一种烤箱自平衡门较链机构的设计与分析

引言

随着人们生活质量的不断提高,在家烹饪成为许多人的选择,烤箱等烹饪电器逐渐得到了普及。较链作为连接箱体与柜门的关键机械结构,是烤箱使用过程中工作较频繁的部件,在保证柜门密封性、连接可靠性方面起着重要作用。考虑到用户在使用烤箱时的习惯,不少用户在烹饪时经常会将柜门打开一定角度,以方便对食物的成色以及气味进行判断,而目前市场上大多较链不具备任意角度停顿功能,这就需要用户在柜门打开一定角度时用手将柜门保持在当前位置,给用户造成了不必要的麻烦。

针对这个问题,本文设计了一种烤箱自平衡门较链机构,实现柜门重量完全由较链机构平衡,柜门打开后可在任意角度停顿,满足了用户的使用需求,极大地提升了烤箱的品质。

1较链平衡原理及主体结构

1.1较链平衡原理

目前,大部分烤箱较链采用弹簧牵拉的方式,在柜门打开后提供一个平衡拉力,该拉力提供的扭矩往往呈线性变化,不能很好地平衡柜门重力产生的扭矩M。本小节通过建立烤箱简化模型,并对模型进行受力分析,提出了一种基于正弦机构的平衡原理。

烤箱受力简化模型如图1所示,9为柜门与箱体之间的夹角,G为烤箱柜门的重量,G=mg。假设烤箱柜门的形状规则,且质量分布均匀,则柜门重心处于几何中心上,设柜门的高度为H,可得柜门重心处于H/2高度处。

据此,可建立柜门重力对转轴的扭矩方程,表达式如下:

正弦机构受力简图如图2所示。

该正弦机构由曲柄Al、推杆A2、弹簧A3组成,曲柄Al做旋转运动,促使推杆A2做水平运动,推杆A2水平运动压缩弹簧A3,使得弹簧A3发生弹性形变AX,产生一个阻碍推杆A2运动的弹力Fl,并在曲柄Al转轴0处产生一个平衡扭矩Ml,该扭矩Ml存在如公式(2)所示的关系式:

对正弦机构的曲柄进行演化设计,采用双曲柄设计代替单曲柄设计,可将该二倍角2β进行数值转换,转化成相应的较链开门角9。二倍角转换原理图如图3所示,短曲柄Bl与长曲柄B2协同转动,且短曲柄Bl为双曲柄组件中的主动件,0l点和02点分别为曲柄组件的旋转中心。

由圆心角等于两倍圆周角的数学定理可知,角9和角β之间存在二倍角关系:9=2β,故平衡扭矩Ml可表达如公式(3)所示:

由式(l)和式(3)可得,只需设计合适的较链参数,即可使扭矩平衡方程Ml=M成立,从而实现较链的平衡原理设计。

1.2较链主体结构

较链主体结构如图4所示,主体结构由平衡机构、锁紧机构、连接机构组成。

平衡机构提供一个正弦平衡扭矩M1,该正弦扭矩M1能抵消柜门重力产生的扭矩M:锁紧机构起到小角度关门及密封的作用,保证柜门关闭时具有良好的密封性;连接机构起到连接箱体与柜门的作用,并提供了一种门体可拆卸方案,方便用户对烤箱进行清洁工作。

为了更好地表示较链各构件,对本文较链各构件进行编号,具体如下:1一较链杆、2一连接杆、3一短曲柄、4一长曲柄、5一推杆、6一底座、7一锁止杆、8一水平拉簧、9一竖直拉簧、10一滑轴A、11一滑轴B、12一滑轴C、13一柜门转轴、14一曲柄转轴。

2主要结构设计

2.1平衡机构

本文所述平衡机构为正弦机构的创新设计,由曲柄组件、推杆5、水平拉簧8以及滑轴组成,平衡机构各构件如图5所示。曲柄组件包括短曲柄3与长曲柄4,曲柄组件各构件协同运动,当短曲柄3转动60o时,长曲柄4转动30o,两者运动规律满足二倍角关系。当曲柄组件转动时,带动滑轴A沿着推杆5的槽孔滑动,从而推动推杆5做水平运动。较链机构俯视图如图6所示,水平拉簧8一端挂在滑轴B上,另一端挂在滑轴C上,滑轴C随推杆5运动而沿着底座6的槽孔滑动。当推杆5发生水平位移AⅩ时,受到水平拉簧8的拉力F1,拉力F1作用于曲柄转轴14上,提供一个正弦平衡扭矩M1,扭矩M1抵消柜门重力产生的扭矩M,使得开门后柜门可在任意角度停顿。

图5平衡机构轴侧图

图6平衡机构俯视图

2.2锁紧机构

较链锁紧机构结构如图7所示,主要由竖直拉簧9、推杆5、滑轴B以及底座6组成。竖直拉簧9一端挂在固定轴上,另一端挂在滑轴B上,在较链机构装配好后,竖直拉簧9存在一定预紧。当较链处于关闭状态时,由于竖直拉簧9预紧力的存在,滑轴B始终受到竖直拉簧9的拉力F2,从而使得较链处于被锁紧的状态。

图7锁紧机构结构示意图

锁紧机构关门状态图如图8所示。较链在打开过程中,推杆5做水平运动,在推杆滑槽的作用下,滑轴B沿着底座6的滑槽向下滑动,从而使得竖直拉簧9伸长,给滑轴B一个较大的拉力。当柜门开度小于12o时,滑轴B处于图示状态I的位置,滑轴受到竖直拉簧9的拉力F2,在弹簧拉力F2的作用下,滑轴B沿着底座6上的槽孔向上滑动,从而推动推杆5沿着关门方向运动。当滑轴B被竖直拉簧9拉至状态Ⅱ位置时,较链处于关闭状态,当需要再次打开柜门时,要求用户施加一定的开门力,用于克服竖直弹簧9的预紧力,保证了烤箱柜门具有良好的密封性。

图8锁紧机构关门状态图

2.3连接机构

较链是连接箱体与柜门的重要机械部件,连接机构作为较链的执行机构,是较链设计的重点内容。较链连接机构的结构示意图如图9所示,连接机构主要由较链杆1、连接杆2、短曲柄3、锁止杆7、柜门转轴13及曲柄转轴14组成,其中较链杆1、连接杆2与短曲柄3共同组成一个平行四边形机构。较链主体部分安装于箱体内,较链杆1与柜门通过螺栓紧固连接,从而实现柜门与箱体的牢靠连接。当需要将门体拆卸下来时,将锁止杆7打开至最大角度,使得较链杆1与锁止杆7相抵触,从而限制较链杆1的关门动作,方便用户拆卸烤箱柜门,并对烤箱进行清洁工作。

3动力学仿真分析

基于SOLIDWORKS建立较链机构的三维模型,把较链模型保存为PARASOLID格式,并导入ADAMs仿真环境,设置仿真参数以及各构件的材料,并对各构件添加相应的约束,建立起较链机构的虚拟样机模型。

在实际测试的烤箱物理模型中,柜门为质量分布均匀的扁长方体,烤箱柜门质量为7kg,高度为450mm。依据前面章节建立的柜门重力扭矩方程可得,在柜门逐渐打开的过程中,重力扭矩M呈正弦规律变化,最大扭矩在柜门开度为909时,此时正弦函数的值为1,最大扭矩值M=15.435N·m(g取9.8m/s2)。

对建立的较链虚拟样机进行动力学仿真,在柜门转轴处添加一个旋转驱动,并定义驱动旋转速度为10(9)/s,仿真时间设置为9s。由于所设置的驱动速度为匀速,故驱动扭矩起到平衡柜门重力扭矩M的作用,在仿真过程中,较链机构处于受力平衡的状态。较链机构平衡扭矩M1的仿真曲线如图10所示,扭矩M1选取柜门转轴处驱动的力矩值,相当于较链正弦机构提供的平衡扭矩M1。

由设置的驱动速度与仿真时间可得,在较链虚拟样机模型仿真过程中,柜门绕转轴总共转动了909,相当于柜门从关闭到完全打开的过程。且从图中易看出,平衡扭矩M1呈正弦规律变化。经测量,M1最大扭矩值为15.425N·m,仿真结果与理论计算值非常接近,从而验证了较链机构虚拟样机模型的正确性。

4结语

本文设计提供了一种烤箱自平衡门较链机构,能够有效平衡柜门重量产生的开门扭矩:在柜门关闭时能够提供一定的锁紧力,使得烤箱柜门具有良好的密封性:同时提供了一种门体可拆卸方案,方便用户对烤箱进行清洗工作,提高了家用烤箱的用户体验性。