一种烤箱自平衡门铰链机构的设计与分析

摘

要：介绍了一种烤箱自平衡门铰链机构的设计。为解决烤箱柜门打开后不能在任意角度停顿的问题，首先研究了烤箱柜门的平衡方法，在此基础上设计了一种铰链的平衡机构，并利用ADAMS软件对机构进行动力学仿真分析，验证了铰链平衡原理的可行性。铰链实现了柜门在开门后任意角度停顿，同时考虑了柜门密封性与可拆卸的问题，使装配有该铰链的烤箱品质得到了较大提升。关键词：烤箱；自平衡铰链；平衡机构；锁紧机构；动力学仿真0

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。铰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，而目前市场上大多铰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铰链机构，实现柜门重量完全由铰链机构平衡，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

铰链平衡原理及主体结构1.1

铰链平衡原理目前，大部分烤箱铰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，θ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A1、推杆A2、弹簧A3组成，曲柄A1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ΔX，产生一个阻碍推杆A2运动的弹力F1，并在曲柄A1转轴O处产生一个平衡扭矩M1，该扭矩M1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，转化成相应的铰链开门角θ。二倍角转换原理图如图3所示，短曲柄B1与长曲柄B2协同转动，且短曲柄B1为双曲柄组件中的主动件，O1点和O2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θ和角β之间存在二倍角关系：θ=2β，故平衡扭矩M1可表达如公式（3）所示：由式（1）和式（3）可得，只需设计合适的铰链参数，即可使扭矩平衡方程M1=M成立，从而实现铰链的平衡原理设计。1.2

铰链主体结构铰链主体结构如图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。为了更好地表示铰链各构件，对本文铰链各构件进行编号，具体如下：1—铰链杆、2—连接杆、3—短曲柄、4—长曲柄、5—推杆、6—底座、7—锁止杆、8—水平拉簧、9—竖直拉簧、10—滑轴A、11—滑轴B、12—滑轴C、13—柜门转轴、14—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60°时，长曲柄4转动30°，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。铰链机构俯视图如图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ΔX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。2.2

锁紧机构铰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，在铰链机构装配好后，竖直拉簧9存在一定预紧。当铰链处于关闭状态时，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，从而使得铰链处于被锁紧的状态。锁紧机构关门状态图如图8所示。铰链在打开过程中，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12°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，铰链处于关闭状态，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。2.3

连接机构铰链是连接箱体与柜门的重要机械部件，连接机构作为铰链的执行机构，是铰链设计的重点内容。铰链连接机构的结构示意图如图9所示，连接机构主要由铰链杆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，其中铰链杆1、连接杆2与短曲柄3共同组成一个平行四边形机构[1]。铰链主体部分安装于箱体内，铰链杆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，使得铰链杆1与锁止杆7相抵触，从而限制铰链杆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建立铰链机构的三维模型，把铰链模型保存为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，建立起铰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90°时，此时正弦函数的值为1，最大扭矩值M=15.435

N·m（g取9.8

m/s2）。对建立的铰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（°）/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，铰链机构处于受力平衡的状态。铰链机构平衡扭矩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，相当于铰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，在铰链虚拟样机模型仿真过程中，柜门绕转轴总共转动了90°，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