CN107485299B - 一种锅具开合盖用弹簧的设计方法及锅具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锅具开合盖用弹簧的设计方法及锅具。锅具包括锅体和与锅体铰接的锅盖，弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，在锅盖进行开盖动作时，第一弹簧向锅盖提供使得锅盖向开盖方向运动的偏置力，第二弹簧向锅盖提供使得锅盖向合盖方向运动的偏置力，设计方法包括：将锅盖在开盖状态下的最大打开角度定义为θ，第一弹簧产生的扭矩为T₁，第二弹簧产生的扭矩为T₂，锅盖的自身重力产生的力矩为T_G，在锅盖的打开角度β在(0°，θ)的整个范围内，第一弹簧和第二弹簧始终满足第一条件：T₁+T₂‑T_G>0，使得锅具在开盖过程中的任意位置均能够保证受到的动力大于阻尼力，通过这种设计方法保证锅盖能够顺利开启到位。

Description

一种锅具开合盖用弹簧的设计方法及锅具

技术领域

本发明涉及烹饪设备领域，具体涉及一种锅具开合盖用弹簧的设计方法及锅具。

背景技术

为保证电饭煲、电压力锅等锅具开合盖的顺畅性和平缓性，一般需要在锅具的锅体与锅盖之间设置正向弹簧和橡胶阻尼块，在开盖时，锅盖在正向弹簧的弹力以及橡胶阻尼块的阻尼力的综合作用下缓缓打开。由于橡胶阻尼块受热容易产生热胀冷缩且表面易发生损坏，会对开关盖过程造成影响，进而导致用户体验差，针对这一问题，现有技术中提出采用反向扭簧来替代橡胶阻尼块的方案，但是正向弹簧和反向扭簧的力度控制不好容易出现弹力过剩或者弹力不足的问题，导致开盖时锅盖后仰、锅具跳动或者锅盖无法完全开启。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种能够保证锅具能够顺利实现开盖动作的锅具开合盖用弹簧的设计方法及锅具。

为达到上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种锅具开合盖用弹簧的设计方法，所述锅具还包括锅体和与所述锅体铰接的锅盖，所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，在所述锅盖进行开盖动作时，所述第一弹簧向所述锅盖提供使得锅盖向开盖方向运动的偏置力，所述第二弹簧向所述锅盖提供使得锅盖向合盖方向运动的偏置力，其特征在于，所述设计方法包括：将锅盖在开盖状态下的最大打开角度定义为θ，所述第一弹簧产生的扭矩为T₁，所述第二弹簧产生的扭矩为T₂，所述锅盖的自身重力产生的力矩为T_G，

在锅盖的打开角度β在(0°，θ)的整个范围内，所述第一弹簧和所述第二弹簧始终满足第一条件：T₁+T₂-T_G>0，

所述第一弹簧为扭簧，所述第一弹簧产生的扭矩T₁由如下公式获得：

T₁＝T₁’(α-α’-β)，

其中，T₁’为第一弹簧的刚度；

α为锅盖处于锁合状态时第一弹簧的臂角；

α’为第一弹簧在不受力状态下的臂角；

和/或，

所述第二弹簧为扭簧，所述第二弹簧产生的扭矩T₂由如下公式获得：

T₂＝T₂’(γ-β)，

其中，T₂’为第二弹簧的刚度；

γ为锅盖处于锁合状态时第二弹簧的臂角；

和/或，

所述锅盖的自身重力所产生的力矩T_G由如下公式获得：

T_G＝m’glcosβ，

其中，m’为锅盖的质量；

g为重力加速度；

l为锅盖的重心到锅盖的转轴之间的距离；

其中，根据第一弹簧、第二弹簧产生的扭矩的求解公式、锅盖的自身重力产生的扭矩的求解公式以及条件T₁+T₂-T_G>0得到第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值。

优选地，将所述第一弹簧、第二弹簧产生的扭矩的求解公式以及所述锅盖的自身重力产生的扭矩的求解公式代入公式T₁+T₂-T_G>0中，得到

另函数

函数y₂＝cosβ

根据如下方程得到第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值：

其中，Sy₁为β在[0，θ]范围内y₁函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积，Sy₂为β在[0，θ]范围内y₂函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积。

优选地，在锅盖的打开角度为θ时，将所述锅盖、所述第一弹簧和所述第二弹簧等效为杠杆结构，所述第一弹簧和所述第二弹簧还满足第二条件：所述第一弹簧与所述第二弹簧对所述锅盖的施力力矩小于或等于锅盖的自身重力所产生的力矩。

优选地，所述第一弹簧与所述第二弹簧对所述锅盖的施力力矩由公式F×X1获得，其中，F为第一弹簧与第二弹簧的合力，X1为合力F的施力力臂；

和/或，

所述锅盖的自身重力所产生的力矩由公式G'×X2获得，其中，G’为锅盖的重力，X2为重力G’在锅盖重心处的施力力臂。

优选地，合力F由如下公式获得：

其中，l’为合力F在所述锅盖上的施力点到锅盖的转轴之间的距离。

优选地，合力F在所述锅盖上的施力点等效为所述锅盖的重心点。

优选地，将所述杠杆结构的支点等效为所述锅盖的转轴。

优选地，根据第二条件获得所述第一弹簧的刚度T₁’和所述第二弹簧的刚度T₂’的范围，并根据所述范围以及所述第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值确定所述第一弹簧的刚度T₁’和所述第二弹簧的刚度T₂’的最终值。

优选地，根据确定的第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’以及扭簧刚度的计算公式设计第一弹簧和第二弹簧的弹性模量、弹簧线径、有效圈数和中径，扭簧刚度的计算公式为：

其中，E为弹性模量；

d为弹簧线径；

n为有效圈数；

D为弹簧中径。

优选地，角度θ的范围为85°至95°。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种锅具，包括锅体、与所述锅体铰接的锅盖、第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧和所述第二弹簧采用如上所述的设计方法进行设计。

本发明提供的锅具开合盖用弹簧的设计方法中，通过限定第一弹簧和第二弹簧在锅盖的打开角度由0°到开盖状态时的打开角度θ的范围内均满足T₁+T₂-T_G>0，使得锅具在开盖过程中的任意位置均能够保证受到的动力大于阻尼力，通过这种设计方法保证锅盖能够顺利开启到位。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明具体实施方式提供的锅具除去锅盖的面盖后的结构示意图；

图2示出本发明具体实施方式提供的锅盖与锅体配合简图；

图3示出本发明具体实施方式提供的第一弹簧处于不受力状态以及受力状态的臂部位置示意图。

图中，1、锅体；2、锅盖；3、第一弹簧；4、第二弹簧；5、铰轴。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提供了一种锅具开合盖用弹簧的设计方法，如图1所示，锅具包括锅体1和锅盖2，锅盖2通过铰轴5铰接于锅体1上，使得锅盖2能够相对铰轴5转动，以实现锅具的开合盖动作。进一步地，还包括第一弹簧3和第二弹簧4，在锅盖2进行开盖和合盖动作时，第一弹簧3和第二弹簧4分别向锅盖2提供不同方向的偏置力，具体地，第一弹簧3即正向弹簧用于对锅盖2的开盖动作提供向开盖方向运动的偏置力，自然地，当锅盖2进行合盖动作时，第一弹簧3会对锅盖2提供向合盖方向运动的阻尼力，第二弹簧4即反向弹簧用于对锅盖2的合盖动作提供向合盖方向运动的偏置力，自然地，当锅盖2进行开盖动作时，第二弹簧4会对锅盖2提供向开盖方向运动的阻尼力。

将锅盖2在开盖状态下的最大打开角度定义为θ，在最优的情况下，θ为90°，考虑到设计误差等因素，以及为了在设计过程中留有设计余量，优选地，角度θ的范围为85°至95°。锅盖2的打开角度即锅具处于正常使用状态时，锅盖2所在面相对水平面翻转的角度，例如如图2中所示的β，第一弹簧3产生的扭矩为T₁，所述第二弹簧4产生的扭矩为T₂，所述锅盖2的自身重力产生的力矩为T_G。若要保证锅盖2能够顺利打开并运动至正确的开盖位置，需要保证在锅盖2由合盖位置运动至开盖位置的过程中，锅盖2受到的偏执力始终大于阻力，因此，在本申请的设计方法中，锅盖2的打开角度β在(0°，θ)的整个范围内，第一弹簧3和第二弹簧4始终满足第一条件：T₁+T₂-T_G>0。

进一步优选地，将第一弹簧3和第二弹簧4设置为扭簧。

第一弹簧3产生的扭矩T₁由如下公式获得：

T₁＝T₁’(α-α’-β)，

其中，T₁’为第一弹簧3的刚度；

α为锅盖2处于锁合状态时第一弹簧3的臂角；

α’为第一弹簧3在不受力状态下的臂角。

臂角指的是扭簧的两个臂部之间在打开方向上形成的角度，例如图3所示，实线部分为第一弹簧3在不受力状态下的臂部位置，虚线部分为第一弹簧3在锅盖2处于锁合状态(即锅盖2合盖并与锅体1锁合在一起)时的臂部位置。下述的第二弹簧4在不同状态下的臂角的定义与第一弹簧3相类似，不再赘述。

第二弹簧4产生的扭矩T₂由如下公式获得：

T₂＝T₂’(γ-β)，

其中，T₂’为第二弹簧4的刚度；

γ为锅盖2处于锁合状态时第二弹簧4的臂角。

其中，由于γ<β，因此第二弹簧4产生的扭矩T₂为负值。

锅盖2的自身重力所产生的力矩T_G由如下公式获得：

T_G＝m’glcosβ，

其中，m’为锅盖2的质量；

g为重力加速度；

l为锅盖2的重心到锅盖2的转轴之间的距离。

根据上述的第一弹簧3、第二弹簧4产生的扭矩的求解公式、锅盖2的自身重力产生的扭矩的求解公式以及条件T₁+T₂-T_G>0即可得到第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最优值。

具体地，将第一弹簧3、第二弹簧4产生的扭矩的求解公式以及锅盖2的自身重力产生的扭矩的求解公式代入公式T₁+T₂-T_G>0中，得到

T₁’(α-α’-β)+T₂’(γ-β)-T_G＝m’glcosβ>0

由于m'gl恒大于零，因此，上述公式可化为：

化简得到

另函数

函数y₂＝cosβ

则可将y₁看作为经过第一、二、四象限的一次单调递减函数，将y₂看做为余弦函数，根据如下方程即可得到第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最优值：

其中，Sy₁为β在[0，θ]范围内y₁函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积，Sy₂为β在[0，θ]范围内y₂函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积。

得到第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最优值后，可根据实际需要对第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最优值进行微调，从而得到第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最终值。

进一步优选地，为保证锅具在开盖后不会发生后仰、造成锅具跳动等问题，对锅盖2在开盖状态下的受力进行限定。具体地，在锅盖2的打开角度为θ时，即锅盖2处于开盖状态时，将锅盖2、第一弹簧3和第二弹簧4等效为杠杆结构，第一弹簧3和第二弹簧4还满足第二条件：第一弹簧3与第二弹簧4对锅盖2的施力力矩小于等于锅盖2的自身重力所产生的力矩。

具体地，第一弹簧3与第二弹簧4对锅盖2的施力力矩由公式F×X1获得，其中，F为第一弹簧3与第二弹簧4的合力，X1为合力F的施力力臂。其中，第一弹簧3对锅盖2的施力点为第一弹簧3的臂部与锅盖2接触的部分，第二弹簧4对锅盖2的施力点为第二弹簧4的臂部与锅盖2接触的部分，为了简化计算，将合力F的施力点等效在锅盖的重心点位置处。合力F由如下公式获得：

其中，l’为合力F在所述锅盖上的施力点到锅盖的转轴之间的距离。

锅盖2的自身重力所产生的力矩由公式G'×X2获得，其中，G’为锅盖2的重力，X2为重力G’在锅盖2重心处的施力力臂。

进一步地，为了简化计算，将杠杆结构的支点等效为锅盖2的转轴，即铰轴5。

根据上述的条件二可以确定第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的范围，如此，可以根据确定的范围以及前面通过第一条件得到的第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最优值来确定第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’的最终值，即在确定的范围内，在最优值的基础上对两弹簧的刚度进行调整，从而得到确定的最终值。

进一步地，扭簧刚度的计算公式为：

其中，E为弹性模量；

d为弹簧线径；

n为有效圈数；

D为弹簧中径。

如此，根据确定好的根据确定的第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’以及扭簧刚度的计算公式即可对第一弹簧3和第二弹簧4的弹性模量、弹簧线径、有效圈数和中径进行设计，可综合安装空间等方面的因素合理地设计弹簧的弹性模量、弹簧线径、有效圈数以及中径，当然，这些参数也可以进行微调，保证第一弹簧3的刚度T₁’和第二弹簧4的刚度T₂’在条件二得到的范围内即可。

当然，可以理解的是，上述内容介绍的仅是第一弹簧3和第二弹簧4的数量均为一个时的情况，当第一弹簧3以及第二弹簧4的数量为多个时，同样适用，在进行相关计算时在相应参数的基础上乘上相应的个数系数即可。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锅具开合盖用弹簧的设计方法，所述锅具包括锅体和与所述锅体铰接的锅盖，所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，在所述锅盖进行开盖动作时，所述第一弹簧向所述锅盖提供使得锅盖向开盖方向运动的偏置力，所述第二弹簧向所述锅盖提供使得锅盖向合盖方向运动的偏置力，其特征在于，所述设计方法包括：将锅盖在开盖状态下的最大打开角度定义为θ，所述第一弹簧产生的扭矩为T₁，所述第二弹簧产生的扭矩为T₂，所述锅盖的自身重力产生的力矩为T_G，

在锅盖的打开角度β在(0°，θ)的整个范围内，所述第一弹簧和所述第二弹簧始终满足第一条件：T₁+T₂-T_G>0，

所述第一弹簧为扭簧，所述第一弹簧产生的扭矩T₁由如下公式获得：

T₁＝T₁’(α-α’-β)，

其中，T₁’为第一弹簧的刚度；

α为锅盖处于锁合状态时第一弹簧的臂角；

α’为第一弹簧在不受力状态下的臂角；

和/或，

所述第二弹簧为扭簧，所述第二弹簧产生的扭矩T₂由如下公式获得：

T₂＝T₂’(γ-β)，

其中，T₂’为第二弹簧的刚度；

γ为锅盖处于锁合状态时第二弹簧的臂角；

和/或，

所述锅盖的自身重力所产生的力矩T_G由如下公式获得：

T_G＝m’glcosβ，

其中，m’为锅盖的质量；

g为重力加速度；

l为锅盖的重心到锅盖的转轴之间的距离；

其中，根据第一弹簧、第二弹簧产生的扭矩的求解公式、锅盖的自身重力产生的扭矩的求解公式以及条件T₁+T₂-T_G>0得到第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值，将所述第一弹簧、第二弹簧产生的扭矩的求解公式以及所述锅盖的自身重力产生的扭矩的求解公式代入公式T₁+T₂-T_G>0中，得到

另函数

函数y₂＝cosβ

根据如下方程得到第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值：

其中，Sy₁为β在[0，θ]范围内y₁函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积，Sy₂为β在[0，θ]范围内y₂函数曲线与x轴和y轴围成的图形的面积。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在锅盖的打开角度为θ时，将所述锅盖、所述第一弹簧和所述第二弹簧等效为杠杆结构，所述第一弹簧和所述第二弹簧还满足第二条件：所述第一弹簧与所述第二弹簧对所述锅盖的施力力矩小于或等于锅盖的自身重力所产生的力矩。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述第一弹簧与所述第二弹簧对所述锅盖的施力力矩由公式F×X1获得，其中，F为第一弹簧与第二弹簧的合力，X1为合力F的施力力臂；

和/或，

所述锅盖的自身重力所产生的力矩由公式G'×X2获得，其中，G’为锅盖的重力，X2为重力G’在锅盖重心处的施力力臂。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，合力F由如下公式获得：

其中，l’为合力F在所述锅盖上的施力点到锅盖的转轴之间的距离。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，合力F在所述锅盖上的施力点等效为所述锅盖的重心点。

6.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，将所述杠杆结构的支点等效为所述锅盖的转轴。

7.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，根据第二条件获得所述第一弹簧的刚度T₁’和所述第二弹簧的刚度T₂’的范围，并根据所述范围以及所述第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’的最优值确定所述第一弹簧的刚度T₁’和所述第二弹簧的刚度T₂’的最终值。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，根据确定的第一弹簧的刚度T₁’和第二弹簧的刚度T₂’以及扭簧刚度的计算公式设计第一弹簧和第二弹簧的弹性模量、弹簧线径、有效圈数和中径，扭簧刚度的计算公式为：

其中，E为弹性模量；

d为弹簧线径；

n为有效圈数；

D为弹簧中径。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，角度θ的范围为85°至95°。

10.一种锅具，包括锅体、与所述锅体铰接的锅盖、第一弹簧和第二弹簧，其特征在于，所述第一弹簧和所述第二弹簧采用如权利要求1-9之一所述的设计方法进行设计。