冰箱抽屜碰撞噪聲分析與優化

李語亭 王利亞 江俊 鐘澤 黃文才 任偉

美的冰箱事業部 用戶與產品中心 安徽合肥 230601

1 引言

隨著中國經濟的不斷發展，科技水平的不斷提高，以及人們生活質量的不斷提升，各類家用電器在不斷升級換代。目前我國冰箱產品升級主要體現在從風冷兩、三門向多門、對開門進行轉變。冰箱結構的升級也帶來了各種新的問題。傳統兩門、三門冰箱門體結構主要是側開，而大多數多門冰箱冷凍室為抽屜結構，抽屜結構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。對于側開傳統門體，近年來已有諸多學者、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律，并通過結構優化提升了門體開關的順暢性；王利亞[2]等針對冰箱自鎖結構存在的問題，通過仿真分析優化了鉸鏈自鎖結構，使冰箱關門體驗、關門異音得到顯著提升；魏邦福[3]等針對冰箱門體及其關鍵零部件，提出基于多場強度分析模型的結構優化設計方法。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的問題，更是難以得到解決。

根據2019年冰箱用戶體驗調研，冰箱抽屜關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，多數提到冰箱抽屜在關閉瞬間的碰撞噪聲大，甚至閉合時冰箱整體出現一定的晃動和位移。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控制要點，并實際改善了此款冰箱的抽屜碰撞噪聲，對后續產品設計提供了一定指導意義。

碰撞的本質為能量釋放問題，在我們關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，同時又不使冰箱發生晃動和相對位移，只能通過提高滑軌摩擦、優化門封減震效果、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 分析和優化

考慮實際使用情況以及實驗的客觀狀態，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型三節金屬滑軌，每只滑軌中有自鎖彈簧兩根，如圖1-A所示。滑軌在抽屜閉合時彈簧處于未拉伸狀態，當滑軌拉開時，彈簧逐漸拉伸，在拉伸到某一長度時，滑軌中自鎖結構開始作用，圖中塑料圓形滑塊緩慢卡入凹糟使彈簧保持拉伸狀態（如圖1-B），滑軌中軌則繼續拉開；滑軌關閉時，當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構造中的潛在機械能，在冰箱滑軌系統中，由于自鎖彈簧發生彈性形變，此時彈性勢能發生變化，儲存于拉伸的彈簧當中。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中，自鎖彈簧為并聯組合，因此 等效剛度可表示為[5]：

其中，ki為單個彈簧彈性系數。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，系統等效彈性系數為四個彈簧彈性系數之和。由上述公式可知，降低單個彈簧彈性系數，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，選取合適的彈性系數，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的方向入手。

對于當前彈性勢能進行初略計算，系統中共使用四只自鎖彈簧并聯，單個彈簧剛度系數約為：250N/m，自鎖點彈簧拉伸量約為0.06m，根據上述公式，系統初始彈性勢能約為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量系統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，提升自鎖拉伸量可由有效的提高系統摩擦耗散。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，其等效摩擦系數約為0.06，自鎖點位移量約為0.06m，空載抽屜質量約6kg。根據上述公式，系統摩擦耗散約為0.216J。

圖1 滑軌結構示意圖

2.3 門封減震耗散

冰箱門封是冰箱的密封結構，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，同時其結構內含有數個氣囊。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構來達到。門封氣囊的結構在冰箱中主要起著密封的作用，有專門的設計和評價指標，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 優化前后碰撞噪聲對比圖

目前傳統冰箱門封主要使用軟質聚氯乙烯（PVC）擠塑成型，但近年來新型熱塑性彈性體（TPE）門封由于其環保性和可重復利用性，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，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為熱能的度量。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 實驗方法和數據分析

依據上述理論分析，設計實驗進行驗證。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。噪聲以及力學采集使用DASP INV3062V便攜式數據采集卡及配套軟件，可實時監控噪聲，采集滑軌拉力，利用壓力摩擦力關系計算摩擦系數。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閉，當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，自動關閉。這樣既可以保證實驗可重復性，也排除了實驗初速度的不可控影響。經過多次實驗分析，確定各影響因素權重，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化。彈簧的彈性系數與彈簧的直徑、彈簧的線徑、彈簧的材料、彈簧的有效圈數有關。這里材料以及彈簧直徑無法更改，于是通過降低線徑、增加線圈數關，降低其彈性系數，優化后彈性系數約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，我們通過潤滑油脂進行微調，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化，根據上文分析，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，并保持其結構一致。結合以上優化措施，經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值如圖3所示。原始狀態下，抽屜碰撞噪聲達到81.29dB，在單獨對彈性勢能進行優化調整后，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，其持續時間短且具有較高的瞬間聲壓峰值，頻譜特征表現為全頻段寬頻噪聲[7]。從頻域上看，單體優化彈性勢能、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；而改變門封材質則主要在1600Hz以上中高頻發揮優化作用，在低頻段優化效果有限，如圖5所示。門封材質改變后會明顯改變碰撞噪聲的高頻表現，這里與材料的碰撞響應特性有一定關聯，本文在此處不做深入探討。

依據以上實驗結果，我們可以推斷，在不考慮初速度的理想狀態下，通過降低自鎖彈簧彈性系數和自鎖行程是改善冰箱抽屜碰撞噪聲最有效的方法，摩擦和門封優化的影響次之。理論分析中我們也發現對比摩擦損耗，彈性勢能要高出接近一個數量級，這與實驗結論也是相符合的。

4 結論

本文通過理論分析冰箱抽屜碰撞噪聲產生的過程，依據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化方向。根據冰箱抽屜的實際結構，通過降低自鎖彈簧彈性系數和自鎖行程，提高滑軌單體等效摩擦系數，以及改變門封屬性三個方面進行實際優化。經過實驗驗證具有良好的優化效果，證實了理論分析的結論。在后續冰箱的產品設計和改善中，可以依據上述關鍵參數對冰箱抽屜碰撞噪聲進行優化設計。

圖4 彈性勢能及摩擦耗散優化前后頻譜對比圖

圖5 門封優化前后頻譜對比圖