高压锅不松动手把的研究与设计

粟本强1，张平1，兰洪强2

( 1． 西南石油大学机电工程学院，四川成都610500; 2． 西南石油大学教育部重点实验室，四川成都610500)

摘要: 目前高压锅手把与连接块之间没有导向定位结构，仅靠旋紧螺钉产生的力来得到固定，且在倾斜锅体时仅靠摩擦力传递扭矩，这种结构容易产生松动。在对传统高压锅手把的工作原理及缺点进行大量分析研究后，研制了一种新型高压锅不松动手把，通过啮合力代替摩擦力，以增大扭矩，并对其进行综合性能实验，实验结果表明，该新型手把是一种不易松动、寿命长、适用性强的高压锅手把。

关键词: 手把; 高压锅; 扭矩; 摩擦力

中图分类号: TH16 文献标识码: A 文章编号: 1007 － 4414( 2012) 03 － 0115 － 03Research and development on a kind of no sliding pressure cooker hand shankSu Ben － qiang1，Zhang Ping1，Lan Hong － qiang2( 1． Mechanical and electrical engineering institute ，Southwest petroleum university，Chengdu Sichuan 610500，China;2． Ministry of education key laboratory of oil and natural gas equipment，Southwest petroleumuniversity，Chengdu Sichuan 610500，China)Abstract: For the pressure cooker，there is no guidance and fixing structure between the handlebar and the interlink． And it isfixed only depend on the forces by tightening the screws． When the pot is tilted，the torque is transmited just by friction． It iseasy to get loosened． Therefore a new kind of handles of pressure cooker is designed after a large number of analysis and researchon handles of the traditional pressure cooker． It can augment torque by meshing force instead of friction． After the comprehensiveperformance test，the new pressure cooker handle is proved to be stable，applicable and longevous．Key words: hand shank; pressure cooker; torque; friction

1 引言

高压锅是现代家庭的必备炊具之一。由于高压锅具有独特的高温高压功能，从而大大缩短了时间，同时节约了能源［1］。用户在使用高压锅的过程中，通过上手把和下手把的配合使用实现锅体的旋转开合。在绝大多数家用高压锅中，锅体与下手把之间均通过如图1 所示的连接块连接。

①连接块的凸台平面( 如图1) 与手把内凹面产生的摩擦力; ②手把与锅体表面产生的摩擦力，由静定原理可知，这两种力只能存在一种。高压锅使用一段时间后，手把出现松动，如图2 所示，锅体与手把之间出现间隙，两者之间的摩擦力也就急剧减小，传递倾倒锅内物体所需反扭矩的能力也减小［2 － 3］。

2 传统高压锅手把失效原理分析

在高压锅使用过程中，螺钉提供的预紧力对预防高压锅手把松动起着至关重要的作用，因而首先分析螺钉在常温和高温下工作的区别。常温下，由于存在预紧力，螺钉的紧边始终紧贴连接块内螺纹向外的边，而松边与连接块内螺纹向里的边有间隙; 高温下，由于螺钉、连接块、手把的材质不同，其热膨胀系数也不相同。如果螺钉的热膨胀系数大于连接块的热膨胀系数，螺钉的紧边与连接块内螺纹向外的边会贴的更紧，同时螺钉的松边与连接块内螺纹向里的边之间的间隙更小，甚至接触，这种情况下，螺钉在高温下会拧得更紧; 如果螺钉的热膨胀系数小于连接块的热膨胀系数，螺钉的紧边与连接块内螺纹向外的边之间的压力会变小，但松边与连接块内螺纹向里的边之间的接触压力会增大，这种情况会使螺钉在高温下变松。在由高温到低温的过程中，无论是螺钉、连接块，还是手把都不可能回到原始的状态，因而，第一种情况下，螺钉的预紧力会小于高温下的预紧力，第二种情况下，螺钉的预紧力会小于原始常温下的预紧力。无论是哪种情况，螺钉在使用过程中都会变松。

在使用过程中，螺钉正压力的大小直接影响锅体自身重量及锅体倾斜( 将要倒出锅内物体) 时传递的扭矩，甚至会致使螺钉外螺纹与连接块上的内螺纹之间产生松动。如果此时正压力产生的摩擦力矩大于倒出锅内物体所需的扭矩，则手把处于不松动状态;如果正压力产生的摩擦力矩小于倒出锅内物体所需的扭矩，则手把会松动。手把松动后，若没有用工具及时将螺钉拧紧，就会导致螺纹间长期松动而使螺纹失效。下手把甚至会沿螺纹中心旋转，给使用者带来很大不便。高压锅手把结构的缺陷而导致手把松动，使得高压锅除了存在内压高的安全隐患外，还存在下手把脱离连接块、锅体倾翻烫伤用户的安全隐患。综上所述，传统高压锅手把结构存在以下不足。

( 1) 下手把与连接块之间仅靠旋紧螺钉产生的力来得到固定。其连接块上内螺纹与螺钉外螺纹由于温度变化，材料热膨胀系数不同而产生间隙，从而引起松动。

( 2) 下手把与连接块之间没有导向定位结构。

( 3) 下手把凹槽与连接块凸台之间的配合有间隙，在倾斜锅体倾倒物体时，仅靠锅体与手把之间产生的摩擦力来传递扭矩是不够的，手把的旋转又使得螺钉快速松动，这是手把松动的主要原因。

3 手把结构的改进设计

为了克服传统高压锅手把以上不足，同时满足不同条件下( 民用、医用、军用) 使用的高压锅，现在通过改变力的作用原理，在传统高压锅手把结构的基础上进行改进设计，以啮合力来替代摩擦力，从而达到增大传递扭矩的目的。在此设计的基础上，为了适应实际生活中存在的各种大小的高压锅，做出了小、中、大三种型号的新型高压锅连接块的设计。

3． 1 小型高压锅手把结构

为了适应小型高压锅手把宽度小的特点，在尽可能小的宽度尺寸中传递尽可能大的反扭矩，做出了如图3 的适用于小型高压锅的新型手把设计［4］。在原有设计思想不变的基础上，以传统连接块为基础，将其凸台向两侧纵向延长，使得连接块自身呈现出“十”字形结构，在凸台伸出部分的四个侧面上对称地设计了一定锥度( 15° ～ 20°) 的斜面。此连接块尺寸较小，可用于普通家庭较小尺寸的高压锅。其结构如图3( a) 所示，成品模型如图3( b) 所示。由图3( a) 可看出，凸台两端伸出部分有锥度，若手把内部也设计为与之对应的带锥度的凹槽，则它就可以很容易地与连接块对准。一旦用于安装则会自动卡紧，使得其力的性质不再是摩擦力，而是啮合力( 类似于齿轮) ，从而增大力矩，达到防松的目的。

3． 2 中型高压锅手把结构__

在原有设计思想的基础上，以传统连接块为基础，将带有锥度( 15° ～ 20°) 的斜面直接做在传统连接块的两端，手把对应两端做成带相同锥度的凹槽。其结构如图4( a) 所示，成品模型如图4( b) 所示。由图4( a) 可以看出，新型手把结构不改变传统高压锅手把的外观形状与尺寸，只需设计与新型连接块相适应的手把内部结构，从而在不改变高压锅手把原有外观的条件下，使用该连接块与手把的配合就可以达到高压锅体与手把不松动的目的。该结构在与手把连接时主要的力为它与手把的啮合力，同时也有螺钉的预紧力。该结构具有简单、实用、易加工、安装方便等特点，适用于普通家庭较大尺寸的高压锅。

3． 3 大型高压锅手把结构

在传统连接块的凸台上添加一对对称的凹槽，凹槽以一定的锥度延伸到连接块的上表面。其结构如图5( a) 所示，成品模型如图5( b) 所示。图5 大型高压锅新型手把结构图和成品模型图由图5( a) 可以看出凹槽有锥度，若手把的内部也设计为与之对应的带锥度的凸叉，则它就可以很容易地与连接块对准，用于安装之后会自动卡紧，使得其力的性质不再是摩擦力，而是啮合力，从而使力矩增大，达到防松的目的。此连接块尺寸稍大，适用于医用消毒、部队做饭用的大尺寸高压锅。

4 两种结构的力学分析

通过上面的结构设计可以看出，这三种结构采用的原理相同，均在原连接块的基础上增加了斜面，改变了手把所传递力矩的性质，不是原来的摩擦力矩，而是手把和连接块斜面的啮合力与螺钉中心的距离产生的力矩来传递锅体倾倒时需要的扭矩。为便于分析，现在选第二种手把结构和传统手把结构作对比，分析如下。

4． 1 传统手把结构性能分析

由图1 和图2 可知，图2 情况产生的摩擦力矩大于图1 产生的摩擦力矩，因而选择图2 进行下一步分析即可。在不倾倒物体的情况下，其手把受力如图6和图7( 假设手把指向锅体中心方向为轴向，垂直于该方向为径向，下同) 。在倾倒物体时，整个手把所传递的扭矩为:

T = Σf·FN·ri

根据三点稳定原理，取其中提供扭矩最大的三点为参照，可得:

Tmax≈3f·F0 槡a2 + b2 ( 1)

查阅资料得到手把与锅体之间摩擦系数f = 0． 03～ 0． 30。通过实验分析知，随着高压锅使用时间t 的延长，手把与锅体之间出现松动，正压力FN逐渐减小，其传递的扭矩T 变化如图8 所示。

4． 2 新型手把结构性能分析

该结构通过手把与连接块的啮合力传递倾倒物体所需要的扭矩。在不倾倒物体的情况下，其手把受力如图9 和图10 所示。在倾倒物体时，整个手把所传递的扭矩:

T = 2Fy × r

Fy = F0 /( 4·tanα)

0．  68F0 ＜ Fy ＜ 0． 93F0

由式( 1) 、( 2) 的对比可以看出，在最初阶段，新型手把结构所能传递的扭矩约为传统手把的1 ～ 1． 5倍。由于新型高压锅手把传递的扭矩T 与摩擦系数无关，随着高压锅使用时间t 的延长，即使手把与锅体之间出现松动，预紧力F0减小，其传递的扭矩T 也不会受太大影响，其变化关系如图11 所示。

5 结论

从以上的分析和图12 对比可看出，传统高压锅手把在使用过程中，仅靠摩擦力传递扭矩是不够的，随着使用时间的延长，其所能传递的扭矩急剧减小，甚至一段时间后，只能靠更换手把，才能继续使用。新型高压锅手把结构完全改变了以摩擦力传递扭矩的方式，通过啮合力传递扭矩，其传递的扭矩较摩擦力有所增大，尤其是在使用一段时间过后，新型高压锅手把传递扭矩的能力远超过传统手把。随着使用时间的延长，手把传递扭矩的能力下降幅度不大，使用寿命也较传统手把大大增加。该新型手把是一种不易松动、传递扭矩大、寿命长、适用性强的高压