冰箱中铰链的改进设计

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。