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文章基于冰箱自动开关门技术，设计了一种冰箱全自动开关门机构，并通过开关门循环可靠性测试，验证了该机构及其零部件的可靠性。文章的机构设计、关键结构优化设计、机构测试等部分的内容较为完善，论述逻辑清晰。
蒋卓华1,2 彭博1,2 符秀亮1,2 石现景3
1.合肥华凌股份有限公司
2.合肥美的电冰箱有限公司
3.广东美的制冷设备有限公司
摘要
Abstract
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。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
Keywords
冰箱；自动开关门；仿真分析；可靠性
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.03.007
0 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、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，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。
图1 开关门机构安装示意图
图2 开关门机构三维结构
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，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。
图3 离合系统爆炸图
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 N·m（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。
