烹饪器具铰链弹簧研究与应用

烹饪器具铰链弹簧研究与应用

胡玉新

                  珠海格力电器股份有限公司     广东珠海 519000

[摘 要]烹饪器具一般使用扭簧贮能开盖，上盖在铰链弹簧的扭力作用下，能正常开启到稳定状态。由于烹饪器具不同形状、外形尺寸和上盖重量，其要求弹簧扭力有所不同，烹饪器具生产后，可能需要关盖存放一段时间流入市场，对铰链扭簧的存在应力松施的现象；另外烹饪器具使用烹饪时，铰链弹簧受热升温，对弹簧的刚性产生影响，均可能影响烹饪器具开盖，因此，本文对烹饪器具铰链弹簧的一些设计要求，测试等进行初探，以便指导铰链弹簧的设计，并合理评价弹簧设计的合理性。

[关键词]烹饪器具 铰链弹簧，旋绕比，开盖寿命，存放

Research and application of hinge springs for cooking appliances

                                      Hu yu xin

Gree Electric Appliances,Inc. ofZhuhai  Zhuhai Guangdong 519000

Abstract: Cooking utensils generally use torsion springs to store energy to open the lid, and the upper cover can be opened normally to a stable state under the torsion of the hinge spring. Due to the different shapes, dimensions and weight of the upper cover of cooking appliances, the spring torque required is different, and after the production of cooking appliances, it may be necessary to close the lid and store it for a period of time into the market, and the existence of the hinge torsion spring is stressed to loosen the phenomenon; In addition, when cooking utensils are used for cooking, the hinge spring is heated by heat, which has an impact on the rigidity of the spring, which may affect the opening of the lid of the cooking utensils, therefore, this article conducts a preliminary study on some design requirements, tests, etc. of the hinge spring of the cooking utensils, in order to guide the design of the hinge spring and reasonably evaluate the rationality of the spring design.

Keywords: Cooking utensils Hinged springs, twisting ratio, lid opening life, storage

1 引言

弹簧是重要的机械基础件, 具有缓冲、减震、机械储能、控制运动、定位等功能, 因此被广泛应用于机械、仪表、家用电器、交通运输、航空航天等领域，尤其家用电器方面弹簧应用的十分广泛。弹簧按受力状态有拉簧、压簧和扭簧等工件状态，家用电器烹饪器具铰链弹簧，利用弹簧的扭力贮能开盖，其主要求失效形式为扭簧疲劳断裂和应力松弛两种主要方式，因此设计合理的弹簧结构，并对其寿命和扭力进行合理评估，对指导烹饪器具铰链弹簧的设计具有较现实意义，并运用理论计算和辅助软件分析和设计，以进一步提高度设计的准确性，以减少设计修改与打样次数，提高零件设计准确性。

目前烹饪器具铰链弹簧，通过设计、打样、检测和装配，然后进行整机装配后开盖寿命测试，如存在铰链弹簧扭力不够产生上盖弹不开，扭力过大煲体前端起跳过高，或铰链弹簧寿命测试断裂等不合格问题，则需重新调整设计，重复上述测试。烹饪器具开发过程中，铰链弹簧设计、调整和确认时间在较长零件之一；

由于烹饪器具产品生产后，可能需要存贮一段时间，才到用户使用，用户购买后使用时，存在烹饪器具开盖不良问题，这主要铰链弹簧存贮过程中存在应力松施现象，此现象在打样后的弹簧寿命测试时，并未考虑到铰链弹簧贮存后的应力松施情况。

2 铰链弹簧设计

烹饪器具开盖时，铰链弹簧需要克服上盖重量所产生的阻抗扭力，阻尼器的阻尼力矩，要求铰链弹簧扭力矩将上盖开启约90度，并到上盖处于稳定状态，当上盖开盖过程中，上盖可能存在一定的旋转速度，可能对煲体产生一定的冲击力，导致烹饪器具煲体前端起跳，开盖时要求煲体起跳高度小于10mm，开盖次数符合设计要求，如电饭煲开盖设计要求5万次（不同的烹饪器具要求开盖寿命有所不同）。

烹饪器具开合盖示意图（图一）

如下图为烹饪器具的铰链弹簧，o为铰链轴，铰链轴穿在扭簧上，铰链弹簧可以绕铰链轴旋转，N点固定在煲身上，M点固定在煲盖上，铰链弹簧装配后，弹簧存在一定的初始安装变形角β，在开关盖的过程中，铰链弹继续处于受力变形完成关盖动作，铰链弹簧再增加约为ɑ度变形量，关盖后铰链弹簧最大扭力角度为ɑ+β。    

铰链弹簧安装角度和合盖角度示意图（图二）

铰链弹簧材料和制作工艺：烹饪器具的铰链弹簧材质多使用SUS304-WA，如上盖较重时，可以考虑使用抗拉强度更高的琴钢丝或碳钢表面防锈处理；烹饪器具使用铰链弹簧一般线径Φ0.8-2.8mm,上盖较轻时取小值，上盖较重时线径取大值，同步评估装配空间等合理选择弹簧线径。扭簧加工一般有冷加工和热加工，如线径小于8mm时，一般使用冷加工方案，大于8mm，使用热加工成型方案。烹饪器具弹簧一般为冷加工，由于加工后有冷作硬化，有残留应力，需要退火去应力处理。

铰链弹簧的形状与尺寸设计：弹簧中径 D2 与金属丝直径d的比叫“旋绕比”，用C来代表，即：C=D2/d；在实用上如C≤4，C太小了钢丝变形很厉害，尤其受动负荷的弹簧，钢丝弯曲太厉害，使用寿命较短。但C也不能太大，最大被限于C≥15。C太大，弹簧安装空间大，同时缠绕以后容易松开，绕制时回弹大，直径公差尺寸难于掌握。烹饪器具铰链弹簧一般C=4~9。当铰链弹簧在工作时，圈和圈之间将相靠紧而产生摩擦发热的现象,因此烹饪器具铰链弹簧间距δ，δ值取0.2-0.3毫米较为合理，装配后，铰链弹簧加润滑油，防止圈与圈之间摩擦问题，保证弹簧每圈均参与变形，防止弹簧局部变形过大过早断裂。铰链弹簧圈数N值，N值一般取7~11圈较为合理，N值过大，参加弹簧变形的圈数较多，则弹簧较软，N值过小，则每一圈的弹簧变形角度过大，则弹簧易产生疲劳断裂问题。

铰链弹与芯轴尺寸示意图（图三）

铰链弹簧芯轴设计：铰链弹簧工作时，需要绕芯轴旋转，铰链弹簧受扭力变形，弹簧内径缩小现象；与轴心为偏心受力状态，相切点线接触；铰链弹簧与芯轴设计间隙过小时，可能在工作时被铰链弹簧咬住，导致扭簧不能正常参与变形，因此芯轴直径D1尺寸一般比弹簧内径小0.4-0.5mm，即D2-d-D1=0.4-0.5mm,并增加润滑油。

铰链弹簧的扭力设计：通过三维设计软件（如POR/E）定义各零件材料和密度，通过质量属性命令计算出上盖重心位置，重量M等参数，通过重心位置与铰链轴位置求出上盖重力矩力臂R；通过上述的线径d选择，旋绕比C、弹簧中径D2，弹簧变形角度ɑ+β，可以按照下述公式计算弹簧的扭力矩大小，如不合适，可以重新调整线径d值,中径D值，圈数N值等调整弹簧尺寸，合理设计铰链弹簧尺寸。

M=K*Φd

K=E*d4/(3667*D2*N+389*(a1+b1))

M：弹簧选型扭力矩，一般初先1.3*mgL(上盖重量*力臂)(N*mm)

    Φd：最大扭转角度，ɑ+β (度)

E：纵弹性系数（N/mm2）

d:扭簧线径（mm）

D2:扭簧线圈中心直径（mm）

N:扭簧圈数

a1、b1:扭簧受力臂长（mm）

主要材料纵弹性系数(表一)

铰链弹簧的结构形式：烹饪器具铰链弹簧的结构形式多种多样，一般的单铰链弹簧，对称双铰链弹簧和对称连体单铰链弹簧三种结构形式，单铰链弹簧设计时，需要注意上盖受力时的偏心，和因偏心产生的上盖左右间隙不均问题。对称组合式铰链弹簧和并列式铰链弹簧可以按二倍扭矩进行计算，并列式铰链弹簧装配简单，但成型工序较复杂。

               单铰链弹簧             对称组合式铰链弹簧             并列式铰链弹簧

烹饪器具铰链弹簧结构形式（图五）

上盖铰链弹簧在开盖过程在扭力矩M1，铰链弹簧上端固定在上盖上，开盖角度为φ，为变量；β为初始安装角β为设计者根据需要设计的初始角度，顺时针（顺时针正，逆时针为负）。

M1=M0-K*φ， 其中

K—弹簧的刚度系数，具体见本计算公式

φ—上盖与水平面之间的夹角，与弹簧变形角度ɑ互余

M0——铰链弹簧合盖后的最大扭力矩

烹饪器具重量为M2，重力为Mg，烹饪器具上盖合盖状态时，重心位置与轴的距离为L，上盖开盖角度为φ，为变量，则上盖开盖过程产生的力矩为,其坐标曲线为余玄曲线，力矩为逆时针，

M2=Mg*L*cosφ，

烹饪器具一般均设计阻尼器结构或安装阻尼装置，每一种阻尼器具有自已的特性，如与开盖角度φ，开盖角度V，工作温度等均有关系，有关阻尼力矩M3，力矩为逆时针。

M3（φ,V,）=(X1*φ+X2*V)

φ—上盖与煲体水平方向夹角，与弹簧变形角度ɑ互余

V—开盖时的角速度

X1，X2—分别与开盖角度，开盖角速度和阻尼器温度相关的系数总力矩

上述各力矩均为作用于同一轴芯上，顺时针为正，逆时针为负，列出各曲线具体如下图，

MX=M1+M2+M3

当Mx正值，则可以有顺时针的开盖力矩，可以正常开盖，Mx如小于0时，则上盖各力矩之和小于0，产生逆时针力矩，则不能开盖。Mx曲线图如下，设计时需要保证MX为正值，才能保证开盖效果。

烹饪器具主要扭力矩与开盖角度曲线图（图六）

铰链弹簧扭力设计公差：根据GB/T1239.3-2009，扭力弹簧的角度公差等级如下

扭力弹簧的角度公差等级（表二）

注：1级精度：一般用于调速器和仪器等需要准确调整的弹簧。

2级精度：一般用于安全阀、减压阀和止回阀弹簧，内燃机进气阀和排气阀的弹簧。

3级精度：一般用于不要求准确调整负荷的弹簧，象起重钩和缓冲弹簧、刹车或联轴器压紧弹簧等

由于弹簧材料晶体的大小不同或加工工艺不一致原因，目前弹簧制作厂家很难达到一级精度，或达到一级精度时，厂家生产过程中废品率较高，导致铰链弹簧价格较高，目前烹饪器具铰链弹簧一般按照二级精度要求进行设计。

烹饪器具使用时，发热体对内锅或米饭进行加热，铰链弹簧因此也会由室温升高，经测试，烹饪器具工作时，铰链弹簧处的温度约为50-80度范围，从室温升高到工作温度时，从不锈钢材料弹簧的材料性能，其刚度曲线下降约1%左右。

不锈钢弹簧不同温度下的刚性曲线图（图七）

烹饪器具正常生产后，可能需要到物流，仓库存放一段时间，关盖存放对铰链弹簧产生应力松旋问题，最终导致开盖不良或开盖驼背问题，样机经测量，烹饪器具放置一年，上盖铰链弹簧应力松施减小约0.5%，放置3年小于1%。放置5年约小2%，放置10年约小3%，不同材料和不同设计参数的弹簧，其应力松施比例可能有所变化。

铰链弹簧设计中，同步考虑零件间的摩擦对开盖影响，如烹饪器具内盖与支撑环间的摩擦，铰链轴与铰链弹簧内径表面的摩擦均消耗开盖铰链弹簧开盖力矩。用户使用时需要考虑煲体对上沾附力影响，如电饭煲的密封圈与内锅口部的沾附，压力煲开盖时负压对开盖的影响。需要充分考虑上述客观因素对烹饪器具弹簧的影响。

3、结语

本文对烹饪器具铰链弹簧研究与应用，涉及到铰链弹簧的选材，结构尺寸和形式，扭力计算，零件制作公差，阻尼力等设计与计算，同时需要考虑相关零件间的转动摩擦力，扭簧材料的差异性，产品使用工作温度、产品长期存放后，扭簧的应力松施对开盖影响，以减少铰链弹簧设计修改和设计出错率，为读者提供参考。

［参考文献］

［1］汪曾祥，魏先英，刘祥至   弹簧设计手册.上海科学技术文献出版社，1986

［2］白明远, 刘新灵, 张卫方   65Mn弹簧的贮存寿命预测  失效分析与预防，2007年11月

［3］李迪凡 封先河 刘聪  某型导弹尾翼弹簧贮存寿命评估  装备环境工程 2012 年04 月