連桿式智能折疊窗設(shè)計(jì)選型

王林虎 張?jiān)烬?/p>

（長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，荊州 434023）

隨著科技智能化的發(fā)展，目前的家居行業(yè)也逐漸趨向智能化[1]。本文所設(shè)計(jì)的連桿式智能折疊窗能夠通過設(shè)置的控制感應(yīng)模塊感知外界溫度、濕度等環(huán)境變化，并將信息反饋給驅(qū)動電機(jī)，從而控制窗戶的開關(guān)。在完成該窗戶的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為確定此設(shè)計(jì)在實(shí)際生活中的可行性，不能僅通過三維模型的模擬，還需要制造實(shí)際模型以驗(yàn)證此設(shè)計(jì)裝置是否能夠運(yùn)用到生活中。

1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1為連桿式智能折疊窗的示意圖。它通過多個(gè)連片將三扇窗戶連為一體。在兩側(cè)窗戶的上下窗體上設(shè)置有兩組滑柱，以便于窗戶整體在窗框上的滑槽內(nèi)進(jìn)行滑動運(yùn)動。同時(shí)，該折疊窗設(shè)置有兩根首尾相連的長連桿分別與窗戶連接，能夠使得窗戶整體構(gòu)成曲柄滑塊結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)置有電機(jī)與連桿連接，能夠通過控制感應(yīng)模塊感應(yīng)外界環(huán)境變化，從而發(fā)送指令驅(qū)動電機(jī)帶動窗戶整體進(jìn)行折疊運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)窗戶的智能開關(guān)運(yùn)動。

2 受力分析

當(dāng)窗戶打開時(shí)，窗戶整體的重心與窗框所在豎直平面發(fā)生偏離。完全打開時(shí)，每扇窗戶偏移角度為60°，其重心與窗框所在豎直平面距離最遠(yuǎn)，窗戶所受到的傾覆力矩也最大。根據(jù)設(shè)計(jì)，可近似看為窗戶以其下端滑柱為轉(zhuǎn)動中心發(fā)生傾覆，此時(shí)對單扇窗戶受力分析如圖2所示[2]。

為確保連桿式智能折疊窗的可行性以及運(yùn)動的流暢性，在制造窗戶時(shí)可優(yōu)先考慮材質(zhì)較輕的材料[3]。同時(shí)，為減小溫度感應(yīng)器受到外界環(huán)境的影響，可采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)[4]，則每扇窗戶主要由窗框與雙層玻璃組成，設(shè)定窗戶的高度H=500 mm，寬度L=290 mm，質(zhì)量m≈2.5 kg，對其進(jìn)行受力分析如下。

窗戶在X-Z平面上：

式中：MO為O點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩；F為窗框在沿窗戶方向的支持力；H為窗戶的高度；L為窗戶的寬度；FH為該力對于矩心O的轉(zhuǎn)矩。

簡化窗戶模型，對點(diǎn)O求轉(zhuǎn)矩，已知窗戶重量、長和寬即可求出。

在X方向上，有：

在Z方向上，有：

由以上分析可得，窗戶在運(yùn)行過程中，由于重心變化將導(dǎo)致窗戶的滑柱與窗框的滑槽內(nèi)壁存在一定的摩擦，其水平方向支持力大小為7.25 N，再加上由于窗戶自重所產(chǎn)生的滑動摩擦力，其豎直方向支持力大小為25 N，將會對窗戶在工作過程中的運(yùn)動流暢性造成一定影響。

3 電機(jī)選型

窗戶的驅(qū)動電機(jī)通過螺栓固定安裝在窗框的右上伸出端，與窗框一起安裝在右側(cè)的墻內(nèi)，在不影響連桿式智能折疊窗功能的前提下，保證了產(chǎn)品的美觀性[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)，窗戶的開關(guān)窗速度（即B點(diǎn)滑塊的移動速度）VB=0.1 m·s-1，連桿的有效轉(zhuǎn)動長度（即連桿兩轉(zhuǎn)動中心的距離）S=500 mm，鋼與鋁合金之間的動摩擦因數(shù)取μ=0.17，并選取需要最大驅(qū)動力的位置進(jìn)行分析，即窗戶完全打開時(shí)（傳動角γmin=30°）[6]，此時(shí)角θ=60°。

對窗戶整體受力分析如圖3所示，運(yùn)動分析如圖4所示。

窗戶在X-Y平面上對B點(diǎn)滑塊分析[7]，需要推動窗戶整體運(yùn)行所需的最大推動力為：

滑塊在X方向上，有：

對于桿BC分析，有：

故驅(qū)動連桿式智能折疊窗的電機(jī)需滿足如下扭矩條件：

窗戶整體為電機(jī)驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)動，從而帶動窗戶的打開與閉合，取窗戶的兩連桿進(jìn)行運(yùn)動分析，如圖3所示。窗戶運(yùn)動模型可簡化為桿OC為原動件，作平面運(yùn)動，經(jīng)從動桿BC帶動滑塊B運(yùn)動。點(diǎn)C的速度方向垂直于OC，滑塊B沿水平方向運(yùn)動。

利用瞬心法[8]，分別過點(diǎn)B、點(diǎn)C作VB、VC的垂線，其交點(diǎn)O1即為連桿BC作平面運(yùn)動的速度瞬心，則桿BC的角速度ωCB為：

點(diǎn)C的運(yùn)動速度VC為：

電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n為：

則電機(jī)的實(shí)際功率P為：

根據(jù)上述計(jì)算分析，驅(qū)動連桿式智能折疊窗的電機(jī)所需功率為0.76 W，電機(jī)的扭矩需大于6.3 N·m，同時(shí)因需要滿足連桿式智能折疊窗的開關(guān)角度可調(diào)的控制功能，故選取型號為86BYG250H的步進(jìn)電機(jī)[9]。

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)上述分析結(jié)果完成連桿式智能折疊窗的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?，?jīng)過安裝與調(diào)試，連桿式智能折疊窗模型如圖5所示（圖中未放置電機(jī)）。根據(jù)窗戶試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ぷ鬟^程，因窗戶的零部件較多，且對于裝配精度要求較高，所設(shè)計(jì)的帶滑槽的連桿不能很好地使窗戶流暢地打開與閉合，故將此處設(shè)計(jì)改為轉(zhuǎn)動副連接[10]。經(jīng)過改進(jìn)，窗戶模型能夠在所選擇的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動作用下實(shí)現(xiàn)正常的打開及閉合功能。

5 結(jié)語

連桿式智能折疊窗是一款依靠控制感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)自主開關(guān)的機(jī)電一體化窗戶，可針對刮風(fēng)下雨、高溫等惡劣天氣實(shí)現(xiàn)窗戶的自動打開與關(guān)閉。本文在完成連桿式智能折疊窗的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的前提下，確定了窗戶的各個(gè)參數(shù)，并分析了單扇窗戶以及窗戶整體的受力情況，完成了驅(qū)動電機(jī)的選型。另外，還根據(jù)分析結(jié)果制作了連桿式智能折疊窗的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過分析窗戶模型的工作過程，改進(jìn)了連桿的結(jié)構(gòu)，使得窗戶的機(jī)械部分可正常實(shí)現(xiàn)打開及閉合，為下一步連桿式智能折疊窗控制感應(yīng)模塊的程序設(shè)計(jì)和制造提供了依據(jù)，并為今后類似的智能化窗戶的設(shè)計(jì)選型提供了參考依據(jù)。