家用多功能面包机结构设计与分析

家用多功能面包机结构设计与分析

袁子良1，肖清清2，张红3

（1.邵阳学院，邵阳422000  2.湖南省汽车技师学院，邵阳422001  3.长江大学，荆州434023）

摘要：随着社会的快速发展，人们越来越追求高效的生活节奏，家用面包机以其一机多用的优势在众多功能单一的小家电中脱颖而出。通过对市场上现有面包机的深入了解，本文设计了一款采用行星齿轮和同步带传动相结的家用多功能面包机，提供两种不同的输出转速使面包机能够实现粉碎杂粮、搅拌、榨汁、磨豆浆、烘烤面包等功能。该面包机实现了一机多用，节省了购买粉碎机、搅拌机及豆浆机等家电的费用，同时解决占用厨房面积较大等问题。

关键词：面包机；多功能；传动方案；有限元分析

引言

为适应快节奏的生活，人们通常采用购买和使用各种厨房小家电的方式，制作健康的美食。19世纪中叶，随着工业革命的完成，发明家约翰发明了第一台全自动轻盈面包机[1]。到目前，家用面包机市场正朝着智能化、高端化的方向发展，随着功能的多样化，面包机将成为中国家庭中炙手可热的家电[2]。之后随着大规模集成电路的不断应用和发展，陆续出现了功能多样的家用面包机。比如制作肉松、冰淇淋、果酱等，除此之外日本三洋和法国柏翠公司分别发明了使用不同原理利用大米制作面包的大米面包机，柏翠公司还开发了童锁功能，使面包机不会因为无意间的触碰而更改程序。面包机结构和功能也在与时俱进，不断发展和改进。

本文设计了一款融合榨果汁、磨豆浆、碾碎谷物等功能家用多功能面包机，在现有的面包机基础上通过设计传动系统输出不同传动比使刀片达到不同速度，面包机由此拥有多种功能。在设计传动方案后并利用有限元软件对重要部件进行仿真分析。

1家用多功能面包机基本结构与工作原理

如图1所示，该面包机的基本结构包括:烤箱体、面包桶、传动系统、控制面板、壳体等部分，各部分的基本功能不相同。

1.下壳体 2.按键 3.上壳体 4.包裹铝皮 5.面包桶 6.搅动刀片

图1 家用多功能面包机示意图

面包机采用交流单相电机驱动搅拌，齿形同步皮带传动以及行星齿轮传动以不同的转速分别慢速带动搅拌棒对面团进行充分搅拌或者快速带动一字刀快速打磨水果、黄豆等物，采用单片微电脑控制面团的搅拌过程、发酵和烘烤的温度以及榨汁、磨豆浆等过程。

本面包机在制作各种食谱配方的面包基础上还能制作发酵面团果酱、蛋糕、酸奶、米酒等食物，通过优化结构设计增加了额外的功能，可以制作豆浆、碾碎杂粮等传统中国食物用法。根据加工不同食物的要求以及对应的加工方法，制定了相应的电路控制系统和菜单程序集成在电路板中。

2传动系统设计

2.1 传动方案的设计与确定

由于加工面包和粉碎杂粮、磨豆浆所要求的工作速度是不一样的，前者转速低，后者转速高，对此需要设计出不同的输出转速来满足使用要求，而且彼此之间不产生干扰。在进行面包机设计过程中，首要的是进行传动方案设计，通过多种方案比对优化选择出最适合的方案，从而开展其他零部件的结构设计。

2.1.1 面包机的传动方案设计

根据设计要求以及面包机的功能，初步设定两种面包机传动方案。

（1）方案一

如图2所示，该方案参考自行车的变速原理采用链传动方式调速[3]。通过机械装置拨动链条变轨到飞轮上的不同链轮上，包括前链轮和后链轮上，由于链轮齿数不一样，前后轮具有不同的传动比，因而传动输出的速度有所不同。

（2）方案二

如图3所示，该方案采用行星齿轮和同步带传动相结合的传动方式。电动机的输出转速通过同步带以原速度传递到行星齿轮架所在轴上，后者带动行星架以两种不同方式传动速度，一个以行星齿轮外太阳轮（慢速）传递，另一个通过行星架的轴传递（快速）。这两种不同的速度可调整传动比以满足使用要求。

图2  链轮传动结构简图

图3  同步带与行星齿轮传动简图

2.1.2 传动方案的选择

对比以上两种传动方案，方案一传动结构简单，但有噪音，且链条传动在水平状态下易发生脱链，无法保证长久方便使用，同时传动精度不是很高；方案二的传动结构相比方案一要复杂，成本较高，但是满足设计要求，传动精度高，且使用安全，不容易发生故障，使用寿命高。从经济成本、使用寿命、操作简便性等方面综合考虑，选择方案二作为面包机结构设计的传动方案。

2.2传动结构设计

传动部分的结构是本面包机设计中最重要的一部分，创新性地融合了同步带传动和行星齿轮两种传动方式，能够从两个地方输出两种不同的转速。当电源接通，电机开始工作，通过带传动等速传递到支架所在轴上，同时又可以通过轴上相关的行星齿轮减速经拨叉将运动传至搅拌棒，实现搅面功能。轴上的特定拔叉未经减速可以快速带动一字刀转动。轴上的拔叉和行星齿轮端盖上的拔叉互不干扰，各自的结构设计有所不同。慢速转动加工时取下轴上的拔叉，快速转动加工时安装上拔叉。

（1）同步带传动设计

电动机的输出转速1500r/min，将以同速传递到行星齿轮轴上，该过程的传动比为1:1。同步带传动效率为0.98，线速度为50m/s，传动平稳，能吸振，噪音小，满足面包机中的传动要求。

通过机械设计手册[4-5]选择梯形3M（6mm）的同步带传动，取Z1=Z2=20， 两个带轮上均设计挡圈，为单侧挡圈，不同侧安装在轴上。单轮加挡圈时内侧调整量i1=3mm，外侧调整量为s=0.76mm，通过计算得到同步带主要参数如下表1所示：

表1   同步带以及链轮主要参数

（2）行星齿轮的传动及尺寸计算

该行星齿轮应用于小型家用电器中，速度不是很高，传递扭矩也不大，采用工程塑料即满足强度要求。齿轮轴的输入转速即为电机传输1500r/min，搅拌面团转速（慢速）设置为180r/min，因此该行星齿轮的总传动比为i=1500/180=8.33。即有z3/z1=7.33。取小的太阳齿轮齿数z1=20，则有大的太阳轮齿数z3=146，中间行星轮齿数Z2=(Z3-Z1)/2=63。

3 重要零部件有限元分析

面包机的结构传动中主要涉及到了轴、拔叉、行星架等零部件，这些部件在整个结构设计中安全风险较高，因此在面包机的三维模型建立之后，对这些部件进行有限元分析，判断是否满足设计要求和安全使用要求。本设计中有限元分析主要是利用Workbench[6]对传动轴、搅拌系统为基础的包括应力、变形的分析。

3.1 传动轴有限元分析

面包桶中的额定容量为600g，桶内的搅拌刀片所需搅动的面团质量一般也不会超过1000g。搅拌的转速最低时（180r/min）搅拌刀片所承载的力最大，因而对于面包机轴的压力也最大。本面包机轴选用的材料为45号钢，此外轴的下端也受到拨片的力的影响。

（1）轴的各部分受力分析计算

面包机电动机的输出功率P=100W，同步带传输效率η1=0.9，行星齿轮传递效率η2=0.9，拔插与拨片传递效率η3=0.9，轴输出转速n=180r/min=3rad/s。传递到面包机桶传递轴的功率P1=P×η1×η2×η3=72.9W；利用公式P=F×V，可知当线速度最小时搅动叶片对轴的力最大，此时轴属于最危险的情况；其中V=ω×r,当r最小时为7mm时V最小；ω=6π；由 Vmin=ω×rmin；可以计算出搅动刀片轴的最大力Fmax=P1/Vmin=552.495N；轴的上部所受的压力P1=Fmax/S1=0.92×106Pa；对于轴的下部所受到的力其实比上部要大许多，但是其输入功率相同仍为P1=72.9W，但是下部的力主要是拨片施加在传动轴上的，距离r1=16mm;根据公式计算：F2=P1/V2=241.717N；轴的下部拨片和轴各边接触面积S2=b*h=8×10-6m2；所以轴的下部所受的压力P2=F2/S=30.2×106Pa。

将模型带入Ansys-Workbench中进行模拟仿真，进行网格划分后带入以上数值进行计算，得出传动轴的各处所受到的应力、变形如图4、5所示。

图4 传动轴最大等效应力

图5 传动轴最大变形

综合分析可知该传动轴所受到的最大应力为1.0545MPa，最大位移变化量为0.000009411mm，即该轴所用的材料45号钢满足使用安全要求。

3.2 搅拌传动装置有限元分析

面包桶搅动传动装置（拔叉）固定在行星齿轮的端盖上面，一般情况下该装置的两个面同时与拨片接触通过传递扭矩带动面包桶所在的轴转动。该材料采用铸造铝合金材料铸造成型。

受力面的应力分析计算：根据面包桶传动轴中的受力分析计算可知，根据牛顿第三定律，力的作用的相互的，拨片对拔叉的力F3=F2=241.717N，接触面所受到的压力P3=F3/S3=15.11×106Pa。

同样利用Ansys-Workbench进行分析，最终的应力结果如图6所示。

图6 传动装置最大变形

通过对面包机搅动片传动装置的有限元分析，其最危险为与传动轴的接触摩擦，受到的最大应力为20.771MPa，远小于铸铝材料的疲劳强度极限185MPa，即该装置设计和材料的选取安全可靠。

4 结论

该家用面包机的整体设计与重要部件的仿真达到了使用要求，结合实际生活，该面包机拥有一定的推广价值，主要体现在以下四个方面：

1）可以提供两种不同的输出转速，真正实现面包机的多重功能，在面包机的基础上融合粉碎杂粮、搅拌食物、榨果汁、磨豆浆等多种家用电器功能于一体。

2）节省成本，一机多用，节省了购买粉碎机、搅拌机及豆浆机等多个电器的成本。

3）节约空间，减少了家庭厨房电器的数量，节约了家庭摆放空间。

4）操作简便，使用安全，不容易发生故障，使用寿命高。

参考文献

[1]朱联璧.19世纪中后期英国面包生产的工业化尝试[J].史学集刊,2023(03):70-78.

[2]刘思思. 家用面包机产品识别性设计研究与应用[D].齐鲁工业大学,2021.

[3]杨万里,何玉辉,郑孙梁等.带运动合成功能的双人调速自行车[J].科技与创新,2023(11):105-107+110.

[4]闰邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社,2010.

[5]昊宗泽等.简明机械零件设计手册[M].北京：中国电力出版社,2011.

[6]李瑞,武逸凡,李守太等.基于ANSYS Workbench和ADAMS的振动式花椒采摘机仿真分析及参数优化[J].西南大学学报(自然科学版),2021,43(12):57-66.