小家電開門機關鍵部件的選型

周飚 徐蘭 武洪強 孫永波

（1.國家家用電器產品質量監督檢驗中心 安徽合肥 230088；2.北京中家智銳科技有限公司 北京 100053）

小家電開門機關鍵部件的選型

周飚1徐蘭2武洪強1孫永波1

（1.國家家用電器產品質量監督檢驗中心 安徽合肥 230088；2.北京中家智銳科技有限公司 北京 100053）

本文針對小家電開門機的關鍵部件的的選型計算進行了詳細的闡述，通過力、力臂、弧度、速度、加速度等已知參數計算出力矩、轉動慣量、慣性矩，最終計算出總力矩。通過不同開門動作的總力矩的比較，確定最終力矩，從而計算出所需功率。通過與電機參數的比較，從而確定電機功率、扭矩、減速比，確定所使用的電機型號規格。

力；力臂；弧度；速度；加速度；力矩；轉動慣量；慣性矩；功率；減速比

1 引言

GB 4706.21中規定，微波爐的門系統，包括鉸鏈、微波密封件和其他相關部件的結構都應經受正常使用中產生的磨損，其主要主要試驗方法就是進行門系統的耐久性試驗。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，針對這些情況，隨著對實驗設備要求的不斷提高，需要一種能模擬真實情況滿足多種開門方式的開門設備，可自動記錄門的運動軌跡，開門的速度和開門次數都可調節，精準定位產品的開關門位置，減少設備的震動，增加設備壽命。其中對擺臂機構各個驅動電機的選擇尤為重要。本文通過對力、扭矩等進行精確計算，多種不同的運動過程的計算結果進行比較，確定最終所需部件的關鍵參數，從而選定關鍵部件，使設備能夠按照預期要求運行，滿足試驗和標準的要求。以下介紹了關鍵部件的計算過程和選型。

2 關鍵部件的選型

市場開門設備上一般采用單軸運動方式，對于各種型式的微波爐門的試驗實現方法不具有通用性。本設備采用的是四桿機構的原理，曲柄的轉動帶動連桿和擺桿轉動，擺桿上安裝吸盤從而開關樣件門；根據試件的高度不同，機構設計有升降功能，適合不同大小的門；根據樣品開門方式的不同，機構設計有旋轉功能，整個開門機構旋轉。

擺臂機構采用曲柄連桿機構，實現開關門的動作。大臂是曲柄，是驅動機構，小臂是連桿，吸盤部分和樣件門是擺桿，大臂的轉動帶動其他桿的擺動，曲柄連桿機構是有死點位置的，所以必須在小臂上同樣安裝電機驅動，為了減輕重量和運動慣量，擺臂部分全部采用鋁合金材質。

2.1 大臂電機選型計算

首先進行大臂電機選型的計算，目前市場上的微波爐的開門方式主要有側開門和下開門兩種。側開門又分為直拉式和按鈕式，直拉式需要一個初始力，按鈕式則不需要。下開門則一般為直拉式。

（1）在對大臂下開門進行計算時，將此動作分解，選取其中開門時、關門時、開到最大位置關門時三種最不利情況為基礎計算。

通過標準要求，以及對微波爐開門動作的實際測量，以最嚴酷的狀態計算，即一分鐘20次，門從0°到120°（單程）所需要的時間為1.5s；大臂轉動的總角度為107°；大臂角速度從0加速到最大所需要的時間為0.1s；擺動部的質量為30kg。由此計算得出：角度轉化為弧度：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。

對開門時力矩分析得出，開門時的力矩包括：開門力產生的力矩，重力產生的力矩，開門時瞬間加速度產生的力矩。

通過實際測量（如圖1），確定開門力F=40N，力臂L=0.475m；由以上兩數值得出開門力矩為：T1=FL=40×0.475=19Nm，且方向為逆時針；同時重力產生的力矩：30kg×0.462m=138.6Nm，方向是順時針；開門時瞬間加速度產生的力矩如圖2。

轉動慣量（如圖2）：J=8.1kgm2；慣性矩：M=Jε=8.1×12.44=100.764Nm；通過對力矩方向分析，確定開門時的總力矩為：

-138.6+19+100.764=-18.836Nm

由此計算得出電機所需要的力矩方向與大臂運動方向相反。

對關門時力矩分析得出，關門時的力矩包括：重力產生的力矩，關門力產生的力矩。

通過測量（如圖3），關門力20N，力臂仍然以L=0.475m計算，關門時的力產生的力矩為：20N×0.475=9.5Nm，且方向是順時針；重力產生的力矩大小和方向與開門時相同：138.6Nm，方向是順時針。由以上數值確定關門時的總力矩為：138.6+9.5=148.1Nm，由計算得出電機所需要的力矩方向與大臂運動方向相同。

圖1 開門時大小臂示意圖

表1 對三種開門動作分析計算結果

圖2 開門時大小臂質量屬性

圖3 關門時大小臂示意圖

圖4 門開到最大時大小臂示意圖

圖5 開門開到最大時大小臂質量屬性

對門開到最大關門時分析得出，當門開到最大關門時的力矩包括：重力產生的力矩，瞬間加速度產生的力矩。

計算重力產生的力矩（如圖4）：

30kg×0.066m=19.8Nm，且方向是順時針，瞬間加速度產生的力矩如圖5。

轉動慣量（如圖5）：J=8.2kgm2；慣性矩：M=Jε=8.2×12.44=102Nm。通過對力矩方向分析，計算得出總力矩為：102+19.8=121.8Nm；由計算得出電機所需要的力矩方向與大臂運動方向相同。通過對以上三種開門動作分析計算，結論如表1。

通過比較最后得出：關門時電機所需要提供的力矩最大為148.1Nm，假設安全系數取1.5，力矩為：148.1×1.5=222.15，取整225Nm。根據所需要的最大力矩計算得出，所需要的總功率是：P=225×1.244=279.9W；目前所選擇的的電機額定轉矩是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，還需要對大臂側開門時需要的力矩進行計算。側開門分為三種情況：開門時、關門時、開到最大位置關門時。通過對三種情況力矩

的計算，最終得出結論是側開門時的力矩比下開門時的力矩小，即由下開門的最終結論確定大臂電機參數，選取型號。具體過程這里不再贅述。

2.2 小臂電機選型計算

在進行小臂電機選型計算時，同樣分為下開門和側開門，同樣按照開門時、關門時、開到最大位置關門時的三種工況計算。計算過程中需注意機械臂的轉動角度、力臂的選取，得到的結論同樣是側開門時的力矩比下開門時的力矩小，即由下開門的最終結論確定小臂電機參數，選取型號。

3 結論

通過對大臂和小臂不同動作所需要的力，根據力臂的長度，開門角度等計算得出控制擺臂機構控制大臂和小臂所必須的力矩及功率，通過同所選電機的參數功率、力矩、減速比的比較，最終確定電機的品牌和型號。另外根據本設備的設計方案，還需要對轉動電機和升降電機進行計算選型，從而完成整套設備所有電機的選型。本設備最重要的電機為大臂電機，通過多次試驗，使用不同形式的電機進行調試，最終確定大臂電機采用諧波減速機，這種減速機體積小、重量輕、傳動精度高，很多工業機器人都采用這種減速機。可以有效減少設備的震動，增加設備壽命。使測試設備實現過程的適用性、符合性、可靠性以及正常使用的復現性等要求日益具體化和指標化。

[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、烤爐級類似器具的特殊要求

[3] 成大先主編.《機械設計手冊》第五版.化學工業出版社

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