析仪，图13为测得的整个关门过程的自锁力曲线。

图12 自锁力测试设备

图13 改进铰链和助吸器的自锁力测试结果

从测试结果可以看出，测试与仿真的自锁力结果基本一致，使用优化的铰链和助吸器使得最大推门力有所降低，自锁力曲线中基本无突变现象。用户体验方面，相比于原始自锁件，优化后的自锁件使得推门过程更省力，同时力感顺畅性也有了显著提升。

4 结论

本文针对冰箱门体双轴自锁件在关门过程中存在的推门力过大及力感顺畅性差的问题，借助仿真手段分析了原始双轴自锁件缺陷产生的原因，仿真得到的自锁力结果与用户的实际推门力感较为吻合。

根据力学基本理论，降低自锁力采用了降低助吸器刚度的方法，即对助吸器弯钩部分的凹槽进行加深。另外，为了提高铰链与助吸器接触部分的光滑程度，对铰链上相应的部分进行边倒圆设计。仿真结果显示优化后的双轴自锁件的最大推门力已降至25 N以下，并且降低了滑移槽槽壁在门体关闭过程中承受的最大应力，提升了自锁力的顺畅性。

最后制作样件进行实际效果验证，测试与仿真的自锁力结果基本一致，用户关门过程中力感顺畅性显著提升，证实了仿真分析的准确性。