李語(yǔ)亭 王利亞 江俊 鐘澤 黃文才 任偉

美的冰箱事業(yè)部 用戶與產(chǎn)品中心 安徽合肥 230601

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技水平的不斷提高，以及人們生活質(zhì)量的不斷提升，各類家用電器在不斷升級(jí)換代。目前我國(guó)冰箱產(chǎn)品升級(jí)主要體現(xiàn)在從風(fēng)冷兩、三門(mén)向多門(mén)、對(duì)開(kāi)門(mén)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。冰箱結(jié)構(gòu)的升級(jí)也帶來(lái)了各種新的問(wèn)題。傳統(tǒng)兩門(mén)、三門(mén)冰箱門(mén)體結(jié)構(gòu)主要是側(cè)開(kāi)，而大多數(shù)多門(mén)冰箱冷凍室為抽屜結(jié)構(gòu)，抽屜結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了諸多用戶體驗(yàn)上的新問(wèn)題，比如開(kāi)門(mén)力、抽拉平順性、抽拉過(guò)程噪聲等等。對(duì)于側(cè)開(kāi)傳統(tǒng)門(mén)體，近年來(lái)已有諸多學(xué)者、工程師對(duì)此進(jìn)行了大量的研究：費(fèi)斌[1]等利用有限元分析的方法，研究了冰箱門(mén)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升了門(mén)體開(kāi)關(guān)的順暢性；王利亞[2]等針對(duì)冰箱自鎖結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，通過(guò)仿真分析優(yōu)化了鉸鏈自鎖結(jié)構(gòu)，使冰箱關(guān)門(mén)體驗(yàn)、關(guān)門(mén)異音得到顯著提升；魏邦福[3]等針對(duì)冰箱門(mén)體及其關(guān)鍵零部件，提出基于多場(chǎng)強(qiáng)度分析模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。但對(duì)于冰箱抽屜的研究則相對(duì)較少，特別是與用戶體驗(yàn)相關(guān)的問(wèn)題，更是難以得到解決。

根據(jù)2019年冰箱用戶體驗(yàn)調(diào)研，冰箱抽屜關(guān)閉時(shí)的碰撞噪聲排在所有用戶交互類噪聲的第一位。用戶投訴中，多數(shù)提到冰箱抽屜在關(guān)閉瞬間的碰撞噪聲大，甚至閉合時(shí)冰箱整體出現(xiàn)一定的晃動(dòng)和位移。針對(duì)抽屜噪聲的用戶體驗(yàn)改善已然成為提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的要點(diǎn)。本文針對(duì)某款法式多門(mén)冰箱的滑軌抽屜，進(jìn)行了碰撞噪聲的機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)研究，得到了冰箱滑軌抽屜碰撞噪聲的相關(guān)控制要點(diǎn)，并實(shí)際改善了此款冰箱的抽屜碰撞噪聲，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一定指導(dǎo)意義。

碰撞的本質(zhì)為能量釋放問(wèn)題，在我們關(guān)注的冰箱滑軌抽屜碰撞中，主要的能量來(lái)源為初速度動(dòng)能、自鎖彈簧的彈性勢(shì)能以及部分傾斜帶來(lái)的重力勢(shì)能。主要的能量釋放來(lái)自碰撞時(shí)門(mén)封的減震、振動(dòng)噪聲的耗散、滑軌的摩擦以及箱體的位移。抽屜關(guān)閉的初速度為用戶提供，不在客觀控制的范疇，我們不予討論。那么如果需要降低碰撞時(shí)的噪聲，同時(shí)又不使冰箱發(fā)生晃動(dòng)和相對(duì)位移，只能通過(guò)提高滑軌摩擦、優(yōu)化門(mén)封減震效果、降低自鎖彈簧彈性勢(shì)能、保證抽屜水平這四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。因此，針對(duì)上述分析，下文將逐一進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

2 分析和優(yōu)化

考慮實(shí)際使用情況以及實(shí)驗(yàn)的客觀狀態(tài)，這里我們忽略由于工藝造成的箱體不確定性變形所帶來(lái)的抽屜傾斜，因而重力勢(shì)能不予以考慮；同時(shí)實(shí)驗(yàn)中我們推拉抽屜的起始點(diǎn)為滑軌自鎖點(diǎn)，可以忽略無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的初始動(dòng)能。因此，本文中主要考慮：彈性勢(shì)能、摩擦耗散以及門(mén)封減震耗散。降低碰撞噪聲，需要從降低彈性勢(shì)能、提高摩擦耗散及減震耗散三方面入手。

2.1 彈性勢(shì)能

此款冰箱所用滑軌為C型三節(jié)金屬滑軌，每只滑軌中有自鎖彈簧兩根，如圖1-A所示?；壴诔閷祥]合時(shí)彈簧處于未拉伸狀態(tài)，當(dāng)滑軌拉開(kāi)時(shí)，彈簧逐漸拉伸，在拉伸到某一長(zhǎng)度時(shí)，滑軌中自鎖結(jié)構(gòu)開(kāi)始作用，圖中塑料圓形滑塊緩慢卡入凹糟使彈簧保持拉伸狀態(tài)（如圖1-B），滑軌中軌則繼續(xù)拉開(kāi)；滑軌關(guān)閉時(shí)，當(dāng)滑軌中軌滑動(dòng)至自鎖位置時(shí)，圓形滑塊脫出凹槽，攜帶整個(gè)中軌在彈性力作用下自動(dòng)閉合。

彈性勢(shì)能是存儲(chǔ)在材料或物理系統(tǒng)構(gòu)造中的潛在機(jī)械能，在冰箱滑軌系統(tǒng)中，由于自鎖彈簧發(fā)生彈性形變，此時(shí)彈性勢(shì)能發(fā)生變化，儲(chǔ)存于拉伸的彈簧當(dāng)中。本文所涉及彈性勢(shì)能方程可以表示為[4]：

式中，ke為冰箱滑軌系統(tǒng)自鎖等效剛度，Δx為自鎖彈簧拉伸量。在本文所涉及的冰箱滑軌自鎖系統(tǒng)中，自鎖彈簧為并聯(lián)組合，因此 等效剛度可表示為[5]：

其中，ki為單個(gè)彈簧彈性系數(shù)。冰箱單個(gè)抽屜使用一對(duì)C型滑軌，每個(gè)滑軌使用有兩支自鎖彈簧。因此，系統(tǒng)等效彈性系數(shù)為四個(gè)彈簧彈性系數(shù)之和。由上述公式可知，降低單個(gè)彈簧彈性系數(shù)，減少?gòu)椈衫炝靠捎行p少初始彈性勢(shì)能。特別是彈性系數(shù)，選取合適的彈性系數(shù)，可以將初始彈性勢(shì)能維持在一個(gè)較低的水平。因此，通過(guò)降低初始彈性勢(shì)能的方法改善冰箱抽屜碰撞噪聲，較為可行的方法是從減少拉伸量和彈性系數(shù)的方向入手。

對(duì)于當(dāng)前彈性勢(shì)能進(jìn)行初略計(jì)算，系統(tǒng)中共使用四只自鎖彈簧并聯(lián)，單個(gè)彈簧剛度系數(shù)約為：250N/m，自鎖點(diǎn)彈簧拉伸量約為0.06m，根據(jù)上述公式，系統(tǒng)初始彈性勢(shì)能約為1.8J。

2.2 摩擦耗散

冰箱滑軌抽屜自鎖閉合可以描述為一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)在粗糙表面上的運(yùn)動(dòng)，抽屜的運(yùn)動(dòng)受到一個(gè)與它的運(yùn)動(dòng)速度方向相反的摩擦阻力，即[5]：

其中，Δx為自鎖運(yùn)動(dòng)位移。由上述分析可知，提升滑軌等效摩擦系數(shù)，提升自鎖拉伸量可由有效的提高系統(tǒng)摩擦耗散。進(jìn)而降低最終碰撞時(shí)的動(dòng)能，改善冰箱抽屜碰撞噪聲。

對(duì)于滑軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算，其等效摩擦系數(shù)約為0.06，自鎖點(diǎn)位移量約為0.06m，空載抽屜質(zhì)量約6kg。根據(jù)上述公式，系統(tǒng)摩擦耗散約為0.216J。

圖1 滑軌結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 門(mén)封減震耗散

冰箱門(mén)封是冰箱的密封結(jié)構(gòu)，對(duì)冰箱的保溫起最主要的作用。門(mén)封主要使用熱塑性材料進(jìn)行加工制作，同時(shí)其結(jié)構(gòu)內(nèi)含有數(shù)個(gè)氣囊。門(mén)封的減振耗散，主要通過(guò)其材料的儲(chǔ)能耗能特性以及氣囊的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到。門(mén)封氣囊的結(jié)構(gòu)在冰箱中主要起著密封的作用，有專門(mén)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文暫不做討論，這里我們僅對(duì)其材料進(jìn)行分析和探索。

圖2 實(shí)驗(yàn)冰箱及布點(diǎn)示意圖

圖3 優(yōu)化前后碰撞噪聲對(duì)比圖

目前傳統(tǒng)冰箱門(mén)封主要使用軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC）擠塑成型，但近年來(lái)新型熱塑性彈性體（TPE）門(mén)封由于其環(huán)保性和可重復(fù)利用性，正快速崛起。門(mén)封材料的儲(chǔ)能減震特性主要通過(guò)儲(chǔ)能模量及損耗模量表征。儲(chǔ)能模量，又稱楊氏模量，是材料變形后回彈的指標(biāo)，表示材料儲(chǔ)存彈性形變能量的能力；損耗模量是指材料形變時(shí)損耗變?yōu)闊崮艿亩攘俊Ｅ顺蒣6]等對(duì)PVC和TPE材料進(jìn)行了基于DMA的彈性性能分析，其實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明在20℃時(shí)，TPE材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量均明顯高于PVC材料。由此可以推斷，在同等條件下將PVC門(mén)封更換為T(mén)PE門(mén)封，可以相對(duì)提高門(mén)封在碰撞時(shí)的能量損耗，從而達(dá)到降低冰箱抽屜碰撞噪聲的作用。

3 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析

依據(jù)上述理論分析，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)使用某款五門(mén)法式冰箱，冷藏為左右開(kāi)門(mén)，冷凍為三個(gè)滑軌抽屜。噪聲以及力學(xué)采集使用DASP INV3062V便攜式數(shù)據(jù)采集卡及配套軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控噪聲，采集滑軌拉力，利用壓力摩擦力關(guān)系計(jì)算摩擦系數(shù)。傳聲器使用PCB，頻響范圍20Hz～20kHz；微型測(cè)力傳感器量程：0kg～20kg，精度：0.5%F.S。傳聲器布置于冰箱正前方1m，距離地面高1m，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先打開(kāi)軟件開(kāi)始采集，將抽屜拉開(kāi)后緩慢關(guān)閉，當(dāng)抽屜運(yùn)行到滑軌自鎖點(diǎn)時(shí)停止，這時(shí)給抽屜一個(gè)極低的可忽略推力使其越過(guò)自鎖，自動(dòng)關(guān)閉。這樣既可以保證實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性，也排除了實(shí)驗(yàn)初速度的不可控影響。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析，確定各影響因素權(quán)重，分析最終改善效果。

為降低初始彈性勢(shì)能，我們對(duì)自鎖彈簧進(jìn)行優(yōu)化。彈簧的彈性系數(shù)與彈簧的直徑、彈簧的線徑、彈簧的材料、彈簧的有效圈數(shù)有關(guān)。這里材料以及彈簧直徑無(wú)法更改，于是通過(guò)降低線徑、增加線圈數(shù)關(guān)，降低其彈性系數(shù)，優(yōu)化后彈性系數(shù)約200N/m。另外，對(duì)于自鎖行程進(jìn)行改善，將自鎖行程由初始的0.06m降低至0.05m。理論估算初始彈性勢(shì)能下降約44%。針對(duì)滑軌等效摩擦系數(shù)，我們通過(guò)潤(rùn)滑油脂進(jìn)行微調(diào)，使用某款新型中高粘度潤(rùn)滑油脂后，實(shí)測(cè)單體滑軌等效摩擦系數(shù)提升至0.11。由于自鎖行程減短，綜合影響自鎖過(guò)程摩擦耗散提升52.8%。最后我們對(duì)門(mén)封材料進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)上文分析，想要降低碰撞時(shí)的噪聲能量，需要使用儲(chǔ)能模量和損耗模量更高的材料。實(shí)驗(yàn)中，所用樣機(jī)使用的是PVC材料門(mén)封，這里將PVC門(mén)封替換為儲(chǔ)能模量和損耗模量更高的TPE材料門(mén)封，并保持其結(jié)構(gòu)一致。結(jié)合以上優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)取得平均噪聲。單體及綜合對(duì)比改善前后碰撞噪聲數(shù)值如圖3所示。原始狀態(tài)下，抽屜碰撞噪聲達(dá)到81.29dB，在單獨(dú)對(duì)彈性勢(shì)能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，碰撞噪聲下降至73.88dB，降幅達(dá)到9.12%；而在單獨(dú)對(duì)摩擦耗散及門(mén)封減振耗散進(jìn)行優(yōu)化后，碰撞噪聲分別達(dá)到80.23dB和78.36dB，降幅分別只有1.3%和3.6%。當(dāng)三項(xiàng)改善措施同時(shí)作用時(shí)，碰撞噪聲有明顯的改善，下降至70.03dB。

冰箱抽屜碰撞噪聲屬于瞬間沖擊噪聲，其持續(xù)時(shí)間短且具有較高的瞬間聲壓峰值，頻譜特征表現(xiàn)為全頻段寬頻噪聲[7]。從頻域上看，單體優(yōu)化彈性勢(shì)能、摩擦耗散主要在1600Hz以下中低寬頻全段有一定改善，如圖4所示；而改變門(mén)封材質(zhì)則主要在1600Hz以上中高頻發(fā)揮優(yōu)化作用，在低頻段優(yōu)化效果有限，如圖5所示。門(mén)封材質(zhì)改變后會(huì)明顯改變碰撞噪聲的高頻表現(xiàn)，這里與材料的碰撞響應(yīng)特性有一定關(guān)聯(lián)，本文在此處不做深入探討。

依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以推斷，在不考慮初速度的理想狀態(tài)下，通過(guò)降低自鎖彈簧彈性系數(shù)和自鎖行程是改善冰箱抽屜碰撞噪聲最有效的方法，摩擦和門(mén)封優(yōu)化的影響次之。理論分析中我們也發(fā)現(xiàn)對(duì)比摩擦損耗，彈性勢(shì)能要高出接近一個(gè)數(shù)量級(jí)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)論也是相符合的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析冰箱抽屜碰撞噪聲產(chǎn)生的過(guò)程，依據(jù)能量守恒原理從降低初始彈性勢(shì)能、提高摩擦耗散和門(mén)封減震耗散的角度提出了優(yōu)化方向。根據(jù)冰箱抽屜的實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低自鎖彈簧彈性系數(shù)和自鎖行程，提高滑軌單體等效摩擦系數(shù)，以及改變門(mén)封屬性三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)際優(yōu)化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的優(yōu)化效果，證實(shí)了理論分析的結(jié)論。在后續(xù)冰箱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改善中，可以依據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)冰箱抽屜碰撞噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 彈性勢(shì)能及摩擦耗散優(yōu)化前后頻譜對(duì)比圖

圖5 門(mén)封優(yōu)化前后頻譜對(duì)比圖