冰箱抽屜碰撞噪聲分析與優(yōu)化

李語亭 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

隨著中國經(jīng)濟的不斷發(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換代。目前我國冰箱產(chǎn)品升級主要體現(xiàn)在從風(fēng)冷兩、三門向多門、對開門進行轉(zhuǎn)變。冰箱結(jié)構(gòu)的升級也帶來了各種新的問題。傳統(tǒng)兩門、三門冰箱門體結(jié)構(gòu)主要是側(cè)開，而大多數(shù)多門冰箱冷凍室為抽屜結(jié)構(gòu)，抽屜結(jié)構(gòu)也帶來了諸多用戶體驗上的新問題，比如開門力、抽拉平順性、抽拉過程噪聲等等。對于側(cè)開傳統(tǒng)門體，近年來已有諸多學(xué)者、工程師對此進行了大量的研究：費斌[1]等利用有限元分析的方法，研究了冰箱門體運動規(guī)律，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升了門體開關(guān)的順暢性；王利亞[2]等針對冰箱自鎖結(jié)構(gòu)存在的問題，通過仿真分析優(yōu)化了鉸鏈自鎖結(jié)構(gòu)，使冰箱關(guān)門體驗、關(guān)門異音得到顯著提升；魏邦福[3]等針對冰箱門體及其關(guān)鍵零部件，提出基于多場強度分析模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。但對于冰箱抽屜的研究則相對較少，特別是與用戶體驗相關(guān)的問題，更是難以得到解決。

根據(jù)2019年冰箱用戶體驗調(diào)研，冰箱抽屜關(guān)閉時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，甚至閉合時冰箱整體出現(xiàn)一定的晃動和位移。針對抽屜噪聲的用戶體驗改善已然成為提升產(chǎn)品競爭力的要點。本文針對某款法式多門冰箱的滑軌抽屜，進行了碰撞噪聲的機理分析及實驗研究，得到了冰箱滑軌抽屜碰撞噪聲的相關(guān)控制要點，并實際改善了此款冰箱的抽屜碰撞噪聲，對后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計提供了一定指導(dǎo)意義。

碰撞的本質(zhì)為能量釋放問題，在我們關(guān)注的冰箱滑軌抽屜碰撞中，主要的能量來源為初速度動能、自鎖彈簧的彈性勢能以及部分傾斜帶來的重力勢能。主要的能量釋放來自碰撞時門封的減震、振動噪聲的耗散、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的噪聲，同時又不使冰箱發(fā)生晃動和相對位移，只能通過提高滑軌摩擦、優(yōu)化門封減震效果、降低自鎖彈簧彈性勢能、保證抽屜水平這四個方面來進行。因此，針對上述分析，下文將逐一進行研究和驗證。

2 分析和優(yōu)化

考慮實際使用情況以及實驗的客觀狀態(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的抽屜傾斜，因而重力勢能不予以考慮；同時實驗中我們推拉抽屜的起始點為滑軌自鎖點，可以忽略無法準確計算的初始動能。因此，本文中主要考慮：彈性勢能、摩擦耗散以及門封減震耗散。降低碰撞噪聲，需要從降低彈性勢能、提高摩擦耗散及減震耗散三方面入手。

2.1 彈性勢能

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]合時彈簧處于未拉伸狀態(tài)，當(dāng)滑軌拉開時，彈簧逐漸拉伸，在拉伸到某一長度時，滑軌中自鎖結(jié)構(gòu)開始作用，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；滑軌關(guān)閉時，當(dāng)滑軌中軌滑動至自鎖位置時，圓形滑塊脫出凹槽，攜帶整個中軌在彈性力作用下自動閉合。

彈性勢能是存儲在材料或物理系統(tǒng)構(gòu)造中的潛在機械能，在冰箱滑軌系統(tǒng)中，由于自鎖彈簧發(fā)生彈性形變，此時彈性勢能發(fā)生變化，儲存于拉伸的彈簧當(dāng)中。本文所涉及彈性勢能方程可以表示為[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為單個彈簧彈性系數(shù)。冰箱單個抽屜使用一對C型滑軌，每個滑軌使用有兩支自鎖彈簧。因此，系統(tǒng)等效彈性系數(shù)為四個彈簧彈性系數(shù)之和。由上述公式可知，降低單個彈簧彈性系數(shù)，減少彈簧拉伸量可有效減少初始彈性勢能。特別是彈性系數(shù)，選取合適的彈性系數(shù)，可以將初始彈性勢能維持在一個較低的水平。因此，通過降低初始彈性勢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。

對于當(dāng)前彈性勢能進行初略計算，系統(tǒng)中共使用四只自鎖彈簧并聯(lián)，單個彈簧剛度系數(shù)約為：250N/m，自鎖點彈簧拉伸量約為0.06m，根據(jù)上述公式，系統(tǒng)初始彈性勢能約為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彈簧質(zhì)量系統(tǒng)在粗糙表面上的運動，抽屜的運動受到一個與它的運動速度方向相反的摩擦阻力，即[5]：

其中，Δx為自鎖運動位移。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。進而降低最終碰撞時的動能，改善冰箱抽屜碰撞噪聲。

對于滑軌進行實驗并計算，其等效摩擦系數(shù)約為0.06，自鎖點位移量約為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 門封減震耗散

冰箱門封是冰箱的密封結(jié)構(gòu)，對冰箱的保溫起最主要的作用。門封主要使用熱塑性材料進行加工制作，同時其結(jié)構(gòu)內(nèi)含有數(shù)個氣囊。門封的減振耗散，主要通過其材料的儲能耗能特性以及氣囊的機械結(jié)構(gòu)來達到。門封氣囊的結(jié)構(gòu)在冰箱中主要起著密封的作用，有專門的設(shè)計和評價指標(biāo)，本文暫不做討論，這里我們僅對其材料進行分析和探索。

圖2 實驗冰箱及布點示意圖

圖3 優(yōu)化前后碰撞噪聲對比圖

目前傳統(tǒng)冰箱門封主要使用軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC）擠塑成型，但近年來新型熱塑性彈性體（TPE）門封由于其環(huán)保性和可重復(fù)利用性，正快速崛起。門封材料的儲能減震特性主要通過儲能模量及損耗模量表征。儲能模量，又稱楊氏模量，是材料變形后回彈的指標(biāo)，表示材料儲存彈性形變能量的能力；損耗模量是指材料形變時損耗變?yōu)闊崮艿亩攘?。潘成[6]等對PVC和TPE材料進行了基于DMA的彈性性能分析，其實驗結(jié)論表明在20℃時，TPE材料的儲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門封更換為TPE門封，可以相對提高門封在碰撞時的能量損耗，從而達到降低冰箱抽屜碰撞噪聲的作用。

3 實驗方法和數(shù)據(jù)分析

依據(jù)上述理論分析，設(shè)計實驗進行驗證。實驗使用某款五門法式冰箱，冷藏為左右開門，冷凍為三個滑軌抽屜。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，可實時監(jiān)控噪聲，采集滑軌拉力，利用壓力摩擦力關(guān)系計算摩擦系數(shù)。傳聲器使用PCB，頻響范圍20Hz～20kHz；微型測力傳感器量程：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。實驗時首先打開軟件開始采集，將抽屜拉開后緩慢關(guān)閉，當(dāng)抽屜運行到滑軌自鎖點時停止，這時給抽屜一個極低的可忽略推力使其越過自鎖，自動關(guān)閉。這樣既可以保證實驗可重復(fù)性，也排除了實驗初速度的不可控影響。經(jīng)過多次實驗分析，確定各影響因素權(quán)重，分析最終改善效果。

為降低初始彈性勢能，我們對自鎖彈簧進行優(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法更改，于是通過降低線徑、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，對于自鎖行程進行改善，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能下降約44%。針對滑軌等效摩擦系數(shù)，我們通過潤滑油脂進行微調(diào)，使用某款新型中高粘度潤滑油脂后，實測單體滑軌等效摩擦系數(shù)提升至0.11。由于自鎖行程減短，綜合影響自鎖過程摩擦耗散提升52.8%。最后我們對門封材料進行優(yōu)化，根據(jù)上文分析，想要降低碰撞時的噪聲能量，需要使用儲能模量和損耗模量更高的材料。實驗中，所用樣機使用的是PVC材料門封，這里將PVC門封替換為儲能模量和損耗模量更高的TPE材料門封，并保持其結(jié)構(gòu)一致。結(jié)合以上優(yōu)化措施，經(jīng)過多次實驗取得平均噪聲。單體及綜合對比改善前后碰撞噪聲數(shù)值如圖3所示。原始狀態(tài)下，抽屜碰撞噪聲達到81.29dB，在單獨對彈性勢能進行優(yōu)化調(diào)整后，碰撞噪聲下降至73.88dB，降幅達到9.12%；而在單獨對摩擦耗散及門封減振耗散進行優(yōu)化后，碰撞噪聲分別達到80.23dB和78.36dB，降幅分別只有1.3%和3.6%。當(dāng)三項改善措施同時作用時，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。門封材質(zhì)改變后會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)以上實驗結(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，摩擦和門封優(yōu)化的影響次之。理論分析中我們也發(fā)現(xiàn)對比摩擦損耗，彈性勢能要高出接近一個數(shù)量級，這與實驗結(jié)論也是相符合的。

4 結(jié)論

本文通過理論分析冰箱抽屜碰撞噪聲產(chǎn)生的過程，依據(jù)能量守恒原理從降低初始彈性勢能、提高摩擦耗散和門封減震耗散的角度提出了優(yōu)化方向。根據(jù)冰箱抽屜的實際結(jié)構(gòu)，通過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)，以及改變門封屬性三個方面進行實際優(yōu)化。經(jīng)過實驗驗證具有良好的優(yōu)化效果，證實了理論分析的結(jié)論。在后續(xù)冰箱的產(chǎn)品設(shè)計和改善中，可以依據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)對冰箱抽屜碰撞噪聲進行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 彈性勢能及摩擦耗散優(yōu)化前后頻譜對比圖

圖5 門封優(yōu)化前后頻譜對比圖