1、Articles论文48 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422冰箱自动开关门机构优化设计与测试Optimal design and test of automatic refrigerator door opening and closing actuator蒋卓华1,2 彭博1,2 符秀亮1,2 石现景3JIANG Zhuohua1,2 PENG Bo1,2 FU Xiuliang1,2 SHI Xianjing31.合肥华凌股份有限公司 安徽合肥 230601；2.合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 230601；3.广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 5283111.Hefe
2、i Hualing Co.,Ltd.Hefei 230601;2.Hefei Midea Refrigerator Co.,Ltd.Hefei 230601;3.Guangdong Midea Refrigeration Equipment Group Co.,Ltd.Foshan 528311摘 要：为提升冰箱门体的交互体验，设计了一种冰箱全自动开关门机构。该机构采用单一电机驱动，通过联动轮实现推杆顶门和旋转开门的高度集成，成本大幅降低。该机构的离合系统、悬停系统、驱动电机减速箱、转门系统等创新性设计，使其可以广泛适用于各种十字、法式和对开门冰箱，且可兼容传统单轴铰链、双轴铰链、多连杆铰链。
3、通过仿真计算，确定了机构下壳的材质、转轴尺寸、连杆的材质和厚度，以及其他关键结构和尺寸。设计的自动开关门机构及其零部件具有很高的可靠性，通过了10万次开关门循环可靠性测试。机构内大部分零件采用注塑成型工艺，在确保可靠性的同时大幅降低成本，有利于冰箱自动开关门技术的推广和普及。关键词：冰箱；自动开关门；仿真分析；可靠性Abstract:In order to improve the experience of opening and closing refrigerator doors,an automatic door opening and closing actuator for refr
4、igerators was designed.The actuator is driven by just one motor.The push rod and the rotating system were highly realized through a linkage wheel,and the cost is greatly reduced.The innovative design of clutch system,hover system,drive motor reducer,and rotating system makes the actuator widely appl
5、icable to cross door refrigerator,French refrigerator,and side by side refrigerator.And the actuator is compatible with traditional single-axis hinges,biaxial hinges,and Multi-link hinges.Through simulation analysis and calculation,material of the lower shell and size of shaft was determined,materia
6、l and thickness of the connecting rod was determined,and other key structures and sizes were also determined.The designed automatic refrigerator door opening and closing actuator passed 100,000 cycle reliability tests.It has high reliability.Most of the parts in the actuator are injection molded,whi
7、ch greatly reduces the cost while ensuring reliability.This is conducive to the promotion and popularization of automatic refrigerator door opening and closing technology.Keywords:Refrigerator;Automatic door opening and closing;Simulation analysis;Reliability 中图分类号：TM925.21;TH122 DOI:10.19784/ki.iss
8、n1672-0172.2023.03.0070 引言随着社会发展和生活水平的提升，家电智能化已成为一种消费趋势1。根据HIS市场预测，2025年国内智能家电使用家庭将达到2832万的规模2。同时，智能化也是中国家电企业超越传统国际品牌的良机3。2013年开始，国内各大家电品牌纷纷布局智能家电产品，中国家电进入智能化阶段。冰箱自20世纪20年代问世以来，早已作者简介：蒋卓华，博士学位。研究方向：洗碗机、冰箱等家电研发设计。地址：安徽省合肥市经济技术开发区锦绣大道美的集团冰箱事业部。E-mail：。成为家庭生活中不可或缺的家电。在家电智能化趋势下，冰箱也正处于智能化转型阶段4。冰箱不但门体重量大、
9、内部存在负压，门封条5也有吸合力，且冰箱铰链处通常设置有闭锁结构6-7，开门较为费力8。冰箱自动开关门技术是冰箱智能化的主要研究方向之一，旨在提升冰箱的开门体验。2014年开始冰箱自动开关门技术相关的专利申请量大幅增加，且Articles论文 49家电科技 Vol.3 2023 Issue 422发明专利占比超过70%。冰箱自动开关门技术根据技术效果可以分为自动开门和全自动开关门9。自动开门技术一般采用电磁推杆10-13或机械推杆结构14-17，克服门封吸合力和铰链闭锁结构，将冰箱门体推开至设定的开门角度。全自动开关门技术多采用推杆机构与旋转机构相结合18-21，推杆机构远离门体转动中心布置，
10、以获得较大的力臂。开门时，推杆机构克服门封吸力和铰链闭锁结构，先将冰箱门推开一个小角度，旋转机构接力将冰箱门旋转至设定的开门角度；关门时，旋转机构驱动冰箱门体向内转动，在铰链闭锁结构辅助下，实现冰箱门体的完全闭合。全自动开关门技术的推杆机构和旋转机构相对独立，集成度低，布局占用空间大，成本高，严重限制了技术的应用和推广，且传统的旋转机构多与铰链结合22，不适用新兴的双轴铰链技术23。本文设计了一种冰箱全自动开关门机构，采用单一电机驱动，通过联动轮实现推杆顶门和旋转开门机构的高度集成，成本大幅度降低，广泛适用于各种十字、法式和对开门冰箱。且机构的设计独立于冰箱原有铰链，可兼容传统单轴铰链、双轴铰
11、链以及多连杆铰链24。1 全自动开关门机构整体结构设计基于成本低、集成度高、适应性广等设计目标，本文所设计的全自动开关门机构整体布局如图1所示（以向左开门为例）。开关门机构固定于冰箱壳体的顶部，电机安装处局部下沉，以确保机构整体高度26.5 mm。开关门机构与门体存在2个作用点，顶门点远离门体铰链，连接点位于铰链与顶门点之间。开关门机构和铰链上方加装铰链罩防护，门体连接点上方有线卡装饰罩。如图2所示，开关门机构的下壳采用螺钉固定于冰箱顶部，驱动系统、离合系统、联动轮、悬停系统、顶门系统、转门系统和驱动电路板均安装于下壳对应区域内，上盖通过边缘分布的卡扣和若干螺钉与下壳固定，对上述系统和部件做简
12、单防护，角度检测电路板固定于上盖的上方，芯片中心正对联动轮转动中心。驱动系统减速电机的输出轴可正反双向转动，输出齿轮固定于减速电机的输出轴上，并与离合系统的上齿轮啮合。联动轮拥有齿轮部和凸轮部。齿轮部的轮齿与离合系统的下齿轮啮合，接收动力产生正转或反转。凸轮部的轮廓线与顶门系统和悬停系统接触，当轮廓线的凸峰转动至与顶门系统接触时，可以克服门封吸合力和铰链闭锁结构将门推开一个小角度，当轮廓线的凹谷转动至与悬停系统接触时，可以在切断动力后防止冰箱门体因底面不平等因素发生不必要转动。转门系统为连杆结构，安装于联动轮下方，可随着联动轮的正反转，推拉冰箱门体实现开闭。转门系统独立于门体铰链推拉门体转动，
13、因而适用于单轴铰链、双轴铰链、多连杆铰链等各种冰箱，且门体连接处采用圆柱副连接，转动的同时允许门体有一定量的上下窜动，兼容对开门的铰链闭锁结构25。离合系统控制着动力的传输，负责切换自动开关门与手动操作模式，如图3所示。通电后，电磁推杆驱动水平推杆向右滑动（图3示意方向），抬升竖直推杆及传动轴，传动轴上升过程中压缩弹簧，传动轴的卡爪穿过离合下齿轮上的方孔，并插入离合上齿轮下方的卡图1 开关门机构安装示意图图3 离合系统爆炸图图2 开关门机构三维结构Articles论文50 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422槽内，连接离合上齿轮和下齿轮。断电后，电磁推杆驱动水平推杆向左滑动（图3
14、示意方向），传动轴和竖直推杆因重力和弹簧力作用下降，传动轴的卡爪脱出离合上齿轮下方的卡槽，离合上齿轮与下齿轮分离。2 关键结构优化设计2.1 驱动系统优化设计驱动系统作为整个自动开关门机构的唯一动力源，需要满足小体积、大扭矩、高寿命的要求。如图4所示，驱动齿轮通过C型卡簧固定在无刷减速电机的输出轴上。为降低成本，驱动齿轮采用POM工程塑料，注塑成型。由于电机需要不停地切换正反转以打开或关闭门体，且负载扭矩可高达6 Nm（堵转扭矩），为防止塑料驱动齿轮轴孔磨损打滑，在驱动齿轮中心嵌入3 mm的冷轧钢板。图4 驱动系统减速电机的电机本体为深圳市集创兴科技有限公司的28无刷电机，空载转速3500 r
15、/min，限流3.0 A，寿命500小时。减速电机的输出转速要求低于20 r/min，因而减速箱的减速比需要达到1751。电机减速箱共有4级减速，第2、3、4级均采用齿轮传动减速，第1级减速对比分析了蜗轮蜗杆传动和面齿轮传动，减速箱三维结构分别如图5所示。蜗轮蜗杆结构虽然可以在紧凑的空间内实现大传动比，但是传动效率较低，且难以避免磨损26，因而无法满足大扭矩、高寿命的使用需求。与之相比，面齿轮传动具有转矩分流、传动装置轻量化、空间占用小、无进给力等优点，广泛应用于高速重载场合27，最终1级减速采用了面齿轮传动结构。a)蜗轮蜗杆减速电机 b)面齿轮减速电机图5 电机减速箱内部结构2.2 下壳离合
16、系统转轴优化设计离合系统依靠下壳的转轴定位和支撑，转轴的强度直接关系到整个系统的可靠性。转轴为悬臂结构，内部中空，局部结构如图6所示。根据电机堵转扭矩6 Nm，可知转轴受到离合上齿轮和下齿轮施加的最大径向力分别为319 N和221 N。下壳材质选择PC（拉伸强度60 MPa），按最大径向力同时施加载荷，静态强度仿真结果如图6 a)所示，转轴外圈根部应力集中明显，局部安全系数1.0。调整下壳结构，在转轴根部增设1.5 mm的斜角，减小注塑成型后的应力集中，提升强度，静态强度仿真结果如图6 b)所示，整体安全系数1.3。进一步，将下壳材质更换为PA66-RGF25（拉伸强度150 MPa），静态强度仿真结果如图6 c)所示，整体安全系数3。根据仿真分析结果，下壳材质选择PA66-RGF25，根部增设1.5 mm斜角。2.3 联动轮优化设计联动轮是本设计的核心，其主体为不完全齿轮，通过凸轮轮廓线和连杆驱动槽的设计，实现了推杆顶门和旋转开门机构的高度集成，结构如图7所示。联动的齿轮部与离合下齿轮啮合，接收动力，产生正转或反转；凸轮部与顶门推杆和悬停推杆配合，可实现推杆顶门，并 a)PC材质无斜
