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冰箱中铰链的改进设计

2022-11-26

日用电器 2022年10期
关键词:加强筋铰链轴向

倪 军

(合肥美的冰箱有限公司 合肥 230041)

引言

冰箱铰链是连接冰箱门体和箱体之间重要的安装结构件,依据铰链安装位置的不同,冰箱铰链分为上铰链、中铰链和下铰链[1]。上铰链、下铰链是冰箱产品的通用件,分别安装在冰箱箱体顶部与底部,起固定门体和承重作用。中铰链通常配置在双门冰箱、三门冰箱、多门冰箱等系列产品上,经螺栓与箱体中梁固连,起承载上门体和固定下门体的作用。冰箱铰链一般采用冷轧钢板压铸成形或钢板冲压成形,钢板表面做镀锌处理,以提升铰链的防锈防腐能力[2]。

在双门、三门和多门冰箱系列产品中,中铰链是一个重要的性能结构件,它既要承受门体及门体所载食物在轴向的重力,又要承受开关门过程中产生的冲击力。如果铰链强度不够,很容易使铰链产生径向或轴向变形,导致冰箱门体关不上或关不严,从而使冰箱产生关门报警,影响冰箱的保鲜和制冷功能[1]。情况严重时,会出现门体的脱落,造成PL事故。可见冰箱中铰链性能的优劣,影响着冰箱的整体性能。

1 中铰链的初始设计

冰箱产品开发过程中段,为了确保冰箱铰链具有足够的强度和使用寿命,都需要对冰箱门进行必要的开关门性能实验,以验证铰链的可靠性[3]。按照铰链十年的使用寿命,冰箱开关门性能实验的次数,企业标准设定为100 000次。

某型号中铰链的结构模型如图1所示。中铰链由铰链座和铰链轴两部分组成。铰链座的材质为冷轧镀锌钢板,牌号为Q235,厚度4 mm,铰链轴材质为15号钢,直径8 mm。铰链座由模具冲压成形,整体由垂直固定面和水平承重面两部分构成,固定面配有安装孔,承重面设置一个宽度3 mm,深度1.5 mm的加强筋,以提高铰链的整体强度。铰链轴通过压铆方式,压固在铰链座承重面的上下两端。实际使用过程中,中铰链由2根M5×16的沉头内六角不锈钢螺钉紧固在箱体中梁预埋铁上,铰链与箱体中梁横向配合间隙为0.5 mm。铰链轴外配轴套,与冰箱门体间通过上下端盖实现定位安装,径向配合间隙为0.2 mm。铰链座及铰链轴材料的主要机械性能如表1所示。

表1 铰链座及铰链轴材料主要机械性能指标

样机实验阶段,对配置了该中铰链的数款双门冰箱、多门冰箱进行开关门性能实验,结果部分样机在开关门实验进行到85 000~90 000次之间时,冰箱上下门体关闭过程中产生干涉现象。经比照研究后发现,上门体在垂直方向产生了局部下沉现象。将实验的中铰链拆离箱体中梁后与基准铰链比照,发现实验铰链在径向产生了明显的塑性变形,这是造成冰箱门体干涉的主要原因。冰箱中铰链在径向上的塑性变形,表明其结构强度已无法满足现阶段所有产品的使用需求,因此需要对中铰链进行必要的改进设计。

2 中铰链的改进设计

提升中铰链的结构强度,考虑从结构和材料两个方面入手,即同种材质改结构、同种结构改材质、结构与材质一起改动。

2.1 中铰链的结构改进设计

中铰链的结构改进有三种方案:①优化加强筋的数量和截面形状,提升结构强度;②增加铰链座与箱体固定点数量,提升铰链的整体强度;③加强筋和固定点同时改进。

2.1.1 加强筋的改进设计

由图1可知,原中铰链在径向承重面上有一个加强筋,改进设计中,尝试增加加强筋数量。鉴于原中铰链径向承重面空间有限,故最多只能新增一个加强筋。查阅相关的参考文献,可知不同的加强筋截面尺寸对结构件的性能亦有一定的影响[4,5],故结合实际的加工工艺,及开模难度,加强筋设计了2种改进方案。加强筋改进方案如图2所示。

图1 某中铰链结构模型

由中铰链的径向变形可知,在冰箱开关门性能实验中,中铰链的整体结构性能主要由其轴向承载能力决定。开关门过程中的冲击力,对中铰链破坏影响有限。故在评价改进方案结构性能的优劣时,以中铰链所处的静力学模型为基础,分析中铰链轴向承载力的变化对铰链结构产生的影响。以垂直于铰链承重面,且通过铰链轴心向下的力F等效冰箱上门体对中铰链的作用力,在改进模型的基础上,利用ANSYS软件,对改模型进行静力学仿真分析。通过力F值的变化,观察模型的应力云图及模型的承载力位移曲线,来分析改进模型的结构性能。

中铰链静力学模型的材质及机械性能指标如表1所示,泊松比0.33,材料密度7.85 g/cm3,对中铰链模型进行有限元建模。将图2中改进方案的三维模型导入到ANSYS软件中进行受力分析,其应力云图及承载力位移曲线分别如图3、图4所示。

图3 模型1及模型2的应力云图

图4 模型1及模型2承载力位移曲线

由图3可知,中铰链所受大值应力主要集中在铰链座固定面与承重面结合处。随着轴向力F值的增大,应力值大的区域从第2颗螺钉孔处逐渐向右侧和径向扩散,当应力值达到348.12 Mpa时,铰链模型1开始产生塑性形变,当应力值达到345.91 Mpa时,铰链模型2开始产生塑性形变。可见模型1与模型2的结构强度相当。图4中,两种铰链的承载力位移曲线几乎重合,也说明了两种结构强度没有本质区别,当承载力超过476 N后,两种模型承载力位移急剧变化。

2.1.2 固定点的改机设计

在原中铰链的基础上,增加一个固定点,即在固定面右边增加一个M4×16的内六角螺钉。改进后的中铰链模型及应力云图如图5所示。在相同的力学环境下模型1、模型2、模型3的位移曲线对比结果如图6所示。

图5 改进模型3及应力云图

图6 模型1、2、3承载力位移曲线

由图6知,模型3的轴向承载能力优于模型1、模型2。由图5应力云图可知,模型3的塑性形变应力为393.9 Mpa,亦优于模型1和模型2。可见,增加一个固定点,对中铰链整体结构强度的提升,具有明显的效果。相关研究表明,中铰链的第三颗螺钉是影响铰链强度的关键因素[6]。

2.1.3 改进模型的对比分析

为了更好的改进中铰链的结构,设计过程中,又新增了几个改进模型,与之前的模型进行比照分析。各个模型的应力云图及承载力位移曲线如图7~图8所示,轴向最大承载力如表2所示。

表2 各模型最大轴向承载力

图7 6个模型应力云图

图8 6模型轴向承载力位移曲线

对比模型3和模型4的应力云图、轴向承载力位移曲线及轴向最大承载力可知,在材质、固定点、铰链结构相同的情况下,加强筋的数量对铰链强度有较大影响。合理情况下,增加加强筋数量可以提升结构强度。

对比模型1与模型4、模型2与模型6的仿真分析结果,可知,同种结构,固定点的数量对铰链整体强度有明显影响。合理的增加铰链的固定点,是提升铰链结构强度的有效方法。

对比模型1与模型2、模型4与模型6的仿真分析结果,可知,在铰链结构、固定点数量及加强筋数量相同的情况下,小范围内加强筋的截面样式的不同对整体构件的强度影响不大。

对比模型5与模型3的仿真分析结果,可知,铰链局部结构的变化对整体强度有一定影响。模型5与模型3相比,其在铰链固定面与承重面交界处切除一小块连接,使得铰链承重面变小,结果模型5的轴向承载力位移曲线、轴向最大承载力、应力云图指标与模型3的性能指标相比出现小幅衰减。

对比模型1~6,可知,模型4的各项指标参数最优秀。这是一个比较理想的改进设计方案。

2.2 中铰链的材料改进

选中模型4,将模型4中的材质Q235替换成Q295,其他条件保持不变,形成模型7。对模型4与模型7在同一个环境条件下进行仿真分析,分析结果如图9所示。

图9 模型4及模型7轴向承载力位移曲线

由分析结果对比可知,模型7的结构性能优于模型4。模型7的最大轴向承载力为972 N,模型4的轴向最大承载力为817 N。可见,在其他条件相同的前提下,构件材质的优劣,决定着构件的性能。

通过以上的分析比较,最终决定采用模型4和模型7两套方案,对原中铰链进行改进设计,并制作样件,进行开关门性能实验验证。

3 对标试验与验证

将模型4与模型7制成样件后,对其进行开关门耐久性实验。经过数十次实验验证,模型4的开关门次数基本稳定在120 000次左右,模型7的开关门次数基本稳定在145 000次左右。可见,两种模型的中铰链结构性能,均满足企标的要求。鉴于模型4结构性能已经满足使用标准,基于降本增效的企业运营角度考虑,最终选取模型4的改进设计方案,替代现有产品中的中铰链。

4 结束语

以某型号的冰箱中铰链为研究对象,通过开关门性能实验检验其结构性能。实验过程中,发现该中铰链结构强度不能满足现有产品的承载力需求,于是对中铰链提出了数种改进方案,针对每种铰链方案建立三维模型,并导入ANSYS软件中,分析每种模型的静力学性能。通过比照分析,初选出整体结构性能最好的改进模型。将选出的改进模型制件后,再次启用开关门性能实验,检验改进样件的结构性能。实验结果显示,改进样件结构性能符合企业标准,且有一定的性能富余。

本文从具体的产品实例出发,论述了冰箱中铰链改进设计的方法,并通过仿真分析和对标实验,论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依据。

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