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。較鏈作為連接箱體與柜門的關(guān)鍵機械結(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?？紤]到用戶在使用烤箱時的習(xí)慣,不少用戶在烹飪時經(jīng)常會將柜門打開一定角度,以方便對食物的成色以及氣味進行判斷,而目前市場上大多較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。

針對這個問題,本文設(shè)計了一種烤箱自平衡門較鏈機構(gòu),實現(xiàn)柜門重量完全由較鏈機構(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較鏈平衡原理及主體結(jié)構(gòu)

1.1較鏈平衡原理

目前,大部分烤箱較鏈采用彈簧牽拉的方式,在柜門打開后提供一個平衡拉力,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,并對模型進行受力分析,提出了一種基于正弦機構(gòu)的平衡原理。

烤箱受力簡化模型如圖1所示,9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,可建立柜門重力對轉(zhuǎn)軸的扭矩方程,表達(dá)式如下:

正弦機構(gòu)受力簡圖如圖2所示。

該正弦機構(gòu)由曲柄Al、推桿A2、彈簧A3組成,曲柄Al做旋轉(zhuǎn)運動,促使推桿A2做水平運動,推桿A2水平運動壓縮彈簧A3,使得彈簧A3發(fā)生彈性形變AX,產(chǎn)生一個阻礙推桿A2運動的彈力Fl,并在曲柄Al轉(zhuǎn)軸0處產(chǎn)生一個平衡扭矩Ml,該扭矩Ml存在如公式(2)所示的關(guān)系式:

對正弦機構(gòu)的曲柄進行演化設(shè)計,采用雙曲柄設(shè)計代替單曲柄設(shè)計,可將該二倍角2β進行數(shù)值轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的較鏈開門角9。二倍角轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示,短曲柄Bl與長曲柄B2協(xié)同轉(zhuǎn)動,且短曲柄Bl為雙曲柄組件中的主動件,0l點和02點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9和角β之間存在二倍角關(guān)系:9=2β,故平衡扭矩Ml可表達(dá)如公式(3)所示:

由式(l)和式(3)可得,只需設(shè)計合適的較鏈參數(shù),即可使扭矩平衡方程Ml=M成立,從而實現(xiàn)較鏈的平衡原理設(shè)計。

1.2較鏈主體結(jié)構(gòu)

較鏈主體結(jié)構(gòu)如圖4所示,主體結(jié)構(gòu)由平衡機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、連接機構(gòu)組成。

平衡機構(gòu)提供一個正弦平衡扭矩M1,該正弦扭矩M1能抵消柜門重力產(chǎn)生的扭矩M:鎖緊機構(gòu)起到小角度關(guān)門及密封的作用,保證柜門關(guān)閉時具有良好的密封性;連接機構(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,方便用戶對烤箱進行清潔工作。

為了更好地表示較鏈各構(gòu)件,對本文較鏈各構(gòu)件進行編號,具體如下:1一較鏈桿、2一連接桿、3一短曲柄、4一長曲柄、5一推桿、6一底座、7一鎖止桿、8一水平拉簧、9一豎直拉簧、10一滑軸A、11一滑軸B、12一滑軸C、13一柜門轉(zhuǎn)軸、14一曲柄轉(zhuǎn)軸。

2主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1平衡機構(gòu)

本文所述平衡機構(gòu)為正弦機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計,由曲柄組件、推桿5、水平拉簧8以及滑軸組成,平衡機構(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)同運動,當(dāng)短曲柄3轉(zhuǎn)動60o時,長曲柄4轉(zhuǎn)動30o,兩者運動規(guī)律滿足二倍角關(guān)系。當(dāng)曲柄組件轉(zhuǎn)動時,帶動滑軸A沿著推桿5的槽孔滑動,從而推動推桿5做水平運動。較鏈機構(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運動而沿著底座6的槽孔滑動。當(dāng)推桿5發(fā)生水平位移AⅩ時,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。

圖5平衡機構(gòu)軸側(cè)圖

圖6平衡機構(gòu)俯視圖

2.2鎖緊機構(gòu)

較鏈鎖緊機構(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,在較鏈機構(gòu)裝配好后,豎直拉簧9存在一定預(yù)緊。當(dāng)較鏈處于關(guān)閉狀態(tài)時,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,從而使得較鏈處于被鎖緊的狀態(tài)。

圖7鎖緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

鎖緊機構(gòu)關(guān)門狀態(tài)圖如圖8所示。較鏈在打開過程中,推桿5做水平運動,在推桿滑槽的作用下,滑軸B沿著底座6的滑槽向下滑動,從而使得豎直拉簧9伸長,給滑軸B一個較大的拉力。當(dāng)柜門開度小于12o時,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,從而推動推桿5沿著關(guān)門方向運動。當(dāng)滑軸B被豎直拉簧9拉至狀態(tài)Ⅱ位置時,較鏈處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)需要再次打開柜門時,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。

圖8鎖緊機構(gòu)關(guān)門狀態(tài)圖

2.3連接機構(gòu)

較鏈?zhǔn)沁B接箱體與柜門的重要機械部件,連接機構(gòu)作為較鏈的執(zhí)行機構(gòu),是較鏈設(shè)計的重點內(nèi)容。較鏈連接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示,連接機構(gòu)主要由較鏈桿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,其中較鏈桿1、連接桿2與短曲柄3共同組成一個平行四邊形機構(gòu)。較鏈主體部分安裝于箱體內(nèi),較鏈桿1與柜門通過螺栓緊固連接,從而實現(xiàn)柜門與箱體的牢靠連接。當(dāng)需要將門體拆卸下來時,將鎖止桿7打開至最大角度,使得較鏈桿1與鎖止桿7相抵觸,從而限制較鏈桿1的關(guān)門動作,方便用戶拆卸烤箱柜門,并對烤箱進行清潔工作。

3動力學(xué)仿真分析

基于SOLIDWORKS建立較鏈機構(gòu)的三維模型,把較鏈模型保存為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,并對各構(gòu)件添加相應(yīng)的約束,建立起較鏈機構(gòu)的虛擬樣機模型。

在實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909時,此時正弦函數(shù)的值為1,最大扭矩值M=15.435N·m(g取9.8m/s2)。

對建立的較鏈虛擬樣機進行動力學(xué)仿真,在柜門轉(zhuǎn)軸處添加一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動,并定義驅(qū)動旋轉(zhuǎn)速度為10(9)/s,仿真時間設(shè)置為9s。由于所設(shè)置的驅(qū)動速度為勻速,故驅(qū)動扭矩起到平衡柜門重力扭矩M的作用,在仿真過程中,較鏈機構(gòu)處于受力平衡的狀態(tài)。較鏈機構(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)動的力矩值,相當(dāng)于較鏈正弦機構(gòu)提供的平衡扭矩M1。

由設(shè)置的驅(qū)動速度與仿真時間可得,在較鏈虛擬樣機模型仿真過程中,柜門繞轉(zhuǎn)軸總共轉(zhuǎn)動了909,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·m,仿真結(jié)果與理論計算值非常接近,從而驗證了較鏈機構(gòu)虛擬樣機模型的正確性。

4結(jié)語

本文設(shè)計提供了一種烤箱自平衡門較鏈機構(gòu),能夠有效平衡柜門重量產(chǎn)生的開門扭矩:在柜門關(guān)閉時能夠提供一定的鎖緊力,使得烤箱柜門具有良好的密封性:同時提供了一種門體可拆卸方案,方便用戶對烤箱進行清洗工作,提高了家用烤箱的用戶體驗性。