小家電開門機(jī)關(guān)鍵部件的選型

周飚 徐蘭 武洪強(qiáng) 孫永波

（1.國(guó)家家用電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 安徽合肥 230088；2.北京中家智銳科技有限公司 北京 100053）

小家電開門機(jī)關(guān)鍵部件的選型

周飚1徐蘭2武洪強(qiáng)1孫永波1

（1.國(guó)家家用電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 安徽合肥 230088；2.北京中家智銳科技有限公司 北京 100053）

本文針對(duì)小家電開門機(jī)的關(guān)鍵部件的的選型計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，通過(guò)力、力臂、弧度、速度、加速度等已知參數(shù)計(jì)算出力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性矩，最終計(jì)算出總力矩。通過(guò)不同開門動(dòng)作的總力矩的比較，確定最終力矩，從而計(jì)算出所需功率。通過(guò)與電機(jī)參數(shù)的比較，從而確定電機(jī)功率、扭矩、減速比，確定所使用的電機(jī)型號(hào)規(guī)格。

力；力臂；弧度；速度；加速度；力矩；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；慣性矩；功率；減速比

1 引言

GB 4706.21中規(guī)定，微波爐的門系統(tǒng)，包括鉸鏈、微波密封件和其他相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)都應(yīng)經(jīng)受正常使用中產(chǎn)生的磨損，其主要主要試驗(yàn)方法就是進(jìn)行門系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)。由于微波爐種類繁多，大小不一，開門方式不同，開門方向不同，開門角度不同等，針對(duì)這些情況，隨著對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求的不斷提高，需要一種能模擬真實(shí)情況滿足多種開門方式的開門設(shè)備，可自動(dòng)記錄門的運(yùn)動(dòng)軌跡，開門的速度和開門次數(shù)都可調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)定位產(chǎn)品的開關(guān)門位置，減少設(shè)備的震動(dòng)，增加設(shè)備壽命。其中對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇尤為重要。本文通過(guò)對(duì)力、扭矩等進(jìn)行精確計(jì)算，多種不同的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，確定最終所需部件的關(guān)鍵參數(shù)，從而選定關(guān)鍵部件，使設(shè)備能夠按照預(yù)期要求運(yùn)行，滿足試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。以下介紹了關(guān)鍵部件的計(jì)算過(guò)程和選型。

2 關(guān)鍵部件的選型

市場(chǎng)開門設(shè)備上一般采用單軸運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)于各種型式的微波爐門的試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法不具有通用性。本設(shè)備采用的是四桿機(jī)構(gòu)的原理，曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿和擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿上安裝吸盤從而開關(guān)樣件門；根據(jù)試件的高度不同，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有升降功能，適合不同大小的門；根據(jù)樣品開門方式的不同，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)功能，整個(gè)開門機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。

擺臂機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)門的動(dòng)作。大臂是曲柄，是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，小臂是連桿，吸盤部分和樣件門是擺桿，大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其他桿的擺動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是有死點(diǎn)位置的，所以必須在小臂上同樣安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了減輕重量和運(yùn)動(dòng)慣量，擺臂部分全部采用鋁合金材質(zhì)。

2.1 大臂電機(jī)選型計(jì)算

首先進(jìn)行大臂電機(jī)選型的計(jì)算，目前市場(chǎng)上的微波爐的開門方式主要有側(cè)開門和下開門兩種。側(cè)開門又分為直拉式和按鈕式，直拉式需要一個(gè)初始力，按鈕式則不需要。下開門則一般為直拉式。

（1）在對(duì)大臂下開門進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將此動(dòng)作分解，選取其中開門時(shí)、關(guān)門時(shí)、開到最大位置關(guān)門時(shí)三種最不利情況為基礎(chǔ)計(jì)算。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，以及對(duì)微波爐開門動(dòng)作的實(shí)際測(cè)量，以最嚴(yán)酷的狀態(tài)計(jì)算，即一分鐘20次，門從0°到120°（單程）所需要的時(shí)間為1.5s；大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的總角度為107°；大臂角速度從0加速到最大所需要的時(shí)間為0.1s；擺動(dòng)部的質(zhì)量為30kg。由此計(jì)算得出：角度轉(zhuǎn)化為弧度：107°/180×π=1.87rad；大臂最大角速度：1.87/1.5S=1.244rad/s；大臂最大角加速度：ε=1.244/0.1S=12.44rad/s2。

對(duì)開門時(shí)力矩分析得出，開門時(shí)的力矩包括：開門力產(chǎn)生的力矩，重力產(chǎn)生的力矩，開門時(shí)瞬間加速度產(chǎn)生的力矩。

通過(guò)實(shí)際測(cè)量（如圖1），確定開門力F=40N，力臂L=0.475m；由以上兩數(shù)值得出開門力矩為：T1=FL=40×0.475=19Nm，且方向?yàn)槟鏁r(shí)針；同時(shí)重力產(chǎn)生的力矩：30kg×0.462m=138.6Nm，方向是順時(shí)針；開門時(shí)瞬間加速度產(chǎn)生的力矩如圖2。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（如圖2）：J=8.1kgm2；慣性矩：M=Jε=8.1×12.44=100.764Nm；通過(guò)對(duì)力矩方向分析，確定開門時(shí)的總力矩為：

-138.6+19+100.764=-18.836Nm

由此計(jì)算得出電機(jī)所需要的力矩方向與大臂運(yùn)動(dòng)方向相反。

對(duì)關(guān)門時(shí)力矩分析得出，關(guān)門時(shí)的力矩包括：重力產(chǎn)生的力矩，關(guān)門力產(chǎn)生的力矩。

通過(guò)測(cè)量（如圖3），關(guān)門力20N，力臂仍然以L=0.475m計(jì)算，關(guān)門時(shí)的力產(chǎn)生的力矩為：20N×0.475=9.5Nm，且方向是順時(shí)針；重力產(chǎn)生的力矩大小和方向與開門時(shí)相同：138.6Nm，方向是順時(shí)針。由以上數(shù)值確定關(guān)門時(shí)的總力矩為：138.6+9.5=148.1Nm，由計(jì)算得出電機(jī)所需要的力矩方向與大臂運(yùn)動(dòng)方向相同。

圖1 開門時(shí)大小臂示意圖

表1 對(duì)三種開門動(dòng)作分析計(jì)算結(jié)果

圖2 開門時(shí)大小臂質(zhì)量屬性

圖3 關(guān)門時(shí)大小臂示意圖

圖4 門開到最大時(shí)大小臂示意圖

圖5 開門開到最大時(shí)大小臂質(zhì)量屬性

對(duì)門開到最大關(guān)門時(shí)分析得出，當(dāng)門開到最大關(guān)門時(shí)的力矩包括：重力產(chǎn)生的力矩，瞬間加速度產(chǎn)生的力矩。

計(jì)算重力產(chǎn)生的力矩（如圖4）：

30kg×0.066m=19.8Nm，且方向是順時(shí)針，瞬間加速度產(chǎn)生的力矩如圖5。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（如圖5）：J=8.2kgm2；慣性矩：M=Jε=8.2×12.44=102Nm。通過(guò)對(duì)力矩方向分析，計(jì)算得出總力矩為：102+19.8=121.8Nm；由計(jì)算得出電機(jī)所需要的力矩方向與大臂運(yùn)動(dòng)方向相同。通過(guò)對(duì)以上三種開門動(dòng)作分析計(jì)算，結(jié)論如表1。

通過(guò)比較最后得出：關(guān)門時(shí)電機(jī)所需要提供的力矩最大為148.1Nm，假設(shè)安全系數(shù)取1.5，力矩為：148.1×1.5=222.15，取整225Nm。根據(jù)所需要的最大力矩計(jì)算得出，所需要的總功率是：P=225×1.244=279.9W；目前所選擇的的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩是2.4Nm；額定輸出功率是750W；所需要的理論減速比為：225/2.4=93.75≈100。

（2）另外，還需要對(duì)大臂側(cè)開門時(shí)需要的力矩進(jìn)行計(jì)算。側(cè)開門分為三種情況：開門時(shí)、關(guān)門時(shí)、開到最大位置關(guān)門時(shí)。通過(guò)對(duì)三種情況力矩

的計(jì)算，最終得出結(jié)論是側(cè)開門時(shí)的力矩比下開門時(shí)的力矩小，即由下開門的最終結(jié)論確定大臂電機(jī)參數(shù)，選取型號(hào)。具體過(guò)程這里不再贅述。

2.2 小臂電機(jī)選型計(jì)算

在進(jìn)行小臂電機(jī)選型計(jì)算時(shí)，同樣分為下開門和側(cè)開門，同樣按照開門時(shí)、關(guān)門時(shí)、開到最大位置關(guān)門時(shí)的三種工況計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中需注意機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、力臂的選取，得到的結(jié)論同樣是側(cè)開門時(shí)的力矩比下開門時(shí)的力矩小，即由下開門的最終結(jié)論確定小臂電機(jī)參數(shù)，選取型號(hào)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大臂和小臂不同動(dòng)作所需要的力，根據(jù)力臂的長(zhǎng)度，開門角度等計(jì)算得出控制擺臂機(jī)構(gòu)控制大臂和小臂所必須的力矩及功率，通過(guò)同所選電機(jī)的參數(shù)功率、力矩、減速比的比較，最終確定電機(jī)的品牌和型號(hào)。另外根據(jù)本設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，還需要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和升降電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型，從而完成整套設(shè)備所有電機(jī)的選型。本設(shè)備最重要的電機(jī)為大臂電機(jī)，通過(guò)多次試驗(yàn)，使用不同形式的電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，最終確定大臂電機(jī)采用諧波減速機(jī)，這種減速機(jī)體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高，很多工業(yè)機(jī)器人都采用這種減速機(jī)。可以有效減少設(shè)備的震動(dòng)，增加設(shè)備壽命。使測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)過(guò)程的適用性、符合性、可靠性以及正常使用的復(fù)現(xiàn)性等要求日益具體化和指標(biāo)化。

[1] GB 4706.21-2008 家用和類似用途電器的安全 微波爐的特殊要求

[2] GB 4706.22-2008 家用和類似用途電器的安 駐立式電灶、灶臺(tái)、烤爐級(jí)類似器具的特殊要求

[3] 成大先主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版.化學(xué)工業(yè)出版社

Selection and calculation of key parts for Door durability equipment of small household electrical appliance

ZHOU Biao1XU Lan2WU Hongqiang1SUN Yongbo1
（1.National Center for Supervision & Inspection of household Electric Application Product Quality Anhui 230088; 2.Beijing Chearizhirui Beijing 100053）

This paper describes the selection and calculation of the key components for Door durabilityequipmentof small household electrical appliance in detail. throughthe known parameterswhich are force and the arm of force, curvature, speed, acceleration, etc. calculate torque, inertia and moment of inertia, finally calculates the total torque. Through the comparison of the total torque of the different Door durability movements, the final torque is determined, and the required power is calculated. By comparing with the motor parameters, the motor power, torque, and reduction ratio are determined.

Force; The arm of force; Curvature; Speed; Acceleration; Torque; Inertia; Moment of inertia; Power; Reduction ratio