黎铭峰 梁进军 马兵兵 王松波

（华帝股份有限公司 中山 528415）

引言

家用洗碗机通常采用下拉门的开门形式，门铰链机构设在门体底端的两侧，开门过程中门体绕铰链轴进行翻转运动，期间会受到拉簧力和自身重力的作用[1]。当门体处于合上状态时，拉簧力很小，起不到拉住门体的锁止作用，因此需要在门体顶部设有门锁。弹扣式门锁具有结构简单、设计成熟、可靠性强、装配方便等特点，因此成为了下拉门式洗碗机常用的门锁形式，有的在中间设一个门锁，有的在左右对称地设两个门锁，如图1所示。

弹扣式门锁模块的结构如图2所示，由弹扣式锁舌、限制锁舌滑移方向的支座和夹在锁舌和支座之间的弹簧组成；与锁舌相对应的是门体的内门顶部设有的凹槽结构，门体合上后弹扣式锁舌将在弹簧的作用下卡入凹槽之中，从而形成对门体的锁止作用。开门时，人施加于门上的拉力最终会转为推动凹槽中的弹扣式锁舌向上滑移，此时开门所需的拉力逐渐增大，当锁舌刚要越过内门凹槽后方的凸棱时，拉力达到最大，将此力称为“开门力”。因此，开门力与弹扣式门锁是密切相关的，尤其是与解锁力是紧密联系的，在其他消费品上例如汽车的门锁，已经有过类似研究，得出一些结构优化的结论[2]。对于洗碗机门锁的分析，目前是做得不够的，但是开门力是人机交互的重要部分之一，开门力太大会影响开门体验，开门力太小更是可能造成门体关不紧甚至自动弹开的情况，使得机器无法正常运行，还可能引发严重漏水漏蒸汽的问题。

1 弹扣式门锁的受力分析

本文研究的洗碗机中，具有2个相同的弹扣式锁舌模块，每个锁舌都具有前后两个斜面，分别决定着关门力和开门力的大小。本文针对开门力进行研究，后面对于锁舌斜面的分析和结论也适用于关门力的情况。

弹扣式门锁及内门凹槽可简化成图3所示的模型，锁舌视为忽略重量的轻质刚性体，受支座限制只做上下平移运动，期间不会有自身的转动。并且，将开门过程视为一个缓慢进行的过程，即每个时刻锁舌都处于受力平衡的状态，此时算出来的开门力其实是理论的最小开门力。图中，锁舌受到多个外力的作用，具体有：弹簧施加于锁舌的压力，定为F0，方向竖直向下；门体施加于锁舌的推力，定为F1，方向垂直于锁舌斜面；支座内壁对锁舌的支持力，定为F2，方向水平向后；各项摩擦力，主要包括锁舌弹簧轴与门锁支座套孔之间的摩擦力f1、锁舌主体与门锁支座内壁之间的摩擦力f2、锁舌斜面与内门之间的滑动摩擦力f3。随着开门的动作，锁舌越过凸棱需上移一段距离，定为x，则有：F0=kx。进一步由受力平衡关系，有以下公式：

式中：

F1—门体施加于锁舌的推力；

F0—弹簧施加于锁舌的压力；

α—锁舌斜面与水平面夹角；

k —弹簧的胡克系数；

x —弹簧压缩的最大位移。

当α设为48 °，x设为2.76 mm，k取5.0～8.3 N/mm时，可计算得F1为20.6～34.3 N。最后说明一下，锁舌运动的受力分析时有摩擦力的分析，但由于对摩擦力真实情况的考虑难以周全，并且也很难测得摩擦力量化的数据，因此本部分计算未考虑摩擦力，而摩擦力作用将以放大系数af引入到后续计算中。

2 开门力模型与理论计算

在实际使用中，人会通过把手拉动门体实现开门，此时拉力会转为内门顶起锁舌的推力F1，因此，F1越大，所需的开门力就越大。进一步地，对于同一个门锁模块，即F1相同，不同的把手位置所需的开门力会有所不同，进而开门体验也会有所差别。

如图4所示，对于一款双门锁的洗碗机，门体上把手设计有三种方案，假设人手都是水平拉动把手，因此拉力Fs对门体旋转中心的力矩分别为：s1=500 mm，s2=460 mm，s3=430 mm。另外，在设计图纸中测得F1对门体旋转中心的力矩为s0=380 mm。根据F1与Fs对门体铰链转轴的力矩相等，即n·F1·s0=Fs·s，双门锁洗碗机n=2，则有以下公式：

式中：

Fs—作用在门把手的水平拉力的理想值；

F1—门体施加于锁舌的推力；

s0—F1对门体旋转中心的力矩；

s —Fs对门体旋转中心的力矩。

代入数据，计算得Fs1为31.3～52.1 N，Fs2为34.0～56.7 N，Fs3为37.3～62.0 N。由此可知，对于项目的弹扣式门锁方案，门体把手位置越靠上，开门力就越小。

3 实际开门力与理论值的比较

前面计算未考虑摩擦力的影响，因此实际开门力应该比理论值要大，这里引入放大系数af=1.28。因此，实际开门力有以下公式：

式中：

F —作用在门把手的水平拉力的实际值；

Fs—作用在门把手的水平拉力的理想值；

af—摩擦力作用的放大系数。

计算结果如表1所示，对于本款双门锁洗碗机，实际开门力范围为40～80 N。另一方面，对实体机器的开门力数据进行采集，样品数为300台，开门力数值也是40～80 N，3款机型的开门力平均值分别约为50 N、55 N和65 N，与计算值的趋势十分相符。并且，已有小家电门锁选型的研究表明[3]，开门力设定为40 N；结合保证洗碗机洗涤腔良好密封的需要，开门力可以往上设为一个范围，即40～80 N。综上分析可以，本文的弹扣式门锁方案可很好地通用于双门锁洗碗机的不同外观机型，开门力控制在合适的范围。

表1 不同机型开门力的计算值与实测值的比较

4 开门力的参数影响分析

由式（1）、式（2）、式（3）整合可得开门力公式：

式中：

F —作用在门把手的水平拉力的实际值；

af—摩擦力作用的放大系数；

α—锁舌斜面与水平面夹角；

s0——F1对门体旋转中心的力矩；

s —开门力对门体旋转中心的力矩；

k —弹簧的胡克系数；

x —弹簧压缩的最大位移。

从公式可知，开门力主要受6大参数的影响。实际情况中，设计时门锁锁舌形状已经确定，锁舌与“凹槽-凸棱”结构的相对位置也已经确定，外观设计定案后门把手的位置也是确定的；另一方面，加工和装配的尺寸误差会造成开门力的小幅度波动，但这部分影响较小，并且具有一定随机性，本文不作讨论。综上，α、s0、s和x可认为是不变的，下面将对其他的参数影响展开分析，进而提出一些开门力的调整措施。

首先是锁舌斜面角度α，开门力随着α增大而增大。图2的设计图纸中，锁舌位置会靠后一点，所以真实状态的锁舌的底部会随门体位置而前移，锁舌整体呈“稍微后倒倾斜”，如图5所示。此时，如果将门锁模块稍前移，锁舌的倾斜会减小，则斜面角度α会加大，进而使得开门力增大；如果将门锁模块稍后移，锁舌的倾斜会加大，则斜面角度α会减小，进而使得开门力减小。进一步地如图6所示，以s=420 mm把手方案为例，随着斜面角度α在36 °到48 °变化，开门力产生8～13.5 N的调整量，这可用于生产线上的开门力微调。

其次是摩擦力影响的放大系数af，如果在锁舌弹簧轴与门锁支座套孔之间增加润滑脂，锁舌和支座之间的摩擦力就可以得到有效改善。实验证明，增加润滑脂后，开门力会有7 N左右的下降。此外，锁舌与支座的“销-套”配合段越长，同时配合间隙适当减小优化，这也可以减小摩擦力，但这个配合段在空间上受到很大限制，因此实际实施起来比较难。

再次是门锁弹簧的胡克系数k，这是最直观的影响因素，k值越大开门力越大，并且k值范围越大，开门力的波动幅度越大。因此，为了规范统一不同门把手位置的机型的开门力，应该新增1到2款门锁弹簧，同时把k值范围收窄，这样不同弹簧可适配不同的机型，各机型的开门力范围可以收窄到55～70 N之间，开门体验也会相互更加接近。

最后是其他因素，例如门体和机体之间设有发泡密封条，门体合上后内门边缘会压住密封条，形成相对密封的洗涤腔，此时密封条对门体会产生反作用力，这个压力可抵消小部分开门力F；但如果密封条装得靠外，或者密度偏大，这样密封条给到门体的压力就会增大，开门力就会减小，甚至会发生门体自动弹开的情况。又如，洗碗机需要固定好，此时拉动门体的开门力才是真实准确的，也可以更好做到水平拉门，拉力对门体旋转中心的力矩s不会由于方向偏离太大而有所减小，进而使得开门力增大；尤其是对于开门力比较大的情况，如果机器没固定好，开门同时很容易会拖动机器，这样就会带来不好的开门体验。还有，把手的握法也会影响施力效果，虽然开门力F是一样的，但是比较手指头施力和手掌施力两种情况，人对力值大小的感觉会有明显差异，所以把手设计要有更充分的考究。

5 结论

本文对洗碗机常用的弹扣式门锁进行了研究，先后建立了弹扣式门锁模块和双门锁下拉门开门的力学模型，通过受力分析进行了开门力的理论计算，提出了将摩擦力作用以放大系数af的方式引入计算之中，得到更加符合实际情况的结果，明确了不同把手位置会产生明显不同的开门力体验的结论。并且，本文还采集了实体机器的开门力数据，与理论计算结果进行了比较，验证了计算方法的合理性，进一步明确了40～80 N的开门力范围，可适配于不同把手位置的机型。之后，本文整理了开门力公式，据此对6项参数的影响进行了分析，尤其对锁舌斜面角度α、放大系数af、弹簧胡克系数k的影响展开了深入探讨，进而提出了一些开门力的调整措施，这对于洗碗机产品设计与优化、生产现场微调、售后维修服务等方面都具有很好的参考价值和指导意义。