一種烤箱自平衡門鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

摘

要：介紹了一種烤箱自平衡門鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為解決烤箱柜門打開后不能在任意角度停頓的問題，首先研究了烤箱柜門的平衡方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種鉸鏈的平衡機(jī)構(gòu)，并利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了鉸鏈平衡原理的可行性。鉸鏈實(shí)現(xiàn)了柜門在開門后任意角度停頓，同時(shí)考慮了柜門密封性與可拆卸的問題，使裝配有該鉸鏈的烤箱品質(zhì)得到了較大提升。關(guān)鍵詞：烤箱；自平衡鉸鏈；平衡機(jī)構(gòu)；鎖緊機(jī)構(gòu)；動(dòng)力學(xué)仿真0

引言隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，在家烹飪成為許多人的選擇，烤箱等烹飪電器逐漸得到了普及。鉸鏈作為連接箱體與柜門的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)，是烤箱使用過程中工作較頻繁的部件，在保證柜門密封性、連接可靠性方面起著重要作用。考慮到用戶在使用烤箱時(shí)的習(xí)慣，不少用戶在烹飪時(shí)經(jīng)常會(huì)將柜門打開一定角度，以方便對(duì)食物的成色以及氣味進(jìn)行判斷，而目前市場上大多鉸鏈不具備任意角度停頓功能，這就需要用戶在柜門打開一定角度時(shí)用手將柜門保持在當(dāng)前位置，給用戶造成了不必要的麻煩。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種烤箱自平衡門鉸鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)柜門重量完全由鉸鏈機(jī)構(gòu)平衡，柜門打開后可在任意角度停頓，滿足了用戶的使用需求，極大地提升了烤箱的品質(zhì)。1

鉸鏈平衡原理及主體結(jié)構(gòu)1.1

鉸鏈平衡原理目前，大部分烤箱鉸鏈采用彈簧牽拉的方式，在柜門打開后提供一個(gè)平衡拉力，該拉力提供的扭矩往往呈線性變化，不能很好地平衡柜門重力產(chǎn)生的扭矩M。本小節(jié)通過建立烤箱簡化模型，并對(duì)模型進(jìn)行受力分析，提出了一種基于正弦機(jī)構(gòu)的平衡原理?？鞠涫芰喕Ｐ腿鐖D1所示，θ為柜門與箱體之間的夾角，G為烤箱柜門的重量，G=mg。假設(shè)烤箱柜門的形狀規(guī)則，且質(zhì)量分布均勻，則柜門重心處于幾何中心上，設(shè)柜門的高度為H，可得柜門重心處于H/2高度處。據(jù)此，可建立柜門重力對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩方程，表達(dá)式如下：正弦機(jī)構(gòu)受力簡圖如圖2所示。該正弦機(jī)構(gòu)由曲柄A1、推桿A2、彈簧A3組成，曲柄A1做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，促使推桿A2做水平運(yùn)動(dòng)，推桿A2水平運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧A3，使得彈簧A3發(fā)生彈性形變?chǔ)，產(chǎn)生一個(gè)阻礙推桿A2運(yùn)動(dòng)的彈力F1，并在曲柄A1轉(zhuǎn)軸O處產(chǎn)生一個(gè)平衡扭矩M1，該扭矩M1存在如公式（2）所示的關(guān)系式：對(duì)正弦機(jī)構(gòu)的曲柄進(jìn)行演化設(shè)計(jì)，采用雙曲柄設(shè)計(jì)代替單曲柄設(shè)計(jì)，可將該二倍角2β進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的鉸鏈開門角θ。二倍角轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示，短曲柄B1與長曲柄B2協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)，且短曲柄B1為雙曲柄組件中的主動(dòng)件，O1點(diǎn)和O2點(diǎn)分別為曲柄組件的旋轉(zhuǎn)中心。由圓心角等于兩倍圓周角的數(shù)學(xué)定理可知，角θ和角β之間存在二倍角關(guān)系：θ=2β，故平衡扭矩M1可表達(dá)如公式（3）所示：由式（1）和式（3）可得，只需設(shè)計(jì)合適的鉸鏈參數(shù)，即可使扭矩平衡方程M1=M成立，從而實(shí)現(xiàn)鉸鏈的平衡原理設(shè)計(jì)。1.2

鉸鏈主體結(jié)構(gòu)鉸鏈主體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主體結(jié)構(gòu)由平衡機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)組成。平衡機(jī)構(gòu)提供一個(gè)正弦平衡扭矩M1，該正弦扭矩M1能抵消柜門重力產(chǎn)生的扭矩M；鎖緊機(jī)構(gòu)起到小角度關(guān)門及密封的作用，保證柜門關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性；連接機(jī)構(gòu)起到連接箱體與柜門的作用，并提供了一種門體可拆卸方案，方便用戶對(duì)烤箱進(jìn)行清潔工作。為了更好地表示鉸鏈各構(gòu)件，對(duì)本文鉸鏈各構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，具體如下：1—鉸鏈桿、2—連接桿、3—短曲柄、4—長曲柄、5—推桿、6—底座、7—鎖止桿、8—水平拉簧、9—豎直拉簧、10—滑軸A、11—滑軸B、12—滑軸C、13—柜門轉(zhuǎn)軸、14—曲柄轉(zhuǎn)軸。2

主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1

平衡機(jī)構(gòu)本文所述平衡機(jī)構(gòu)為正弦機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，由曲柄組件、推桿5、水平拉簧8以及滑軸組成，平衡機(jī)構(gòu)各構(gòu)件如圖5所示。曲柄組件包括短曲柄3與長曲柄4，曲柄組件各構(gòu)件協(xié)同運(yùn)動(dòng)，當(dāng)短曲柄3轉(zhuǎn)動(dòng)60°時(shí)，長曲柄4轉(zhuǎn)動(dòng)30°，兩者運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足二倍角關(guān)系。當(dāng)曲柄組件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滑軸A沿著推桿5的槽孔滑動(dòng)，從而推動(dòng)推桿5做水平運(yùn)動(dòng)。鉸鏈機(jī)構(gòu)俯視圖如圖6所示，水平拉簧8一端掛在滑軸B上，另一端掛在滑軸C上，滑軸C隨推桿5運(yùn)動(dòng)而沿著底座6的槽孔滑動(dòng)。當(dāng)推桿5發(fā)生水平位移ΔX時(shí)，受到水平拉簧8的拉力F1，拉力F1作用于曲柄轉(zhuǎn)軸14上，提供一個(gè)正弦平衡扭矩M1，扭矩M1抵消柜門重力產(chǎn)生的扭矩M，使得開門后柜門可在任意角度停頓。2.2

鎖緊機(jī)構(gòu)鉸鏈鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由豎直拉簧9、推桿5、滑軸B以及底座6組成。豎直拉簧9一端掛在固定軸上，另一端掛在滑軸B上，在鉸鏈機(jī)構(gòu)裝配好后，豎直拉簧9存在一定預(yù)緊。當(dāng)鉸鏈處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，由于豎直拉簧9預(yù)緊力的存在，滑軸B始終受到豎直拉簧9的拉力F2，從而使得鉸鏈處于被鎖緊的狀態(tài)。鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)門狀態(tài)圖如圖8所示。鉸鏈在打開過程中，推桿5做水平運(yùn)動(dòng)，在推桿滑槽的作用下，滑軸B沿著底座6的滑槽向下滑動(dòng)，從而使得豎直拉簧9伸長，給滑軸B一個(gè)較大的拉力。當(dāng)柜門開度小于12°時(shí)，滑軸B處于圖示狀態(tài)Ⅰ的位置，滑軸受到豎直拉簧9的拉力F2，在彈簧拉力F2的作用下，滑軸B沿著底座6上的槽孔向上滑動(dòng)，從而推動(dòng)推桿5沿著關(guān)門方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑軸B被豎直拉簧9拉至狀態(tài)Ⅱ位置時(shí)，鉸鏈處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)需要再次打開柜門時(shí)，要求用戶施加一定的開門力，用于克服豎直彈簧9的預(yù)緊力，保證了烤箱柜門具有良好的密封性。2.3

連接機(jī)構(gòu)鉸鏈?zhǔn)沁B接箱體與柜門的重要機(jī)械部件，連接機(jī)構(gòu)作為鉸鏈的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是鉸鏈設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。鉸鏈連接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，連接機(jī)構(gòu)主要由鉸鏈桿1、連接桿2、短曲柄3、鎖止桿7、柜門轉(zhuǎn)軸13及曲柄轉(zhuǎn)軸14組成，其中鉸鏈桿1、連接桿2與短曲柄3共同組成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)[1]。鉸鏈主體部分安裝于箱體內(nèi)，鉸鏈桿1與柜門通過螺栓緊固連接，從而實(shí)現(xiàn)柜門與箱體的牢靠連接。當(dāng)需要將門體拆卸下來時(shí)，將鎖止桿7打開至最大角度，使得鉸鏈桿1與鎖止桿7相抵觸，從而限制鉸鏈桿1的關(guān)門動(dòng)作，方便用戶拆卸烤箱柜門，并對(duì)烤箱進(jìn)行清潔工作。3

動(dòng)力學(xué)仿真分析基于SOLIDWORKS建立鉸鏈機(jī)構(gòu)的三維模型，把鉸鏈模型保存為PARASOLID格式，并導(dǎo)入ADAMS仿真環(huán)境，設(shè)置仿真參數(shù)以及各構(gòu)件的材料，并對(duì)各構(gòu)件添加相應(yīng)的約束，建立起鉸鏈機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。在實(shí)際測試的烤箱物理模型中，柜門為質(zhì)量分布均勻的扁長方體，烤箱柜門質(zhì)量為7kg，高度為450mm。依據(jù)前面章節(jié)建立的柜門重力扭矩方程可得，在柜門逐漸打開的過程中，重力扭矩M呈正弦規(guī)律變化，最大扭矩在柜門開度為90°時(shí)，此時(shí)正弦函數(shù)的值為1，最大扭矩值M=15.435

N·m（g取9.8

m/s2）。對(duì)建立的鉸鏈虛擬樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在柜門轉(zhuǎn)軸處添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并定義驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度為10（°）/s，仿真時(shí)間設(shè)置為9s。由于所設(shè)置的驅(qū)動(dòng)速度為勻速，故驅(qū)動(dòng)扭矩起到平衡柜門重力扭矩M的作用，在仿真過程中，鉸鏈機(jī)構(gòu)處于受力平衡的狀態(tài)。鉸鏈機(jī)構(gòu)平衡扭矩M1的仿真曲線如圖10所示，扭矩M1選取柜門轉(zhuǎn)軸處驅(qū)動(dòng)的力矩值，相當(dāng)于鉸鏈正弦機(jī)構(gòu)提供的平衡扭矩M1。由設(shè)置的驅(qū)動(dòng)速度與仿真時(shí)間可得，在鉸鏈虛擬樣機(jī)模型仿真過程中，柜門繞轉(zhuǎn)軸總共轉(zhuǎn)動(dòng)了90°，相當(dāng)于柜門從關(guān)閉到完全打開的過程。且從圖中易看出，平衡扭矩M1呈正弦規(guī)律變化。經(jīng)測量，M1最大扭矩值為15.425N