集成灶門封性能影響的研究

石昊明 鄧俊杰 肖惠琨 汪斌強 李法民 王 暢

（杭州老板電器股份有限公司 杭州 311100）

引言

隨著集成灶更強性能、更多功能、更優(yōu)空間的需求日益增長，越來越多的家庭更加注重品質(zhì)輕奢生活的追求，高品質(zhì)的烹飪體驗和多樣化的用戶體驗需求成為一種趨勢。蒸烤款類型的集成灶成為家庭的優(yōu)先選擇，其中蒸功能涉及門組件密封性能，是用戶能第一時間能體驗到的產(chǎn)品基本性能指標(biāo)。目前行業(yè)內(nèi)對該門組件密封性能的研究仍停留在實物驗證即機器本身方面，系統(tǒng)性理論研究與實際結(jié)合的方式處于空白。為了更好的解決門封性能的問題，本文旨在通過理論研究、模擬驗證分析、實際裝配驗證分析，有效解決門封性能的問題，從而達(dá)到用戶的基本訴求，更好的體驗其他智能化功能。

1 密封結(jié)構(gòu)組成

1.1 門組件結(jié)構(gòu)

集成灶門組件通常由門體、大門框、鉸鏈組件、門封條組成。其中門體由外玻璃、中玻璃、內(nèi)玻璃以及支架等組成，大門框安裝在內(nèi)膽組件上（有的），鉸鏈組件支架安裝在內(nèi)膽組件上，鉸鏈頭部安裝與門體上，門封條安裝在大門框與內(nèi)膽凹槽部分，具體如圖1 所示。

圖1 門組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鉸鏈組件結(jié)構(gòu)

鉸鏈主要大小壓簧、內(nèi)支架、花輪、外殼、頭部組成。其中關(guān)門力由頭部與小壓簧、內(nèi)支架配合完成，開門力由頭部與大壓簧、內(nèi)支架配合完成。如圖2 所示。

圖2 鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 門封條結(jié)構(gòu)

涉及蒸烤類的器具門封條宜采用的硅橡膠材質(zhì)，材料硬度為（35±5）HA，工藝為一體成型，具有耐高溫230 °、耐蒸汽100 °的性能[1]。市面上有不同企業(yè)有不同類型的門封條結(jié)構(gòu)，企業(yè)通常根據(jù)品類產(chǎn)品的特點延續(xù)性應(yīng)用，采用的的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 門封條剖面示意圖

2 門封性能基本原理

根據(jù)門組件的運動軌跡，如圖4 所示。開門到關(guān)門的過程，即0 °狀態(tài)運行到90 °狀態(tài)。當(dāng)門處于0 °時，鉸鏈也處于0 °，由大壓簧處于受力狀態(tài)，當(dāng)門處于90 °時，鉸鏈理論上處于90 °，由小壓簧處于受力狀態(tài)以及門封條受到力壓縮后形成的反彈力。為更好的研究門封狀態(tài)的受力情況，上述狀態(tài)可用公式（1）來進(jìn)行表示。

圖4 門體關(guān)門狀態(tài)示意圖

注1：門體處于（0～85）°時，大壓簧受力，（85～90）°時，小壓簧受力。

注2：門封條壓縮力，當(dāng)門體處于（89～91）°時，開始受力。

注3：為鉸鏈的彈簧拉力與鉸鏈自身摩擦力的差值。

從公式可得出，若需要提高關(guān)門力，采取的方法是控制機器本身的垂直度即平整度、適當(dāng)提高鉸鏈力的大小或降低門自身重力以及降低門封條壓縮力來實現(xiàn)。

3 門封性能影響因素分析

根據(jù)基本原理，影響關(guān)門力的主要因素是鉸鏈力、門封條壓縮力、平整度，如圖5 所示。

圖5 門封性能影響因素圖

3.1 鉸鏈力影響

根據(jù)彈簧基本原理：

k—彈簧系數(shù)；

L—彈簧行程即壓縮長度或伸長長度；

f—頭部與花輪之間的摩擦力。

彈簧系數(shù)通常取決于彈簧材質(zhì)，可視為常數(shù)[2]。彈簧材質(zhì)通常根據(jù)實際工況來選配，廚電行業(yè)集成灶考慮到蒸功能環(huán)境會有水蒸氣或冷凝水因素，會選擇不銹鋼加鍍層。彈簧行程取決于彈簧圈數(shù)、彈簧線徑。摩擦力則取決于頭部弧度與花輪的接觸面積，根據(jù)鉸鏈的結(jié)構(gòu)特點，門體接觸門封條一瞬間，即85 °以上時，此時為頭部與花輪剛接觸受到的反作用力為最大。

3.2 門封條壓縮力影響

根據(jù)門封條結(jié)構(gòu)和安裝要求，可分為安裝部分和密封部分，如圖8 所示。安裝部分是起到不易松脫的目的，由實際產(chǎn)品大門框與內(nèi)膽組裝后的凹槽部分尺寸決定，基本是固定的。密封部分則通過唇邊的角度、厚度、寬度實現(xiàn)，壓縮力的影響來源壓縮量的大小，而壓縮量取決于唇邊的自身結(jié)構(gòu)和硅橡膠的材質(zhì)、硬度值等。目前無法具體仿真驗證，只能以往產(chǎn)品的硬度值效果以及采取適配的驗證方式，驗證門封條的壓縮量足夠貼住整個大門框，從而達(dá)到最佳的密封效果。當(dāng)壓縮量過大時，通常采取降低鉸鏈力值；當(dāng)壓縮量過小時，通常采取的方式是調(diào)整密封部分唇邊的角度和厚度或提高鉸鏈力值。

3.3 平整度影響

根據(jù)門密封基本原理，鉸鏈處于90 °時，關(guān)門力最大。要確保該條件，通常設(shè)計要求是大門框的平整度≤0.5 mm、內(nèi)膽翻邊高度段差≤0.3 mm（大門框是安裝在內(nèi)膽翻邊上），平整度管控方法是將零部件平放水平臺用塞尺進(jìn)行測量或水平尺進(jìn)行測量。翻邊高度用游標(biāo)卡尺測試各邊數(shù)據(jù)，然后計算出各邊的段差值。

4 模擬驗證分析

4.1 鉸鏈力的影響

根據(jù)鉸鏈結(jié)構(gòu)要求，模擬大門框、門體安裝狀態(tài)，驗證鉸鏈在不同角度下（指鉸鏈頭部與內(nèi)支架之間的角度，以下簡稱角度）對關(guān)門力的影響。如圖6 所示。

圖6 角度-力值關(guān)系分析值

從圖6 可看出，角度不同時，鉸鏈的力值是不同的。如鉸鏈4：90 °時關(guān)門力34.02 N，鉸鏈5：89.7 °時關(guān)門力34.88 N，鉸鏈6：90.5 °時關(guān)門力34.18 N。為了確保鉸鏈力值為最大時，應(yīng)確保角度在（89.5～90）°范圍內(nèi)，當(dāng)超出該范圍時，力值會逐漸變低，同時會出現(xiàn)鉸鏈處于“虛位”的狀態(tài)，即鉸鏈關(guān)門力小于摩擦力時。

4.2 門封條壓縮力影響驗證

根據(jù)門封條結(jié)構(gòu)要求，選取角度（89.5～90）°的鉸鏈5 組，模擬大門框、門體安裝狀態(tài)，驗證不同硬度時門封條壓縮力不同，壓縮力不同對鉸鏈力值的影響。如圖7 所示。

從圖7 可看出，硬度（30～33）HA 逐漸上升，從33 HA～開始，鉸鏈力值逐步下降，說明當(dāng)門封條硬度逐步上升時，門封條的壓縮力會同步上升，從而導(dǎo)致鉸鏈達(dá)不到力值最大的角度，造成鉸鏈力值逐步偏小。因此，一般優(yōu)選硬度值（33±3）HA 的門封條。

4.3 平整度影響驗證

從鉸鏈角度與力值關(guān)系、門封條硬度值對鉸鏈的力值影響可得出的結(jié)論是要獲得鉸鏈的力值最大值，則需要保證鉸鏈的角度符合要求，因此，大門框、門體的平整度控制也是基于這個目的，本節(jié)不再重復(fù)驗證。

5 裝配驗證分析

根據(jù)模擬驗證的結(jié)果，實際選取不同硬度的門封條各3 組、不同關(guān)門力值的鉸鏈各3 組，平整度符合標(biāo)準(zhǔn)的大門框，按照工藝卡要求正常組裝各零部件，驗證實際門封性能可靠性。測試條件：環(huán)境溫度（20±5）℃，機器設(shè)置蒸功能模式100 ℃，通電運行1 h，觀察門體是否符合要求。合格標(biāo)準(zhǔn)：測試完成后，開門確認(rèn)門體各位置不漏氣不漏水，且接水槽位置無殘留水。具體實施的結(jié)果如表1 所示。

表1 不同硬度門封條與不同鉸鏈力值的匹配關(guān)系

從表1 中可以看出，較軟的門封條雖能滿足不漏氣漏水的要求，但同時也產(chǎn)生了嘯叫的問題；較硬的門封條在實際裝配驗證會存在漏氣的情況。力值過大的鉸鏈會帶來開門難的問題，力值較小的鉸鏈則無法解決漏氣問題，因此，根據(jù)以上對比情況，鉸鏈力值可以關(guān)門力能夠滿足門封性能要求，重要需要解決門封條出現(xiàn)嘯叫的現(xiàn)象。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

根據(jù)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生嘯叫是因為當(dāng)內(nèi)膽腔體壓力達(dá)到一定狀態(tài)，突然開門，壓力無法達(dá)到平衡狀態(tài)，腔體內(nèi)的蒸汽或熱空氣從門封條唇邊處釋放時造成的。為解決該問題，因此，對門封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，圓弧結(jié)構(gòu)優(yōu)化成直邊結(jié)構(gòu)，增加門封條的接觸面。如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化前后對比示意圖

根據(jù)優(yōu)化的圖紙拿到樣品后，進(jìn)行了相應(yīng)的驗證對比確認(rèn)。實際發(fā)現(xiàn)開門后立即關(guān)門不會存在嘯叫現(xiàn)象，能滿足門封性能要求。如表2 所示。

7 結(jié)論

為更好的解決集成灶門封性能問題，保障用戶的基本體驗感，本文系統(tǒng)性地針對集成灶門封性能涉及的各影響因素、各因素的影響程度進(jìn)行討論和分析，同時通過模擬驗證、實物裝配驗證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式最終達(dá)到門封性能的效果。與傳統(tǒng)的實物驗證方法相比較，本文介紹的方法是理論與實際的結(jié)合，可為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)的集成灶提供指導(dǎo)依據(jù)。不過由于作者對仿真軟件不熟無法建立模型進(jìn)行應(yīng)用驗證，也會后續(xù)期望研究類似課題提供思考的方向。