關于彈扣式門鎖洗碗機的開門力分析與研究

黎銘峰 梁進軍 馬兵兵 王松波

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

家用洗碗機通常采用下拉門的開門形式，門鉸鏈機構設在門體底端的兩側，開門過程中門體繞鉸鏈軸進行翻轉運動，期間會受到拉簧力和自身重力的作用[1]。當門體處于合上狀態時，拉簧力很小，起不到拉住門體的鎖止作用，因此需要在門體頂部設有門鎖。彈扣式門鎖具有結構簡單、設計成熟、可靠性強、裝配方便等特點，因此成為了下拉門式洗碗機常用的門鎖形式，有的在中間設一個門鎖，有的在左右對稱地設兩個門鎖，如圖1所示。

彈扣式門鎖模塊的結構如圖2所示，由彈扣式鎖舌、限制鎖舌滑移方向的支座和夾在鎖舌和支座之間的彈簧組成；與鎖舌相對應的是門體的內門頂部設有的凹槽結構，門體合上后彈扣式鎖舌將在彈簧的作用下卡入凹槽之中，從而形成對門體的鎖止作用。開門時，人施加于門上的拉力最終會轉為推動凹槽中的彈扣式鎖舌向上滑移，此時開門所需的拉力逐漸增大，當鎖舌剛要越過內門凹槽后方的凸棱時，拉力達到最大，將此力稱為“開門力”。因此，開門力與彈扣式門鎖是密切相關的，尤其是與解鎖力是緊密聯系的，在其他消費品上例如汽車的門鎖，已經有過類似研究，得出一些結構優化的結論[2]。對于洗碗機門鎖的分析，目前是做得不夠的，但是開門力是人機交互的重要部分之一，開門力太大會影響開門體驗，開門力太小更是可能造成門體關不緊甚至自動彈開的情況，使得機器無法正常運行，還可能引發嚴重漏水漏蒸汽的問題。

1 彈扣式門鎖的受力分析

本文研究的洗碗機中，具有2個相同的彈扣式鎖舌模塊，每個鎖舌都具有前后兩個斜面，分別決定著關門力和開門力的大小。本文針對開門力進行研究，后面對于鎖舌斜面的分析和結論也適用于關門力的情況。

彈扣式門鎖及內門凹槽可簡化成圖3所示的模型，鎖舌視為忽略重量的輕質剛性體，受支座限制只做上下平移運動，期間不會有自身的轉動。并且，將開門過程視為一個緩慢進行的過程，即每個時刻鎖舌都處于受力平衡的狀態，此時算出來的開門力其實是理論的最小開門力。圖中，鎖舌受到多個外力的作用，具體有：彈簧施加于鎖舌的壓力，定為F0，方向豎直向下；門體施加于鎖舌的推力，定為F1，方向垂直于鎖舌斜面；支座內壁對鎖舌的支持力，定為F2，方向水平向后；各項摩擦力，主要包括鎖舌彈簧軸與門鎖支座套孔之間的摩擦力f1、鎖舌主體與門鎖支座內壁之間的摩擦力f2、鎖舌斜面與內門之間的滑動摩擦力f3。隨著開門的動作，鎖舌越過凸棱需上移一段距離，定為x，則有：F0=kx。進一步由受力平衡關系，有以下公式：

式中：

F1—門體施加于鎖舌的推力；

F0—彈簧施加于鎖舌的壓力；

α—鎖舌斜面與水平面夾角；

k —彈簧的胡克系數；

x —彈簧壓縮的最大位移。

當α設為48 °，x設為2.76 mm，k取5.0～8.3 N/mm時，可計算得F1為20.6～34.3 N。最后說明一下，鎖舌運動的受力分析時有摩擦力的分析，但由于對摩擦力真實情況的考慮難以周全，并且也很難測得摩擦力量化的數據，因此本部分計算未考慮摩擦力，而摩擦力作用將以放大系數af引入到后續計算中。

2 開門力模型與理論計算

在實際使用中，人會通過把手拉動門體實現開門，此時拉力會轉為內門頂起鎖舌的推力F1，因此，F1越大，所需的開門力就越大。進一步地，對于同一個門鎖模塊，即F1相同，不同的把手位置所需的開門力會有所不同，進而開門體驗也會有所差別。

如圖4所示，對于一款雙門鎖的洗碗機，門體上把手設計有三種方案，假設人手都是水平拉動把手，因此拉力Fs對門體旋轉中心的力矩分別為：s1=500 mm，s2=460 mm，s3=430 mm。另外，在設計圖紙中測得F1對門體旋轉中心的力矩為s0=380 mm。根據F1與Fs對門體鉸鏈轉軸的力矩相等，即n·F1·s0=Fs·s，雙門鎖洗碗機n=2，則有以下公式：

式中：

Fs—作用在門把手的水平拉力的理想值；

F1—門體施加于鎖舌的推力；

s0—F1對門體旋轉中心的力矩；

s —Fs對門體旋轉中心的力矩。

代入數據，計算得Fs1為31.3～52.1 N，Fs2為34.0～56.7 N，Fs3為37.3～62.0 N。由此可知，對于項目的彈扣式門鎖方案，門體把手位置越靠上，開門力就越小。

3 實際開門力與理論值的比較

前面計算未考慮摩擦力的影響，因此實際開門力應該比理論值要大，這里引入放大系數af=1.28。因此，實際開門力有以下公式：

式中：

F —作用在門把手的水平拉力的實際值；

Fs—作用在門把手的水平拉力的理想值；

af—摩擦力作用的放大系數。

計算結果如表1所示，對于本款雙門鎖洗碗機，實際開門力范圍為40～80 N。另一方面，對實體機器的開門力數據進行采集，樣品數為300臺，開門力數值也是40～80 N，3款機型的開門力平均值分別約為50 N、55 N和65 N，與計算值的趨勢十分相符。并且，已有小家電門鎖選型的研究表明[3]，開門力設定為40 N；結合保證洗碗機洗滌腔良好密封的需要，開門力可以往上設為一個范圍，即40～80 N。綜上分析可以，本文的彈扣式門鎖方案可很好地通用于雙門鎖洗碗機的不同外觀機型，開門力控制在合適的范圍。

表1 不同機型開門力的計算值與實測值的比較

4 開門力的參數影響分析

由式（1）、式（2）、式（3）整合可得開門力公式：

式中：

F —作用在門把手的水平拉力的實際值；

af—摩擦力作用的放大系數；

α—鎖舌斜面與水平面夾角；

s0——F1對門體旋轉中心的力矩；

s —開門力對門體旋轉中心的力矩；

k —彈簧的胡克系數；

x —彈簧壓縮的最大位移。

從公式可知，開門力主要受6大參數的影響。實際情況中，設計時門鎖鎖舌形狀已經確定，鎖舌與“凹槽-凸棱”結構的相對位置也已經確定，外觀設計定案后門把手的位置也是確定的；另一方面，加工和裝配的尺寸誤差會造成開門力的小幅度波動，但這部分影響較小，并且具有一定隨機性，本文不作討論。綜上，α、s0、s和x可認為是不變的，下面將對其他的參數影響展開分析，進而提出一些開門力的調整措施。

首先是鎖舌斜面角度α，開門力隨著α增大而增大。圖2的設計圖紙中，鎖舌位置會靠后一點，所以真實狀態的鎖舌的底部會隨門體位置而前移，鎖舌整體呈“稍微后倒傾斜”，如圖5所示。此時，如果將門鎖模塊稍前移，鎖舌的傾斜會減小，則斜面角度α會加大，進而使得開門力增大；如果將門鎖模塊稍后移，鎖舌的傾斜會加大，則斜面角度α會減小，進而使得開門力減小。進一步地如圖6所示，以s=420 mm把手方案為例，隨著斜面角度α在36 °到48 °變化，開門力產生8～13.5 N的調整量，這可用于生產線上的開門力微調。

其次是摩擦力影響的放大系數af，如果在鎖舌彈簧軸與門鎖支座套孔之間增加潤滑脂，鎖舌和支座之間的摩擦力就可以得到有效改善。實驗證明，增加潤滑脂后，開門力會有7 N左右的下降。此外，鎖舌與支座的“銷-套”配合段越長，同時配合間隙適當減小優化，這也可以減小摩擦力，但這個配合段在空間上受到很大限制，因此實際實施起來比較難。

再次是門鎖彈簧的胡克系數k，這是最直觀的影響因素，k值越大開門力越大，并且k值范圍越大，開門力的波動幅度越大。因此，為了規范統一不同門把手位置的機型的開門力，應該新增1到2款門鎖彈簧，同時把k值范圍收窄，這樣不同彈簧可適配不同的機型，各機型的開門力范圍可以收窄到55～70 N之間，開門體驗也會相互更加接近。

最后是其他因素，例如門體和機體之間設有發泡密封條，門體合上后內門邊緣會壓住密封條，形成相對密封的洗滌腔，此時密封條對門體會產生反作用力，這個壓力可抵消小部分開門力F；但如果密封條裝得靠外，或者密度偏大，這樣密封條給到門體的壓力就會增大，開門力就會減小，甚至會發生門體自動彈開的情況。又如，洗碗機需要固定好，此時拉動門體的開門力才是真實準確的，也可以更好做到水平拉門，拉力對門體旋轉中心的力矩s不會由于方向偏離太大而有所減小，進而使得開門力增大；尤其是對于開門力比較大的情況，如果機器沒固定好，開門同時很容易會拖動機器，這樣就會帶來不好的開門體驗。還有，把手的握法也會影響施力效果，雖然開門力F是一樣的，但是比較手指頭施力和手掌施力兩種情況，人對力值大小的感覺會有明顯差異，所以把手設計要有更充分的考究。

5 結論

本文對洗碗機常用的彈扣式門鎖進行了研究，先后建立了彈扣式門鎖模塊和雙門鎖下拉門開門的力學模型，通過受力分析進行了開門力的理論計算，提出了將摩擦力作用以放大系數af的方式引入計算之中，得到更加符合實際情況的結果，明確了不同把手位置會產生明顯不同的開門力體驗的結論。并且，本文還采集了實體機器的開門力數據，與理論計算結果進行了比較，驗證了計算方法的合理性，進一步明確了40～80 N的開門力范圍，可適配于不同把手位置的機型。之后，本文整理了開門力公式，據此對6項參數的影響進行了分析，尤其對鎖舌斜面角度α、放大系數af、彈簧胡克系數k的影響展開了深入探討，進而提出了一些開門力的調整措施，這對于洗碗機產品設計與優化、生產現場微調、售后維修服務等方面都具有很好的參考價值和指導意義。