一種烤箱自平衡門鉸鏈機構的設計與分析

摘要：介紹了一種烤箱自平衡門鉸鏈機構的設計。為解決烤箱柜門打開后不能在任意角度停頓的問題，首先研究了烤箱柜門的平衡方法，在此基礎上設計了一種鉸鏈的平衡機構，并利用ADAMS軟件對機構進行動力學仿真分析，驗證了鉸鏈平衡原理的可行性。鉸鏈實現了柜門在開門后任意角度停頓，同時考慮了柜門密封性與可拆卸的問題，使裝配有該鉸鏈的烤箱品質得到了較大提升。

關鍵詞：烤箱；自平衡鉸鏈；平衡機構；鎖緊機構；動力學仿真

中圖分類號：TM925.5 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0021-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.007

0 " "引言

隨著人們生活質量的不斷提高，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。鉸鏈作為連接箱體與柜門的關鍵機械結構，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。考慮到用戶在使用烤箱時的習慣，不少用戶在烹飪時經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，而目前市場上大多鉸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前位置，給用戶造成了不必要的麻煩。

針對這個問題，本文設計了一種烤箱自平衡門鉸鏈機構，實現柜門重量完全由鉸鏈機構平衡，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。

1 " "鉸鏈平衡原理及主體結構

1.1 " "鉸鏈平衡原理

目前，大部分烤箱鉸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生的扭矩M。本小節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的平衡原理。

烤箱受力簡化模型如圖1所示，θ為柜門與箱體之間的夾角，G為烤箱柜門的重量，G=mg。假設烤箱柜門的形狀規則，且質量分布均勻，則柜門重心處于幾何中心上，設柜門的高度為H，可得柜門重心處于H/2高度處。

據此，可建立柜門重力對轉軸的扭矩方程，表達式如下：

（1）

正弦機構受力簡圖如圖2所示。

該正弦機構由曲柄A1、推桿A2、彈簧A3組成，曲柄A1做旋轉運動，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發生彈性形變ΔX，產生一個阻礙推桿A2運動的彈力F1，并在曲柄A1轉軸O處產生一個平衡扭矩M1，該扭矩M1存在如公式（2）所示的關系式：

（2）

對正弦機構的曲柄進行演化設計，采用雙曲柄設計代替單曲柄設計，可將該二倍角2β進行數值轉換，轉化成相應的鉸鏈開門角θ。二倍角轉換原理圖如圖3所示，短曲柄B1與長曲柄B2協同轉動，且短曲柄B1為雙曲柄組件中的主動件，O1點和O2點分別為曲柄組件的旋轉中心。

由圓心角等于兩倍圓周角的數學定理可知，角θ和角β之間存在二倍角關系：θ=2β，故平衡扭矩M1可表達如公式（3）所示：

（3）

由式（1）和式（3）可得，只需設計合適的鉸鏈參數，即可使扭矩平衡方程M1=M成立，從而實現鉸鏈的平衡原理設計。

1.2 " "鉸鏈主體結構

鉸鏈主體結構如圖4所示，主體結構由平衡機構、鎖緊機構、連接機構組成。

平衡機構提供一個正弦平衡扭矩M1，該正弦扭矩M1能抵消柜門重力產生的扭矩M；鎖緊機構起到小角度關門及密封的作用，保證柜門關閉時具有良好的密封性；連接機構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。

為了更好地表示鉸鏈各構件，對本文鉸鏈各構件進行編號，具體如下：1—鉸鏈桿、2—連接桿、3—短曲柄、4—長曲柄、5—推桿、6—底座、7—鎖止桿、8—水平拉簧、9—豎直拉簧、10—滑軸A、11—滑軸B、12—滑軸C、13—柜門轉軸、14—曲柄轉軸。

2 " "主要結構設計

2.1 " "平衡機構

本文所述平衡機構為正弦機構的創新設計，由曲柄組件、推桿5、水平拉簧8以及滑軸組成，平衡機構各構件如圖5所示。曲柄組件包括短曲柄3與長曲柄4，曲柄組件各構件協同運動，當短曲柄3轉動60°時，長曲柄4轉動30°，兩者運動規律滿足二倍角關系。當曲柄組件轉動時，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。鉸鏈機構俯視圖如圖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。當推桿5發生水平位移ΔX時，受到水平拉簧8的拉力F1，拉力F1作用于曲柄轉軸14上，提供一個正弦平衡扭矩M1，扭矩M1抵消柜門重力產生的扭矩M，使得開門后柜門可在任意角度停頓。

2.2 " "鎖緊機構

鉸鏈鎖緊機構結構如圖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，在鉸鏈機構裝配好后，豎直拉簧9存在一定預緊。當鉸鏈處于關閉狀態時，由于豎直拉簧9預緊力的存在，滑軸B始終受到豎直拉簧9的拉力F2，從而使得鉸鏈處于被鎖緊的狀態。

鎖緊機構關門狀態圖如圖8所示。鉸鏈在打開過程中，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。當柜門開度小于12°時，滑軸B處于圖示狀態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沿著關門方向運動。當滑軸B被豎直拉簧9拉至狀態Ⅱ位置時，鉸鏈處于關閉狀態，當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的預緊力，保證了烤箱柜門具有良好的密封性。

2.3 " "連接機構

鉸鏈是連接箱體與柜門的重要機械部件，連接機構作為鉸鏈的執行機構，是鉸鏈設計的重點內容。鉸鏈連接機構的結構示意圖如圖9所示，連接機構主要由鉸鏈桿1、連接桿2、短曲柄3、鎖止桿7、柜門轉軸13及曲柄轉軸14組成，其中鉸鏈桿1、連接桿2與短曲柄3共同組成一個平行四邊形機構[1]。鉸鏈主體部分安裝于箱體內，鉸鏈桿1與柜門通過螺栓緊固連接，從而實現柜門與箱體的牢靠連接。當需要將門體拆卸下來時，將鎖止桿7打開至最大角度，使得鉸鏈桿1與鎖止桿7相抵觸，從而限制鉸鏈桿1的關門動作，方便用戶拆卸烤箱柜門，并對烤箱進行清潔工作。

3 " "動力學仿真分析

基于SOLIDWORKS建立鉸鏈機構的三維模型，把鉸鏈模型保存為PARASOLID格式，并導入ADAMS仿真環境，設置仿真參數以及各構件的材料，并對各構件添加相應的約束，建立起鉸鏈機構的虛擬樣機模型。

在實際測試的烤箱物理模型中，柜門為質量分布均勻的扁長方體，烤箱柜門質量為7 kg，高度為450 mm。依據前面章節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呈正弦規律變化，最大扭矩在柜門開度為90°時，此時正弦函數的值為1，最大扭矩值M=15.435 N·m（g取9.8 m/s2）。

對建立的鉸鏈虛擬樣機進行動力學仿真，在柜門轉軸處添加一個旋轉驅動，并定義驅動旋轉速度為10（°）/s，仿真時間設置為9 s。由于所設置的驅動速度為勻速，故驅動扭矩起到平衡柜門重力扭矩M的作用，在仿真過程中，鉸鏈機構處于受力平衡的狀態。鉸鏈機構平衡扭矩M1的仿真曲線如圖10所示，扭矩M1選取柜門轉軸處驅動的力矩值，相當于鉸鏈正弦機構提供的平衡扭矩M1。

由設置的驅動速度與仿真時間可得，在鉸鏈虛擬樣機模型仿真過程中，柜門繞轉軸總共轉動了90°，相當于柜門從關閉到完全打開的過程。且從圖中易看出，平衡扭矩M1呈正弦規律變化。經測量，M1最大扭矩值為15.425 N·m，仿真結果與理論計算值非常接近，從而驗證了鉸鏈機構虛擬樣機模型的正確性。

4 " "結語

本文設計提供了一種烤箱自平衡門鉸鏈機構，能夠有效平衡柜門重量產生的開門扭矩；在柜門關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。

[參考文獻]

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

收稿日期：2022-09-09

作者簡介：林文燦（1977—），男，廣東汕頭人，工程師，美的集團廚房和熱水事業部主任工程師，主要從事廚房家電的開發和研究工作。