家用雙層消毒柜省力抬升機構的設計

賈志強 胡永 王佳新 林文燦 季俊生

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

目前市場上的家用消毒柜大都采用半嵌入式或全嵌入式的安裝方式安裝在灶臺下方的櫥柜當中。消毒柜以雙層、三層結構為主，部分消毒柜內置碗籃固定在箱體內膽無法活動，部分消毒柜內置碗籃與消毒柜內膽采用滑軌連接，可以從柜中水平拉出。目前市面上內置碗籃可以水平抽拉出來的消毒柜，均無豎直抬升機構，無法改變碗籃的水平高度，導致下層碗籃的高度落差較大。考慮用戶要將消毒物品放入或者取出消毒柜下層內置碗籃，需要長時間保持較大幅度的彎腰動作，體驗性較差[1]。針對這個問題，本文設計了一種家用雙層消毒柜碗籃的省力抬升機構，可滿足現有家用消毒柜的尺寸需求，能夠只通過人力將家用消毒柜下層的碗籃抬升一定的高度，使碗籃保持在一定高度的自鎖限位機構，在抬升過程中提供一定的助力。

2 省力抬升機構的工作原理及工作組成

2.1 省力抬升機構的工作原理

本設計要求當中，需要將總重量為G的消毒柜碗籃及碗籃里面所盛重物保持水平的抬升至高度為L的位置處。因為是人力驅動，所以設計的機構應具有一定的省力效果。

若在豎直方向上放置滑軌直接抬升，為提升物體需要全程提供一個反向重力Gˊ，這個反向重力由人的拉力提供，即Fˊ=Gˊ。

若采用平行四邊形的四連桿機構[2]，同時放置恒力彈簧來進行助力緩沖，該機構運動示意圖如圖1所示。將碗籃的重量集中在后連桿下端點處進行分析，利用連桿抬升的過程可以看成迫使重量為G的重物繞著點A做半徑為L的圓周運動旋轉90°，連桿達到水平狀態，在豎直方向將高度變化為L，從而達到抬升的目的。旋轉過程中重物G產生的扭矩為T=GLsin，使其能夠持續旋轉，需要外力提供一個反向的扭矩Tˊ=GˊLsin，這個反向的扭矩由人的拉力F和恒力彈簧的拉力f提供，重力、恒力彈簧的拉力以及人的拉力有以下關系式：

在θ1=90°，θ2=90°時，此時人的拉力變化至最大：

2.2 省力抬升機構的工作組成

省力抬升機構安裝在家用雙層消毒柜的下層，整體的抽拉和抬升工作依靠人力驅動進行，不需要任何電動驅動設備。

省力機構的工作組成如圖2所示，圖中A1為用于裝載被消毒物品的碗籃，A2為內側滑軌，A3為外側軌道，A4為后連桿，A5為前連桿，A6為門把手，A7為固定側板。A7固定側板與消毒柜內膽利用鉚釘進行鉚接，整個運動過程保持靜止；內側滑軌A2在碗籃A1兩側對稱裝配，利用螺釘固定連接，內側滑軌A2與外側軌道A3之間可以水平滑動，即為碗籃A1的水平運動；后連桿A4與前連桿A5的一端分別固定在固定側板A7上的轉動軸上，另一端分別固定在外側軌道A3上的轉動軸上，當水平抽拉運動結束后，在人力的繼續驅動下，后連桿A4和前連桿A5將分別繞固定側板A7上的轉動軸做圓周運動帶動碗籃進行抬升。當碗籃達到指定位置時，鎖定機構將碗籃進行鎖定使其保持在固定的位置，如需將碗籃放回起始位置，則利用A6門把手上的釋放機構進行釋放即可。

2.3 本設計中解決的相關問題及創新

連桿機構被廣泛地用在各類機械中，以實現運動的傳遞和轉換。平行四邊形的四連桿機構能夠在運動中保持相對邊始終平行，非常適合需要將平臺整體升降移動的機械，無論是鍛造操作機、煤炭支架、焊接機械等重型工業[3-5]，還是升降收納籃、重物提升機、客車行李艙門等日用機械[6-8]中都已經應用到了平行四邊形的四連桿機構，因此選取平行四邊形的四連桿機構作為提升機構，其穩定性在實際應用中得到證實。

現有的平行四邊形四連桿機構大致分為三類：無輔助提升裝置，如升降收納籃[6]；電動控制氣彈簧升降，如客車行李艙門[7]；電動機械式輔助升降，如絲桿螺母驅動[9]。現有的平行四邊形四連桿機構的工作環境均為室溫，而消毒柜的碗籃工作環境溫度高達120攝氏度，超出了氣彈簧的工作溫度，因此無法采用氣彈簧助力升降；采用機械式輔助升降結構無法解決機械傳動結構的導熱問題；采用無輔助提升裝置在豎直方向上直接抬升碗籃平臺，需要全程提供一個反向重力Gˊ，提升過程較費力。根據目前平行四邊形四連桿機構的局限性，創新性地采用恒力彈簧來替代氣彈簧，對四連桿抬升機構進行助力緩沖，達到省力的效果。

3 主要結構設計

3.1 抽拉抬升機構

如圖3所示，該機構實現水平抽拉的動作有組件內側滑軌A2、外側軌道A3、陶瓷滾珠軸承A14、前限位端塊A12、后限位端塊A13。內側滑軌A2橫截面呈C形，滑軌的整體長度為外側軌道A3的長度與內外側軌道A2相對滑動距離之和；內側滑軌A2的上下呈對稱形的凹槽，用于與外側軌道A3上的滑動軸承相配合，防止內外側軌道脫落；外側軌道A3四個子母螺釘將陶瓷軸承A14的內圈固定在軌道上，外圈與內側滑軌A2觸，前后滑動；與內側滑軌A2相連接的為前端塊、后端塊，用于限制內側滑軌A2在外側軌道A3上的水平滑動距離。內側滑軌A2與碗籃A1通過螺釘固定連接后，用戶將碗籃A1向外拉伸時，內側滑軌A2將相對于外側軌道A3水平滑動。

圖2 抽拉抬升機構工作組成側視圖

圖3 抽拉抬升機構工作組成軸視圖

圖4 水平滑軌設計示意圖

圖5 抬升機構設計示意圖

3.2 省力抬升機構

如圖4所示，該機構實現抬升動作主要由組件外側軌道A3、前連桿A4、后連桿A5、固定側板A7、恒力彈簧固定組件A19和恒力彈簧A20。外側軌道A3、前連桿A4、后連桿A5和固定側板A7組成一個四連桿機構，固定側板A7固定在消毒柜的內膽上作為四連桿機構的機架，外側軌道A3與前后連桿相連，作為連架桿。固定側板A7與兩連桿通過轉軸相連接，使兩連桿能夠繞固定側板上的轉軸轉動，從而達到抬升碗籃的目的；在固定側板A7上面有兩個對前連桿A4限位的凸起，所以兩連桿只能在0°～90°范圍內逆時針轉動；這是一個平行四邊形的四連桿機構，所以在轉動的過程當中，兩連桿始終保持平行，固定側板A7與外側軌道A3始終保持平行，所以轉動過程中外側軌道始終保持水平狀態。

如圖4所示，在前連桿A4的固定軸與后連桿A5中點之間放置一個恒力彈簧A20，能夠在抬升過程在下降過程中進行緩沖[11]。

3.3 自鎖限位以及釋放機構

自鎖限位機構如圖6和圖7所示，圖中：A8為限位滑塊，A9為滑軌，A10為限位滑塊后側的限位彈簧，A10可以幫助限位滑塊復位，A11為限位彈簧的固定套，A15為釋放塊，A15可以拉動限位滑塊在滑軌上運動。圖6中四連桿是處于豎直狀態，碗籃處于低位，自鎖限位機構處于初始狀態，限位滑塊A8與A4后連桿上的突出平臺A4-1接觸，限制后連桿的轉動。圖7為四連桿處于水平狀態，碗籃處于高位，自鎖限位機構處于終止狀態，前連桿A5上的限位銷A5-1進入限位滑塊A8的限位槽中，鎖死四連桿，使抬升機構不會回落。

釋放機構主要由兩部分組成，分別為門上部分（如圖8）和滑軌部分（如圖9）所示。圖中：A6為門把手，A18為鋼絲繩，鋼絲繩兩端分別固定在釋放按壓板A23和釋放塊A15上，A21為鋼絲繩軸承，A22為按壓版復位彈簧，A23為釋放按壓板，A16為釋放塊復位彈簧，A8-1為限位滑塊下方的伸出部分。用戶在使用釋放機構時，按下釋放按壓板A23，通過鋼絲繩拉動釋放塊A15，進而通過限位滑塊A8下方的伸出部分A8-1拉動限位滑塊A8，最終限位銷A5-1與限位滑塊A8分離，釋放機構動作完成，四連桿抬升機構可以進行復位[12]。

4 動力學仿真分析

基于SOLIDWORKS建立了消毒柜碗籃抬升機構的三維模型，并把模型導出為PARASOLID格式導入到ADAMS仿真環境中轉化為虛擬樣機模型，并建立動力學模型受力情況。恒力彈簧的拉力可分解為水平方向和豎直方向兩個分力，初始位置時水平方向的分力會對平行四邊形抬升機構施加一個力矩，該力矩使得平行四邊形抬升機構產生正向轉動的趨勢，該趨勢的方向正是將碗籃抬升至最高位置的方向[13]。本文設置的平行四邊形升降機構驅動的轉動速度為5°/s，整個抬升過程是一個勻速平衡上升的過程。

分別對有/無恒力彈簧作用時的模型進行動力學分析，獲得碗籃在抬升過程中所需要的驅動力（即人力）的變化曲線，如圖10所示。初始位置時驅動力矩有一個初始值，這部分力矩值是克服恒力彈簧對平行四邊形抬升機構施加的力矩，從而使得整個層架抬升機構是處于受力平衡的，并且從0°至15°左右整個機構都是處于一個勻速上升的狀態。當抬升角度大于15°后，恒力彈簧提供的力矩不足以使碗籃上升，此時驅動力矩反過來提供一個力矩，進而使得整個抬升機構仍然處于一個受力平衡的狀態，并且使得碗籃繼續保持勻速上升的狀態。故有恒力彈簧時驅動力矩值會有一個符號的改變，本文中力矩的負值僅與驅動的方向有關，力矩的大小與力矩絕對值相對應。此外，有恒力彈簧的驅動力矩的最大值為15N?m左右，相對于無恒力彈簧時最大力矩值為23N?m左右，有恒力彈簧情況下需要的驅動力矩更小，這是因為減小的那部分力矩由恒力彈簧提供，這樣便達到了省力的作用，從而驗證了恒力彈簧模型設計的合理性。

5 結語

本文設計提供了一種家用消毒柜碗籃的抬升機構，能夠有效抬升家用消毒柜下層碗籃的高度，并且能夠為碗籃的抬升過程提供助力，避免用戶在使用家用消毒柜時長時間彎腰，豐富了家用消毒柜的功能性，提升了家用消毒柜的用戶體驗性。

圖7 限位機構狀態Ⅱ

圖8 釋放機構門上部分

圖9 釋放機構滑軌內側部分

圖10 有/無恒力彈簧Adams仿真結果曲線