剖析滑撐的 “滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)”軌跡

邵百成 劉學(xué)林

單、雙支點(diǎn)滑撐大量用于建筑外窗。產(chǎn)品技術(shù)的精髓與關(guān)鍵——三角頭機(jī)構(gòu)，很多初識者對此認(rèn)識不全面，個別測繪的圖紙的零件尺寸明顯違背搖桿機(jī)構(gòu)存在的條件；忽略了滑撐在開啟初期某一小角度范圍內(nèi)存在自鎖現(xiàn)象。

本文以產(chǎn)品實(shí)例對滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)的軌跡再現(xiàn)及約束條件進(jìn)行分析，對三角頭機(jī)構(gòu)、輔助搖桿的作用及自鎖的現(xiàn)象進(jìn)行分析，拋磚引玉，與同行業(yè)者深研、優(yōu)化、改進(jìn)、創(chuàng)新。

一 、滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)軌跡再現(xiàn)

1．滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)存在的幾何條件

滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)是由六個桿件鉸接和一個滑動鏈連接所構(gòu)成，是屬于六個轉(zhuǎn)動副一個滑動副組成的封閉運(yùn)動鏈。長搖桿支點(diǎn)是固定的，短搖桿和輔助搖桿為滑動支點(diǎn)。

該機(jī)構(gòu)主動桿是懸桿c（圖1），懸桿c上的O3、O4兩個支點(diǎn)分別與長搖桿b上的O3點(diǎn)和短搖桿d上的O4點(diǎn)鉸接，構(gòu)成一個懸桿。平開窗的活動窗扇與懸桿固定在一起。短搖桿d的另一端與滑塊e上的O5鉸接，輔助搖桿的一端鉸接在滑塊e的O6點(diǎn)，輔助搖桿的另一端與長搖桿的O2點(diǎn)鉸接?；瑝Ke滑動連接在固定機(jī)架a的導(dǎo)槽內(nèi)。長搖桿的末端鉸接在機(jī)架a的O1點(diǎn)，這就是以懸桿為主動桿的滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)。圖2是圖1重合時(shí)的剖面圖。

圖1

圖2

假如在圖3中不安裝三角頭機(jī)構(gòu)時(shí)，懸桿c最右端在一外力P作用下 （圖3）繞O4點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。按幾何學(xué)觀點(diǎn)，各桿件尺寸必須滿足下述條件，當(dāng)滑塊e上的O5、O6點(diǎn)距離遠(yuǎn)小于短搖桿d時(shí)：

（1）b2、c、d、e、f五邊形中其桿長的向量值為：

（2）bcdea四邊形和其內(nèi)的三角形b1fa中，桿長的向量值為：

（3）圖2各桿件成一直線，重合在機(jī)架a上時(shí)，桿件長應(yīng)滿足：

（4）設(shè)O1與O2間距為a軇，是變化的，其變化值為導(dǎo)桿行程Δ：

圖3

2.窗扇 （懸桿c）開啟過程中各桿在三個位置軌跡的再現(xiàn)

窗扇開啟的初始階段的變化狀態(tài)在圖3之前的狀態(tài)和在圖3、4、5的各α角度下各桿件位置，圖3之前狀態(tài)是桿c右端在外力P作用下開始回轉(zhuǎn)一微小角度。這時(shí)c桿的O3點(diǎn)帶動長搖桿b以O(shè)1為圓心O1O3為半徑順時(shí)針轉(zhuǎn)一個微小角度α；此時(shí)b桿上的O2點(diǎn)帶動f桿反時(shí)針轉(zhuǎn)一個微小角度形成一個O1O2O6三角形。使得：a軇=f軆+b軋1故滑塊e向動右移動Δ距離，同一時(shí)間，O4點(diǎn)也右移同等量的Δ，d桿以O(shè)5為圓心順時(shí)針微微轉(zhuǎn)一小角β（這是圖3之前微動的狀況）。在力P繼續(xù)作用下如圖3，c桿小幅度轉(zhuǎn)動，c桿以O(shè)4為圓心以O(shè)3O4為半徑反時(shí)針旋轉(zhuǎn)畫一弧A，此時(shí)b桿被c桿帶動，以O(shè)1為圓心O1O3為半徑順時(shí)針旋轉(zhuǎn)畫一弧B，二弧交點(diǎn)O3即為二桿鉸接點(diǎn)的軌跡位置。O3點(diǎn)到機(jī)架a的變化值為h軌1。由于b桿的旋轉(zhuǎn)又帶動輔助搖桿f以O(shè)2和O6為圓心以O(shè)6O2為半徑反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使滑塊再右移到Δ1，從圖3可以看出此時(shí)：

故O6點(diǎn)右移小段距離為Δ1。由此可知各桿的軌跡是以各桿上鉸接點(diǎn)互為瞬時(shí)圓心而轉(zhuǎn)動，瞬時(shí)圓心是隨桿件角度變化而變化的。此時(shí)有一自鎖現(xiàn)象出現(xiàn) （后面再闡述）。

c桿在加大的力P連續(xù)作用下突破自鎖區(qū) （下邊闡述）后，以O(shè)3為支點(diǎn)一邊隨鉸接點(diǎn)O4為圓心反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，一邊帶動b桿順時(shí)針繞O1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，α角增大到α2，三角形O1O2O6中底邊a軇再度縮小，O5、 O6再向右移， a軇=a軇max-Δ2， 其軌跡狀態(tài)如圖 4。窗扇處于半開狀態(tài)，d桿與a的夾角為β2。由于c桿再繼續(xù)反時(shí)針回轉(zhuǎn)運(yùn)動，滑塊e進(jìn)一步右移，d桿的β2角增大到圖5的β3，則b桿的角α增加到圖5的α3，此時(shí)O3點(diǎn)至e桿的垂直距離h軌3值也由于d+c投影距離的增加而增加，h軌3達(dá)最大值，懸桿則處于開啟最大值近90°（近似垂直a）位置。至此完成預(yù)設(shè)的運(yùn)動軌跡，終點(diǎn)是滑塊最大行程：

3．c桿開啟初期的自鎖現(xiàn)象

如圖3，在c桿開啟運(yùn)動的初始，正如此前所訴，滑塊e向右移動距離Δ1，d桿 O5除移動 Δ1外，還順時(shí)針轉(zhuǎn)動了一個微小角度β1此時(shí)出現(xiàn)P力不能使c桿帶動b桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動也不能使b桿順時(shí)針或反時(shí)針轉(zhuǎn)動的自鎖現(xiàn)象。在機(jī)械原理中自鎖條件是機(jī)械效率等于零?，F(xiàn)從幾何觀點(diǎn)也可證明該機(jī)構(gòu)的自鎖，條件是c桿反時(shí)針轉(zhuǎn)動促使d桿的O4點(diǎn)受向下的力而反時(shí)針轉(zhuǎn)動 （當(dāng)然更不可能使d桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動）可是不能反時(shí)針轉(zhuǎn)動的原因是因?yàn)閏桿的O4點(diǎn)以O(shè)3點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動的軌跡與d桿的O4點(diǎn)撓O5點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動軌跡交叉于一點(diǎn) （圖6）之故。而該機(jī)構(gòu)的正常工作條件是使d桿的O4點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，條件是滑塊e在右移，增大β、α角這時(shí)作用在d桿O4點(diǎn)上的力能分解出一個分力促使d順時(shí)針轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)動被 “卡住”自鎖時(shí)，可將作用力P的方向指向斜右上方，d桿的O4點(diǎn)、b桿的O2點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生順時(shí)針方向的作用力可使d桿b桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動，自鎖可解除而能正常工作。此外在O4點(diǎn)外加一個向上的小的F力，同樣可以解除自鎖。

4．不設(shè)置三角頭機(jī)構(gòu)滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)的軌跡是自由的

從各桿件重合處在一條直線時(shí) （窗扇關(guān)閉狀態(tài)）開始，當(dāng)對本機(jī)構(gòu)的懸桿c無約束的話 （無三角頭機(jī)構(gòu)時(shí)），c桿在P力或力偶M （P）作用下，會出現(xiàn)如圖7那樣情況，c桿以O(shè)3為圓心反時(shí)針轉(zhuǎn)，d桿以O(shè)5為支點(diǎn)，向水平機(jī)架a的下方反時(shí)針旋轉(zhuǎn)到O4新位置，當(dāng)P力繼續(xù)作用下去其軌跡如圖8，d桿繞到水平機(jī)架a的下方。桿c隨O3、O4支點(diǎn)而作回轉(zhuǎn)運(yùn)動成垂直狀態(tài)。這種運(yùn)動軌跡與預(yù)設(shè)的在機(jī)架a的上方且垂直機(jī)構(gòu)a的軌跡根本不同。為達(dá)到預(yù)設(shè)軌跡的目的首創(chuàng)者巧妙地設(shè)計(jì)出將三角頭機(jī)構(gòu)作為約束條件使滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平開窗啟閉的要求 （圖1）。

圖4

圖5 A （雙支點(diǎn)）

圖5 B （單支點(diǎn)）

二、三角頭機(jī)構(gòu)幫助滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)初始階段的正常軌跡

圖6

圖7

圖8

三角頭機(jī)構(gòu)由兩部分合成。一部分叫做凹角構(gòu)件，凹角角度為124°左右將其固定在機(jī)架a的左端。另部分把桿c上的O4點(diǎn)左端頭做成三角形的凸臂，角度約78°左右。當(dāng)滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)的各個桿件重合在機(jī)架a上時(shí)，使桿c的左端三角凸臂靠在凹角構(gòu)件的凹角中心頂部 （見圖2）。

1.三角頭機(jī)構(gòu)在開始啟動初期，能阻止圖7中c、d交點(diǎn)O4反時(shí)針向下轉(zhuǎn)動如圖9左端，從圖3之前狀態(tài)開始到圖9過程，c桿在外力P作用下產(chǎn)生力矩M （P）是反時(shí)針方向。當(dāng)c桿的三角形凸臂與凹面角構(gòu)件下邊在Ox點(diǎn)接觸后，抬高了O4點(diǎn)，點(diǎn)產(chǎn)生了一個β1角，與此同時(shí)c桿上O3點(diǎn)帶動b桿產(chǎn)生一個α1角，O2點(diǎn)帶動f桿反時(shí)針轉(zhuǎn)動形成三角形O1O2O6（見圖9）。則有：

由此可知a軇＜f+b1， 滑塊 e被 f帶動右移 Δ1距離，此時(shí)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，c桿不再轉(zhuǎn)動，用手板動c桿很費(fèi)力。如一、3所述，一旦解除自鎖后c桿會帶動各桿轉(zhuǎn)動使α、β角擴(kuò)大到α2、α3，β2、β3（圖4、圖5）完成滑動搖桿機(jī)構(gòu) （滑撐）的開窗程序此時(shí)滑塊 e 行程為 Δmax=a軇max-a軇min懸桿 c （窗扇）從 0°變到 90°（圖 5）。

圖9

2．當(dāng)關(guān)閉開平窗時(shí)，要保證窗扇與窗框的密封條平行接觸均勻壓緊，保證窗戶的氣密性，三角頭機(jī)構(gòu)也起到了關(guān)鍵作用。因關(guān)閉窗扇時(shí)，密封條被壓緊后對c桿產(chǎn)生一個反作用力，方向?yàn)樗綑C(jī)架a的上方。此時(shí)與窗扇固定在一起的懸桿c的左端受一個向外開的力，這個力相當(dāng)于在圖9的F力。如果沒有三角頭機(jī)構(gòu)時(shí)會使懸桿c順時(shí)針轉(zhuǎn)動離開窗框造成窗扇左側(cè)密封不良而漏氣；如果有三角頭機(jī)構(gòu)時(shí)，關(guān)窗時(shí)c桿上左端的三角形凸臂會沿凹角構(gòu)件凹角上方的一個邊逐漸滑入使凹角與凸角靠上。這時(shí)窗扇壓緊密封條對c桿產(chǎn)生的反力向外，c桿的三角形凸桿被凹角構(gòu)件擋住不能反時(shí)針旋轉(zhuǎn)而被打開。因此保證了氣密性的可靠性能；同樣道理假如沒有三角頭機(jī)構(gòu)時(shí)，在窗扇 （c桿）的左邊用扁平工具就會撬開平開窗。當(dāng)有三角頭機(jī)構(gòu)后，c桿 （窗扇）會被三角頭機(jī)構(gòu)凹角邊上邊卡住，所以三角頭機(jī)構(gòu)的防撬功能是非常大的。

三、輔助搖桿f的作用

1．在圖1裝配圖中如果去掉輔助搖桿f后，就成五個連接桿機(jī)構(gòu)組成的滑動四邊形機(jī)構(gòu)。是一個非穩(wěn)定的機(jī)構(gòu) （如圖10a到圖10e）。當(dāng)滑塊e在機(jī)架a上可滑動時(shí)，這個四邊形雖然可以達(dá)到桿c垂直于機(jī)架a，平開窗打開窗扇成90°的目的如圖10b時(shí)的狀態(tài)，但只要在c桿上 （圖10b）上加一個平行c桿的力P，則四邊形機(jī)構(gòu)就會使短搖桿d繞O5支點(diǎn)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，長搖桿b也會繞O1支點(diǎn)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因懸桿必然隨O3O4的軌跡變動而回轉(zhuǎn)到機(jī)架a的下方 （圖10c、d、e），不是預(yù)設(shè)平開窗的保持90°，O4不向下移動功能要求。

圖 10 （a）

圖 10 （b）

圖 10 （c）

圖 10 （d）

圖 10 （e）

2．輔助搖桿f的作用。在圖10a的五桿組成的四懸桿機(jī)構(gòu)上恢復(fù)b桿支撐腰在d桿的O4點(diǎn)不下沉e桿上鉸接的輔助搖桿f后，恢復(fù)為圖1、圖3、圖5那樣的滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)的正常軌跡支撐桿d的O4點(diǎn)不下沉。就可以看出是f桿起控制穩(wěn)定軌跡作用。

3．f桿的垂直自鎖作用是平開窗上懸窗在垂直狀態(tài) （圖5）沿c桿長度方向的向下外力P作用到d桿，使d桿有繞O5反時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢。b桿也有被c桿交點(diǎn)O3帶動以O(shè)1為支點(diǎn)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)的傾向，但是輔助搖桿f近似垂直于機(jī)架a上的受力P也垂直機(jī)架有f桿支撐d桿O4點(diǎn)不會轉(zhuǎn)動下沉，因此整個滑動雙搖桿機(jī)構(gòu)就產(chǎn)生垂直自鎖穩(wěn)定平開窗在開窗狀態(tài)。

四、窗用滑撐存在的缺點(diǎn)

滑撐普遍存在初始階段的自鎖問題，雖然不影響使用，但總不算完美。按照三角頭機(jī)構(gòu)的作用機(jī)理對桿件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以解決這個問題。

另外平開窗滑撐的下沉懸臂彎曲變形是一個嚴(yán)重問題。解決的難度非常大。產(chǎn)品在工程使用中，只要出現(xiàn)此類質(zhì)量問題現(xiàn)象，必嚴(yán)重降低產(chǎn)品的使用壽命，影響產(chǎn)品功能的有效達(dá)成。

目前市場上和工程使用中出現(xiàn)時(shí)，雖然有些應(yīng)對的方法，但都是治標(biāo)不治本。徹底解決的難度在于窗結(jié)構(gòu)尺寸要求限制了滑撐的桿件必然是板條狀，板條件其慣性矩非常小，這是抵抗重力產(chǎn)生的懸臂彎曲變形主要因素；另外的因素就是鉸接結(jié)構(gòu)的磨損，以及桿件沖壓加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，影響抗彎曲變形及蠕變變形。

解決，來源于科學(xué)的分析和認(rèn)知。

因此，對產(chǎn)品的深度研發(fā)和科學(xué)性的發(fā)展，是每一個在市場上受尊重企業(yè)永不停息的價(jià)值延續(xù)。