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(jī)械結(jié)構(gòu),是烤箱使用過(guò)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(shí)的習(xí)慣,不少用戶在烹飪時(shí)經(jīng)常會(huì)將柜門打開(kāi)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(chǎng)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(kāi)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(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種烤箱自平衡門較鏈機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)柜門重量完全由較鏈機(jī)構(gòu)平衡,柜門打開(kāi)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(kāi)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(guò)建立烤箱簡(jiǎn)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。

烤箱受力簡(jiǎn)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(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩方程,表達(dá)式如下:

正弦機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

該正弦機(jī)構(gòu)由曲柄Al、推桿A2、彈簧A3組成,曲柄Al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AX,產(chǎn)生一個(gè)阻礙推桿A2運(yùn)動(dòng)的彈力Fl,并在曲柄Al轉(zhuǎn)軸0處產(chǎn)生一個(gè)平衡扭矩Ml,該扭矩Ml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)的較鏈開(kāi)門角9。二倍角轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示,短曲柄Bl與長(zhǎng)曲柄B2協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng),且短曲柄Bl為雙曲柄組件中的主動(dòng)件,0l點(diǎn)和02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(jì)合適的較鏈參數(shù),即可使扭矩平衡方程Ml=M成立,從而實(shí)現(xiàn)較鏈的平衡原理設(shè)計(jì)。

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(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。

為了更好地表示較鏈各構(gòu)件,對(duì)本文較鏈各構(gòu)件進(jìn)行編號(hào),具體如下:1一較鏈桿、2一連接桿、3一短曲柄、4一長(zhǎng)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(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(zhǎng)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)60o時(shí),長(zhǎng)曲柄4轉(zhuǎn)動(dòng)30o,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)。較鏈機(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AⅩ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(kāi)門后柜門可在任意角度停頓。

圖5平衡機(jī)構(gòu)軸側(cè)圖

圖6平衡機(jī)構(gòu)俯視圖

2.2鎖緊機(jī)構(gòu)

較鏈鎖緊機(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,在較鏈機(jī)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(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,從而使得較鏈處于被鎖緊的狀態(tài)。

圖7鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)門狀態(tài)圖如圖8所示。較鏈在打開(kāi)過(guò)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(zhǎng),給滑軸B一個(gè)較大的拉力。當(dāng)柜門開(kāi)度小于12o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),較鏈處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)需要再次打開(kāi)柜門時(shí),要求用戶施加一定的開(kāi)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(jī)構(gòu)關(guān)門狀態(tài)圖

2.3連接機(jī)構(gòu)

較鏈?zhǔn)沁B接箱體與柜門的重要機(jī)械部件,連接機(jī)構(gòu)作為較鏈的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是較鏈設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。較鏈連接機(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(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)。較鏈主體部分安裝于箱體內(nèi),較鏈桿1與柜門通過(guò)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(lái)時(shí),將鎖止桿7打開(kāi)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(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建立較鏈機(jī)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(duì)各構(gòu)件添加相應(yīng)的約束,建立起較鏈機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。

在實(shí)際測(cè)試的烤箱物理模型中,柜門為質(zhì)量分布均勻的扁長(zhǎng)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(kāi)的過(guò)程中,重力扭矩M呈正弦規(guī)律變化,最大扭矩在柜門開(kāi)度為909時(shí),此時(shí)正弦函數(shù)的值為1,最大扭矩值M=15.435N·m(g取9.8m/s2)。

對(duì)建立的較鏈虛擬樣機(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(9)/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(guò)程中,較鏈機(jī)構(gòu)處于受力平衡的狀態(tài)。較鏈機(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)于較鏈正弦機(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,在較鏈虛擬樣機(jī)模型仿真過(guò)程中,柜門繞轉(zhuǎn)軸總共轉(zhuǎn)動(dòng)了909,相當(dāng)于柜門從關(guān)閉到完全打開(kāi)的過(guò)程。且從圖中易看出,平衡扭矩M1呈正弦規(guī)律變化。經(jīng)測(cè)量,M1最大扭矩值為15.425N·m,仿真結(jié)果與理論計(jì)算值非常接近,從而驗(yàn)證了較鏈機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的正確性。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)提供了一種烤箱自平衡門較鏈機(jī)構(gòu),能夠有效平衡柜門重量產(chǎn)生的開(kāi)門扭矩:在柜門關(guān)閉時(shí)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(shí)提供了一種門體可拆卸方案,方便用戶對(duì)烤箱進(jìn)行清洗工作,提高了家用烤箱的用戶體驗(yàn)性。