基于仿真分析的冰箱门体自锁件的优化设计.pdf

Articles论文54 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422基于仿真分析的冰箱门体自锁件的优化设计Optimization design of door self-locking of refrigerator based on simulation analysis张丹伟1 王利亚2 李语亭2 江俊2ZHANG Danwei1 WANG Liya2 LI Yuting2 JIANG Jun21.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 2306011.Guangdong Midea Refrigeration Equipment Group Co.,Ltd.Foshan 528311;2.Hefei Midea Refrigerator Co.,Ltd.Hefei 230601摘 要：冰箱门体自锁件使得冰箱门体关闭后具有一定的预紧力，使门体上的门封与箱体能够紧密压合。合理的自锁件设计，可以在保证预紧力的前提下使得用户在关门过程中力感更加平缓顺畅；不合理的设计，则会导致开关门力感体验差、门体不能很好地闭合等问题。针对某冰箱门体自锁件在关门过程中推门力过大的问题，借助仿真软件对关门过程中该自锁件进行仿真分析，改进自锁件的助吸器结构，形成最终设计方案。结果表明：最终改进的自锁件在保证预紧力的前提下可以大幅降低关门过程中的推门力，同时自闭阶段的自锁力大小适中，满足用户需求，为设计及优化自锁结构提供参考。关键词：自锁件；仿真分析；推门力；预紧力；结构优化Abstract:The door self-locking of refrigerator makes the door body have a certain pre-tightening force after it is closed,it makes the door seals on the door body and the box body can be tightly pressed.The reasonable design can make the user close the door more gently and smoothly under the premise of ensuring the preload;the unreasonable design will lead to a poor experience of opening and closing the door,the door body cannot be closed well and so on.In view of the problem that the door self-locking of a certain refrigerator has excessive pushing force during the door closing process,analyzes the self-locking part in the process of closing the door with the help of simulation software,improves the structure of suction assisting device,and the fi nal design scheme was formed.The results show that the fi nal improved self-locking part can greatly reduce the pushing force during the door closing process under the premise of ensuring the preload,the self-locking force in the self-closing stage is moderate at the same time,satisfi es the needs of users,this provides a reference for designing and optimizing self-locking structure.Keywords:Self-locking part;Simulation analysis;Pushing force;Pre-tightening force;Structure optimization中图分类号：TB535 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0080 引言自锁结构主要包括铰链和助吸器，其由于结构简单、安装便捷及价格低廉等特点广泛应用于家电行业。对于冰箱而言，自锁结构在门体中的应用最为普遍，铰链与助吸器的配合，使得门体关闭后产生一定的预紧力，保证门体上的门封与箱体的紧密压合。在冰箱的实际使用中，往往存在自锁件的不合理设计导致的推门力过大或者门体关闭后预紧力过小等问题。目前，常规的优化设计是通过不断地调整自锁件的结构和制作样件验证来进行。王传薪作者简介：张丹伟，博士学位。研究方向：冰箱等制冷设备的噪声与振动控制。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_。等1对比了不同结构参数的铰链在静态压力和动态冲击测试下的力学行为，并采用DRBFM方法论辅助对中铰链做了优化设计。张升刚等2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。韩丽丽等3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。王利亚等4优化了铰链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。李延锋等5采用ABAQUS软件仿真分析了冰箱门体卡扣在不同配合尺寸下的关门Articles论文 55家电科技 Vol.3 2023 Issue 422力和锁紧力，拟合得到了该两种力与配合尺寸的关系。陆涛等6对某款冰箱的助吸器进行仿真分析，改善了其应力分布并提高了门体的最大开关门力，解决了门体自锁力不足的问题。费斌等7利用有限元软件分析了冰箱门体止挡在开关门过程中和关门状态下的受力、变形情况，对止挡进行了优化，改善了止挡的扭曲变形现象和与铰链装配过程中的噪声问题。胡涛等8提出了一种冰箱铰链上的自动闭门机构，加强了门体的闭合性能，提升了开关门过程中的手感顺畅度。国外学者对于自锁件的研究普遍集中于汽车和机械等行业，家电行业中该方面的研究成果极少。例如Petrov等9基于云技术和并行计算对汽车门体铰链进行优化，在保持其力学特性的基础上减少了材料的使用。本文对某冰箱门体自锁件通过采用有限元分析软件，对冰箱关门过程中自锁件的受力情况进行分析，针对存在的问题建立若干自锁件的优化模型，综合仿真和试验结果进行自锁件的设计和性能评估，进而确定自锁件的最终优化方案。1 助吸器与铰链配合过程冰箱门体自锁件主要由助吸器和铰链组成，两部分配合起到门体的自锁作用，如图1所示为自锁件在冰箱门体中的安装位置。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）。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性体。图1 自锁件在冰箱中的安装示意图助吸器与铰链实际配合过程中，由于助吸器的刚度较低，变形的同时会对铰链产生作用力，作用力可分解为摩擦力与挤压力，其方向分别为两部分接触面的切线与法线方向。冰箱门体从助吸器与铰链接触前至完全关闭状态，助吸器存在如下四个重要位置：位置1为助吸器恰好与铰链接触时所处的位置，本文研究中将该位置对应的门体旋转角度计为0，即门体的初始位置；位置2为门体逐渐关闭过程中推门力最大时助吸器所处的位置，对于图2所示模型此时关门角度大致为8。当助吸器通过位置2以后，形变逐渐恢复，推门力逐渐减小。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。初始位置至临界位置属于推门阶段，临界位置以后门体由于受到助吸器预紧力的作用而进入自闭阶段。当助吸器到达位置3时，其产生的自闭力最大，此时关门角度大致为22；位置4为门体处于完全关闭状态时助吸器所处的位置，此时关门角度大致为25，助吸器产生一个最终的预紧力保证门封与箱体的紧密压合。图2 a)d)显示了上述助吸器存在的四个重要位置。a)位置1 b)位置2 c)位置3 d)位置4图2 助吸器在关门过程中的四个重要位置2 问题描述与原因分析根据用户的反映，某冰箱在关门过程中存在推门力过大的缺陷，而门体自锁件对于推门力有着直接的影响，其在该冰箱中的安装位置如图3 b)所示。a)存在缺陷的自锁件 b)安装位置图3 存在缺陷的自锁件及其在冰箱中的安装位置为了定量地了解问题产生的原因，研究助吸器在不同关门角度下的自锁力，借助仿真手段对其进行定量分析。首先建立能反映自锁件真实结构的仿真模型，同时忽略对仿真结果无过大影响的结构，其原始模型如图4所示。将模型导入相应的仿真软件，依据实际使用的助吸器和铰链材料性能，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、泊松比为0.39、密度为1410 kg/m3；设定铰链的材质Articles论文56 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422为圆钢，其弹性模量为2.1105 MPa、抗拉强度为400 MPa、泊松比为0.3、密度为7860 kg/m3。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，此处采用三角形单元、单元大小为1 mm进行划分，图5为自锁件的网格划分示意图。图5 原始自锁件有限元网格模型为了简化仿真模型，采用直接约束铰链底部两个螺钉孔全部自由度的方式模拟螺钉对铰链的约束。对助吸器在0 初始位置时施加其绕铰链轴旋转的角位移，以模拟关门过程，助吸器与铰链之间定义接触以实现载荷传递。得到的自锁力仿真结果如图6所示。由仿真计算结果可知，在关门过程中的最大推门力高达40 N，与用户的实际推门感受较为吻合。因此，由上文的分析可知，自锁件设计的不合理是导致推门力较大的主要原因。3 结构优化与效果验证3.1 优化设计要素研究由第2章节可知，冰箱门体关门过程中首先为外力做功阶段，助吸器产生变形，外力做功转化为助吸器的应变能和助吸器与铰链之间的摩擦热能；当助吸器经过临界位置后，外力停止做功，助吸器的应变能产生门体自锁的效果，能量关系分别如式（1）与式（2）所示4。（1）（2）式（1）中，M推门力矩为推门阶段推门力绕门体转轴形成的力矩，单位为Nmm；代表门体的关门角度，单位为；E应变能为推门阶段助吸器所积累的应变能，单位为J；E摩擦为推门阶段助吸器与铰链之间发生摩擦所产生的热能，单位为J。式（2）中，M预紧力矩为自闭阶段助吸器产生的预紧力绕门体转轴形成的力矩；E应变能为自闭阶段助吸器所残余的应变能；E摩擦为自闭阶段助吸器与铰链之间发生摩擦所产生的热能。助吸器的弯钩形状会极大地影响其抗弯能力和储能能力，合理的弯钩形状可以获得最优的关门自锁效果，同时有效地避免了在门体关闭过程中发生过度的弯曲和扭转变形。另外，门体结构确定后，助吸器和铰链的接触面形状不宜进行变更设计，而助吸器弯钩部分的形状则可以在允许范围内进行更改。基于以上分析，重点对助吸器弯钩部分的形状进行结构改进。从式（1）可知，助吸器与铰链之间更少的摩擦热能可以减少推门力矩做的功，从而让用户推门时更省力，因此，降低助吸器与铰链之间的摩擦也是要考虑的要素之一。3.2 仿真优化分析根据前面的分析，优化的重点在于对助吸器的弯钩部分进行结构改进。由于在关门过程中的最大推门力较大，很显然应该从降低弯钩刚度的角度进行结构改进。对于助吸器的弯钩，其凹槽底部厚度、轴向厚度及径向宽度为三个关键尺寸，因此，围绕这三个尺寸对助吸器进行结构改进。整个优化过程一共产生了如图7 a)f)所示的六种改进的助吸器模型，六种改进的模型与原始模型的自锁力仿真对比结果如图8所示。由于关门角度大致为8 时推门力最大，因此，为减少计算量只计图4 原始自锁件模型图6 原始自锁件的自锁力仿真结果Articles论文 57家电科技 Vol.3 2023 Issue 422算关门角度为08 时的自锁力。表1中列出了具体的改进方案以及对应的最大推门力。由图8和表1的仿真结果可以看出，结构改进的助吸器刚度均有所降低，使得推门力相对于原始方案均有所下降，并且弯钩径向宽度减小越多，最大推门力越小。其中，改进3对应的最大推门力下降至13 N，为最小推门力；改进4改进6对应的最大推门力下降至20 N左右。3.3 仿真效果验证为了验证仿真结果的准确性，制作改进3改进6的助吸器样件，分别如图9 a)d)所示。将制作的助吸器样件安装于冰箱门体中进行推门力的力感体验与评价，并且由前面的分析可知，应尽量降低助吸器与铰链之间的摩擦，安装过程中在助吸器与铰链的接触面涂抹润滑脂。体验与评价结果如下：安装改进3助吸器的门体的推门力最小，但门体处于完全关闭状态时门体的预紧力较低，存在冷量泄漏的风险；另外，改进3助吸器相比于其他助吸器其弯钩根部的内凹程度最大，应力集中的风险最大。安装改进4改进6助吸器的门体的推门力为大多数体验者所接受，其中，安装改进5助吸器的门体的推门力大小最为适中。为了定量地分析安装改进助吸器后的推门力，使用图10所示的声学与振动分析仪对推门力进行测定，图11为测定的安装改进4改进6助吸器的门体的推门力曲线。最后，为了验证改进5助吸器对于门体处于完全关闭状态时其预紧力是否满足要求，测定安装改进5助吸器的门体在整个关门过程中的自锁力，其结果如图12所示。综合以上分析，采用改进5助吸器的自锁件能够显著降低关门过程中的最大推门力，最大推门力降幅达50%，并且各个阶段的自锁力大小适中、满足要求，可为体验者所接受。同时，改进的助吸器相比于 a)改进1 b)改进2 c)改进3 d)改进4 e)改进5 f)改进6图7 改进的助吸器模型图8 原始与改进助吸器的推门力仿真结果对比表1 助吸器改进方案与最大推门力方案名称改进方案要点最大推门力原始/40 N改进1弯钩凹槽底部减薄至2 mm（原始凹槽底部厚度为4.5 mm）36 N改进2改进1+弯钩凹槽开7个圆孔（半径R=2 mm）28 N改进3改进1+弯钩径向宽度减薄至6 mm（原始径向宽度为11 mm）13 N改进4改进1+弯钩径向宽度减薄至6 mm+防止应力集中17 N改进5改进1+弯钩径向宽度减薄至7 mm+防止应力集中20 N改进6改进1+弯钩径向宽度减薄至8 mm+防止应力集中22 N c)改进5 d)改进6图9 改进3改进6的助吸器样件 a)改进3 b)改进4Articles论文58 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422原始助吸器，其尺寸有所减小，降低了用料成本。4 结论本文针对冰箱门体关闭过程中推门力过大的问题，分析了原始门体自锁件存在的缺陷，对自锁件进行结构优化设计，对比了不同改进方案的自锁力，在解决问题的同时实现了成本的降低。优化方案采用降低助吸器刚度的方法，对助吸器弯钩部分的凹槽底部和径向宽度进行了不同程度的减薄处理。借助仿真手段对比分析了门体关闭过程中不同改进方案下自锁件的自锁力，制作助吸器样件进行实际的力感体验与测试。最终采用了改进5的优化方案，该方案助吸器弯钩部分凹槽底部厚度为2 mm，弯钩径向宽度为7 mm，最大推门力由40 N降低至20 N，降幅达50%，为体验者所接受，消除了设计变更中存在的技术风险。在产品结构优化中，采用有限元方法可以大幅度地减少样件制作等研发成本，提高产品质量改善的效率。同时，仿真与试验结果的对比，可以论证设计方案的正确性。参考文献1 王传薪,卢志山,胡春,等.基于DRBFM方法的冰箱中铰链优化设计A/中国家用电器协会.2021年中国家用电器技术大会论文集C.2021:335-341.2 张升刚,韩丽丽,张月,等.基于冰箱跌落仿真的门体铰链优化设计A/中国家用电器协会.2020年中国家用电器技术大会论文集C.2020:158-163.3 韩丽丽,张升刚,王美艳,等.基于多体动力学仿真的冰箱助吸器优化设计J.机械制造,2020,58(04):69-72.4 王利亚,江俊,李语亭,等.冰箱自锁结构顺畅性及异音研究J.家电科技,2019(04):91-94.5 李延锋,刘海丽,罗明明,等.基于ABAQUS的冰箱卡扣X向配合尺寸对Y向受力影响的分析J.机械工程师,2016(09):9-12.6 陆涛,鲍敏,田亚明.冰箱限位块自锁力仿真优化分析A/中国家用电器协会.2016年中国家用电器技术大会论文集C.2016:114-116.7 费斌,李晓峰,方静,等.有限元分析在冰箱止挡优化设计中的应用A/中国家用电器协会.2013年中国家用电器技术大会论文集C.2013:172-177.8 胡涛,杨文明,徐德雅,等.一种应用于冰箱铰链上的自动闭门机构:中国,CN202120203523.1P.2021-01-25.9 R.Petrov,P.Cvetkov,A.Maksimov,O.Klyavin.On the problem of optimizing the door hinge of electro car by generative design methodsJ.International Journal of Mechanics,2020,14:119-124.（责任编辑：马冀圆）图10 关门力测定设备 图11 安装改进4改进6助吸器的推门力测定结果对比图12 安装改进5助吸器的推门力测定结果