弹性碰撞后速度方向_冰箱抽屉碰撞噪声分析与优化

李语亭  王利亚  江俊  钟泽  黄文才  任伟

美的冰箱事业部 用户与产品中心

摘要

Abstract

通过理论研究冰箱抽屉碰撞噪声的产生原因&＃xff0c;依据能量守恒原理分析了优化碰撞噪声的方法&＃xff1a;通过降低自锁弹簧弹性系数和自锁行程降低初始弹性势能&＃xff0c;增大滑轨单体等效摩擦系数以提高摩擦耗散&＃xff0c;改变门封材料属性增加门封减震耗散。经过实验验证&＃xff0c;以上措施实际测试均有良好的优化效果。实验结果证实了理论分析的结论&＃xff0c;对后续冰箱抽屉碰撞噪声的开发和改善提供了可信的设计依据。

关键词

Keywords

碰撞噪声&＃xff1b;能量守恒&＃xff1b;弹性势能&＃xff1b;冰箱

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2020.03.005

1  引言 

随着中国经济的不断发展&＃xff0c;科技水平的不断提高&＃xff0c;以及人们生活质量的不断提升&＃xff0c;各类家用电器在不断升级换代。目前我国冰箱产品升级主要体现在从风冷两、三门向多门、对开门进行转变。冰箱结构的升级也带来了各种新的问题。传统两门、三门冰箱门体结构主要是侧开&＃xff0c;而大多数多门冰箱冷冻室为抽屉结构&＃xff0c;抽屉结构也带来了诸多用户体验上的新问题&＃xff0c;比如开门力、抽拉平顺性、抽拉过程噪声等等。对于侧开传统门体&＃xff0c;近年来已有诸多学者、工程师对此进行了大量的研究&＃xff1a;费斌^[1]等利用有限元分析的方法&＃xff0c;研究了冰箱门体运动规律&＃xff0c;并通过结构优化提升了门体开关的顺畅性&＃xff1b;王利亚^[2]等针对冰箱自锁结构存在的问题&＃xff0c;通过仿真分析优化了铰链自锁结构&＃xff0c;使冰箱关门体验、关门异音得到显著提升&＃xff1b;魏邦福^[3]等针对冰箱门体及其关键零部件&＃xff0c;提出基于多场强度分析模型的结构优化设计方法。但对于冰箱抽屉的研究则相对较少&＃xff0c;特别是与用户体验相关的问题&＃xff0c;更是难以得到解决。

根据2019年冰箱用户体验调研&＃xff0c;冰箱抽屉关闭时的碰撞噪声排在所有用户交互类噪声的第一位。用户投诉中&＃xff0c;多数提到冰箱抽屉在关闭瞬间的碰撞噪声大&＃xff0c;甚至闭合时冰箱整体出现一定的晃动和位移。针对抽屉噪声的用户体验改善已然成为提升产品竞争力的要点。本文针对某款法式多门冰箱的滑轨抽屉&＃xff0c;进行了碰撞噪声的机理分析及实验研究&＃xff0c;得到了冰箱滑轨抽屉碰撞噪声的相关控制要点&＃xff0c;并实际改善了此款冰箱的抽屉碰撞噪声&＃xff0c;对后续产品设计提供了一定指导意义。

碰撞的本质为能量释放问题&＃xff0c;在我们关注的冰箱滑轨抽屉碰撞中&＃xff0c;主要的能量来源为初速度动能、自锁弹簧的弹性势能以及部分倾斜带来的重力势能。主要的能量释放来自碰撞时门封的减震、振动噪声的耗散、滑轨的摩擦以及箱体的位移。抽屉关闭的初速度为用户提供&＃xff0c;不在客观控制的范畴&＃xff0c;我们不予讨论。那么如果需要降低碰撞时的噪声&＃xff0c;同时又不使冰箱发生晃动和相对位移&＃xff0c;只能通过提高滑轨摩擦、优化门封减震效果、降低自锁弹簧弹性势能、保证抽屉水平这四个方面来进行。因此&＃xff0c;针对上述分析&＃xff0c;下文将逐一进行研究和验证。

2  分析和优化 

考虑实际使用情况以及实验的客观状态&＃xff0c;这里我们忽略由于工艺造成的箱体不确定性变形所带来的抽屉倾斜&＃xff0c;因而重力势能不予以考虑&＃xff1b;同时实验中我们推拉抽屉的起始点为滑轨自锁点&＃xff0c;可以忽略无法准确计算的初始动能。因此&＃xff0c;本文中主要考虑&＃xff1a;弹性势能、摩擦耗散以及门封减震耗散。降低碰撞噪声&＃xff0c;需要从降低弹性势能、提高摩擦耗散及减震耗散三方面入手。

2.1 弹性势能

此款冰箱所用滑轨为C型三节金属滑轨&＃xff0c;每只滑轨中有自锁弹簧两根&＃xff0c;如图1-A所示。滑轨在抽屉闭合时弹簧处于未拉伸状态&＃xff0c;当滑轨拉开时&＃xff0c;弹簧逐渐拉伸&＃xff0c;在拉伸到某一长度时&＃xff0c;滑轨中自锁结构开始作用&＃xff0c;图中塑料圆形滑块缓慢卡入凹糟使弹簧保持拉伸状态(如图1-B)&＃xff0c;滑轨中轨则继续拉开&＃xff1b;滑轨关闭时&＃xff0c;当滑轨中轨滑动至自锁位置时&＃xff0c;圆形滑块脱出凹槽&＃xff0c;携带整个中轨在弹性力作用下自动闭合。

图1 滑轨结构示意图

弹性势能是存储在材料或物理系统构造中的潜在机械能&＃xff0c;在冰箱滑轨系统中&＃xff0c;由于自锁弹簧发生弹性形变&＃xff0c;此时弹性势能发生变化&＃xff0c;储存于拉伸的弹簧当中。本文所涉及弹性势能方程可以表示为^[4]&＃xff1a;

式中&＃xff0c;k_e为冰箱滑轨系统自锁等效刚度&＃xff0c;Δx为自锁弹簧拉伸量。在本文所涉及的冰箱滑轨自锁系统中&＃xff0c;自锁弹簧为并联组合&＃xff0c;因此&＃xff0c;等效刚度可表示为^[5]&＃xff1a;

其中&＃xff0c;k_i为单个弹簧弹性系数。冰箱单个抽屉使用一对C型滑轨&＃xff0c;每个滑轨使用有两支自锁弹簧。因此&＃xff0c;系统等效弹性系数为四个弹簧弹性系数之和。由上述公式可知&＃xff0c;降低单个弹簧弹性系数&＃xff0c;减少弹簧拉伸量可有效减少初始弹性势能。特别是弹性系数&＃xff0c;选取合适的弹性系数&＃xff0c;可以将初始弹性势能维持在一个较低的水平。因此&＃xff0c;通过降低初始弹性势能的方法改善冰箱抽屉碰撞噪声&＃xff0c;较为可行的方法是从减少拉伸量和弹性系数的方向入手。

对于当前弹性势能进行初略计算&＃xff0c;系统中共使用四只自锁弹簧并联&＃xff0c;单个弹簧刚度系数约为&＃xff1a;250N/m&＃xff0c;自锁点弹簧拉伸量约为0.06m&＃xff0c;根据上述公式&＃xff0c;系统初始弹性势能约为1.8J。

2.2 摩擦耗散

冰箱滑轨抽屉自锁闭合可以描述为一个弹簧质量系统在粗糙表面上的运动&＃xff0c;抽屉的运动受到一个与它的运动速度方向相反的摩擦阻力&＃xff0c;即^[5]&＃xff1a;

式中&＃xff0c;&＃xff1b;N是正压力&＃xff0c;在本文中取抽屉重力&＃xff1b;μ为等效摩擦系数。这里&＃xff0c;冰箱抽屉滑轨的顺滑运动主要通过各节滑轨之间的钢珠保证&＃xff0c;同时钢珠、各节滑轨之间涂抹有专用润滑脂&＃xff0c;此处滚动摩擦、滑动摩擦、粘性力学耦合作用&＃xff0c;摩擦系数通过理论单独计算十分复杂&＃xff0c;因此本文通过实验计算的等效摩擦系数予以代替。这样系统中摩擦耗散即为摩擦力做功&＃xff1a;

其中&＃xff0c;Δx为自锁运动位移。由上述分析可知&＃xff0c;提升滑轨等效摩擦系数&＃xff0c;提升自锁拉伸量可由有效的提高系统摩擦耗散。进而降低最终碰撞时的动能&＃xff0c;改善冰箱抽屉碰撞噪声。

对于滑轨进行实验并计算&＃xff0c;其等效摩擦系数约为0.06&＃xff0c;自锁点位移量约为0.06m&＃xff0c;空载抽屉质量约6kg。根据上述公式&＃xff0c;系统摩擦耗散约为0.216J。

2.3 门封减震耗散

冰箱门封是冰箱的密封结构&＃xff0c;对冰箱的保温起最主要的作用。门封主要使用热塑性材料进行加工制作&＃xff0c;同时其结构内含有数个气囊。门封的减震耗散&＃xff0c;主要通过其材料的储能耗能特性以及气囊的机械结构来达到。门封气囊的结构在冰箱中主要起着密封的作用&＃xff0c;有专门的设计和评价指标&＃xff0c;本文暂不做讨论&＃xff0c;这里我们仅对其材料进行分析和探索。

目前传统冰箱门封主要使用软质聚氯乙烯(PVC)挤塑成型&＃xff0c;但近年来新型热塑性弹性体(TPE)门封由于其环保性和可重复利用性&＃xff0c;正快速崛起。门封材料的储能减震特性主要通过储能模量及损耗模量表征。储能模量&＃xff0c;又称杨氏模量&＃xff0c;是材料变形后回弹的指标&＃xff0c;表示材料储存弹性形变能量的能力&＃xff1b;损耗模量是指材料形变时损耗变为热能的度量。潘成^[6]等对PVC和TPE材料进行了基于DMA的弹性性能分析&＃xff0c;其实验结论表明在20℃时&＃xff0c;TPE材料的储能模量和损耗模量均明显高于PVC材料。由此可以推断&＃xff0c;在同等条件下将PVC门封更换为TPE门封&＃xff0c;可以相对提高门封在碰撞时的能量损耗&＃xff0c;从而达到降低冰箱抽屉碰撞噪声的作用。

3  实验方法和数据分析 

依据上述理论分析&＃xff0c;设计实验进行验证。实验使用某款五门法式冰箱&＃xff0c;冷藏为左右开门&＃xff0c;冷冻为三个滑轨抽屉。噪声以及力学采集使用DASP INV3062V便携式数据采集卡及配套软件&＃xff0c;可实时监控噪声&＃xff0c;采集滑轨拉力&＃xff0c;利用压力摩擦力关系计算摩擦系数。传声器使用PCB&＃xff0c;频响范围20Hz&＃xff5e;20kHz&＃xff1b;微型测力传感器量程&＃xff1a;0kg&＃xff5e;20kg&＃xff0c;精度&＃xff1a;0.5%F.S。传声器布置于冰箱正前方1m&＃xff0c;距离地面高1m&＃xff0c;如图2所示。实验时首先打开软件开始采集&＃xff0c;将抽屉拉开后缓慢关闭&＃xff0c;当抽屉运行到滑轨自锁点时停止&＃xff0c;这时给抽屉一个极低的可忽略推力使其越过自锁&＃xff0c;自动关闭。这样既可以保证实验可重复性&＃xff0c;也排除了实验初速度的不可控影响。经过多次实验分析&＃xff0c;确定各影响因素权重&＃xff0c;分析最终改善效果。

图2 实验冰箱及布点示意图

为降低初始弹性势能&＃xff0c;我们对自锁弹簧进行优化。弹簧的弹性系数与弹簧的直径、弹簧的线径、弹簧的材料、弹簧的有效圈数有关。这里材料以及弹簧直径无法更改&＃xff0c;于是通过降低线径、增加线圈数关&＃xff0c;降低其弹性系数&＃xff0c;优化后弹性系数约200N/m。另外&＃xff0c;对于自锁行程进行改善&＃xff0c;将自锁行程由初始的0.06m降低至0.05m。理论估算初始弹性势能下降约44%。针对滑轨等效摩擦系数&＃xff0c;我们通过润滑油脂进行微调&＃xff0c;使用某款新型中高粘度润滑油脂后&＃xff0c;实测单体滑轨等效摩擦系数提升至0.11。由于自锁行程减短&＃xff0c;综合影响自锁过程摩擦耗散提升52.8%。最后我们对门封材料进行优化&＃xff0c;根据上文分析&＃xff0c;想要降低碰撞时的噪声能量&＃xff0c;需要使用储能模量和损耗模量更高的材料。实验中&＃xff0c;所用样机使用的是PVC材料门封&＃xff0c;这里将PVC门封替换为储能模量和损耗模量更高的TPE材料门封&＃xff0c;并保持其结构一致。结合以上优化措施&＃xff0c;经过多次实验取得平均噪声。单体及综合对比改善前后碰撞噪声数值如图3所示。原始状态下&＃xff0c;抽屉碰撞噪声达到81.29dB&＃xff0c;在单独对弹性势能进行优化调整后&＃xff0c;碰撞噪声下降至73.88dB&＃xff0c;降幅达到9.12%&＃xff1b;而在单独对摩擦耗散及门封减振耗散进行优化后&＃xff0c;碰撞噪声分别达到80.23dB和78.36dB&＃xff0c;降幅分别只有1.3%和3.6%。当三项改善措施同时作用时&＃xff0c;碰撞噪声有明显的改善&＃xff0c;下降至70.03dB。

图3 优化前后碰撞噪声对比图

冰箱抽屉碰撞噪声属于瞬间冲击噪声&＃xff0c;其持续时间短且具有较高的瞬间声压峰值&＃xff0c;频谱特征表现为全频段宽频噪声^[7]。从频域上看&＃xff0c;单体优化弹性势能、摩擦耗散主要在1600Hz以下中低宽频全段有一定改善&＃xff0c;如图4所示&＃xff1b;而改变门封材质则主要在1600Hz以上中高频发挥优化作用&＃xff0c;在低频段优化效果有限&＃xff0c;如图5所示。门封材质改变后会明显改变碰撞噪声的高频表现&＃xff0c;这里与材料的碰撞响应特性有一定关联&＃xff0c;本文在此处不做深入探讨。

图4 弹性势能及摩擦耗散优化前后频谱对比图

图5 门封优化前后频谱对比图

依据以上实验结果&＃xff0c;我们可以推断&＃xff0c;在不考虑初速度的理想状态下&＃xff0c;通过降低自锁弹簧弹性系数和自锁行程是改善冰箱抽屉碰撞噪声最有效的方法&＃xff0c;摩擦和门封优化的影响次之。理论分析中我们也发现对比摩擦损耗&＃xff0c;弹性势能要高出接近一个数量级&＃xff0c;这与实验结论也是相符合的。

4  结论 

本文通过理论分析冰箱抽屉碰撞噪声产生的过程&＃xff0c;依据能量守恒原理从降低初始弹性势能、提高摩擦耗散和门封减震耗散的角度提出了优化方向。根据冰箱抽屉的实际结构&＃xff0c;通过降低自锁弹簧弹性系数和自锁行程&＃xff0c;提高滑轨单体等效摩擦系数&＃xff0c;以及改变门封属性三个方面进行实际优化。经过实验验证具有良好的优化效果&＃xff0c;证实了理论分析的结论。在后续冰箱的产品设计和改善中&＃xff0c;可以依据上述关键参数对冰箱抽屉碰撞噪声进行优化设计。

参考文献

[1] 费斌&＃xff0c;李晓峰&＃xff0c;方静. 有限元分析在冰箱止档优化设计中的应用[C].中国家用电器技术大会,2013.

[2] 王利亚&＃xff0c;江俊&＃xff0c;李语亭&＃xff0c;等. 冰箱自锁结构顺畅性研究[J]. 家电科技, 2019(04):91-94.

[3] 魏邦福&＃xff0c;田亚明&＃xff0c;柯庆镝&＃xff0c;等. 冰箱门体复合强度模型及关键结构优化设计[J]. 家电科技,2019(01):92-99.

[4] 陈雅. 弹性势能的表达式的实验验证[J]. 物理实验, 2010,30(03):

22-24.

[5] 赵玫&＃xff0c;周海亭&＃xff0c;陈光冶&＃xff0c;等. 机械振动与噪声学[M]. 北京:科学出版社, 2017:26-27,56.

[6] 潘成&＃xff0c;魏锋&＃xff0c;刘瑞&＃xff0c;等. 基于DMA的冰箱门封材料的弹性与加工性能分析研究[A]. 中国家用电器技术大会论文集[C],2018.

[7] Akey A. A review of impact noise[J]. Journal of the Acoustical Society of America&＃xff0c;1978&＃xff0c;64(4):977&＃xff0d;987.

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引用《家电科技》所刊文章&＃xff01;