烤箱自平衡门铰链机构的设计
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。
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ji dian xin xi
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。
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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7 kg，高度为450 mm。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9 s。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15.425 n·m，仿真结果与理论计算值非常接近，从而验证了铰链机构虚拟样机模型的正确性。
4 结语
本文设计提供了一种烤箱自平衡门铰链机构，能够有效平衡柜门重量产生的开门扭矩；在柜门关闭时能够提供一定的锁紧力，使得烤箱柜门具有良好的密封性；同时提供了一种门体可拆卸方案，方便用户对烤箱进行清洗工作，提高了家用烤箱的用户体验性。
满足嵌入式系统电路特性测试需求的JTAG技术[图]
使用doop识别最近commons text漏洞的污点信息流
电阻膜腐蚀导致电阻发生不良的失效分析
2012年哪些科幻变现实？仿生假肢不远矣！
Windows 10操作系统的未来思路：跨设备、跨时段同步
烤箱自平衡门铰链机构的设计
V锥流量计的优点与缺点
荣耀Magic2手机的AI生态升维将引领智能手机走向下一站
连接器中小企业目前的发展现状是怎么样的
51单片机之矩阵键盘的驱动实现
尼得科集团产品开放日活动在芜湖市鸠江区成功举办
物联网可以为企业家带来哪些好处
电动执行器的组成部分及其作用
Intel推出至尊版Intel Core i7 980x处理
n9344c 9KHZ至20GHZ频谱分析仪keysight N9344C
康宁精密玻璃解决方案和旭福半导体电子 将在中国供应半导体玻璃载板
绝缘橡胶板
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采用传感器技术建设大气污染热点网格监管系统
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。
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2.1 平衡机构
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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。
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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7 kg，高度为450 mm。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9 s。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15.425 n·m，仿真结果与理论计算值非常接近，从而验证了铰链机构虚拟样机模型的正确性。
4 结语
本文设计提供了一种烤箱自平衡门铰链机构，能够有效平衡柜门重量产生的开门扭矩；在柜门关闭时能够提供一定的锁紧力，使得烤箱柜门具有良好的密封性；同时提供了一种门体可拆卸方案，方便用户对烤箱进行清洗工作，提高了家用烤箱的用户体验性。
满足嵌入式系统电路特性测试需求的JTAG技术[图]
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