曹啟武，徐建新，徐 菲

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300300)

0 引 言

日常生活中，柜門開關(guān)大多是帶有把手的，長期使用把手容易出現(xiàn)折斷、清洗難等問題。目前應(yīng)用在廚衛(wèi)設(shè)備上的磁碰開關(guān)裝置需要安裝永磁體，而永磁體易退磁，增加了開關(guān)的成本且影響可靠性。當柜門處于長時間關(guān)閉的狀態(tài)下，門上的鐵塊會被磁化，不能實現(xiàn)自動開門；加之其自身結(jié)構(gòu)的問題，永磁體只能用于玻璃門，不適用于木制柜門。如果設(shè)計一種無需把手、輕磕柜門就能實現(xiàn)柜門開關(guān)動作的半自動開關(guān)，對于普通家庭來說，不僅可以免除老式柜門把手的清洗、替換工作，使用起來還更加方便舒適和人性化；對于餐飲業(yè)而言，還可以降低廚房內(nèi)的勞動強度，提高工作效率。針對這一設(shè)想，本文提出了一種基于連桿滑塊機構(gòu)的新型柜門開關(guān)系統(tǒng)。

1 機構(gòu)設(shè)計工作原理

1.1 設(shè)計條件分析

該機構(gòu)通過柜門閉合發(fā)生位移產(chǎn)生的驅(qū)動力觸發(fā)機構(gòu)傳動，實現(xiàn)柜門的鎖扣與解鎖兩個狀態(tài)(即柜門的開、閉)。機構(gòu)的原動件適合選擇在門的開口一側(cè)，從而能夠獲得較強的驅(qū)動力和穩(wěn)定性。

1.2 傳動方案和工作原理

半自動柜門開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。柜門的開關(guān)動作均依靠推動柜門來實現(xiàn)。鎖扣 2和柔性頂針 3固定在門 12的內(nèi)表面處并與其垂直。關(guān)門時，推進柜門，柔性頂針3接觸并推動傳動滑塊4運動，與兩傳動滑塊固結(jié)的連桿 7推動定位滑塊 6運動，使其與鎖扣滑塊 1分離，鎖扣與鎖扣滑塊相結(jié)合，完成關(guān)門動作，同時，柔性頂針停在靠近傳動滑塊 5處；開門時，推進柜門，柔性頂針接觸并推動傳動滑塊5運動，與兩傳動滑塊固結(jié)的連桿推動定位滑塊 6運動，使其與鎖扣滑塊結(jié)合，鎖扣與鎖扣滑塊分離，而定位滑塊運動至限位點處，固定在柜底面的壓簧將門向外彈開，完成開門動作。如果將柜門及其上觸碰構(gòu)件視為原動件，則柜內(nèi)實現(xiàn)鎖扣動作的構(gòu)件稱為從動件。

圖1 結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure principle

該半自動化櫥柜通過 1個連桿和 3個滑塊相連組成了一個中間傳動機構(gòu)。實現(xiàn)柜門開閉兩種狀態(tài)的傳動，工作原理如下：

①柜門的閉合。關(guān)閉柜門，柔性頂針[1]被壓縮而發(fā)生彈性形變，為恢復(fù)形變，使右滑塊沿導(dǎo)軌方向移動；而與右滑塊鉸接的連桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動縱向定位滑塊向下移動退出限位槽，受壓的彈簧8將鎖扣滑塊右移卡入鎖扣，最終柜門被緊鎖。②柜門的打開。再次碰觸柜門，頂針接觸右滑塊，使其沿導(dǎo)軌方向移動，類似于閉合時的中間傳動，定位滑塊逆向移動卡入限位點，使鎖扣滑塊左移脫離鎖扣，門在彈簧 9的作用下彈開。

2 機構(gòu)自由度分析

機構(gòu)各構(gòu)件近似于平面運動，故著重討論平面機構(gòu)的自由度。根據(jù)文獻[2]中公式，可知機構(gòu)自由度：式中：n——平面機構(gòu)中活動構(gòu)件的個數(shù)；Lp——平面機構(gòu)中低副個數(shù)；Hp——平面機構(gòu)中高副個數(shù)。

利用上述公式，求解半自動化櫥柜開關(guān)系統(tǒng)自由度；[3]由左傳動滑塊 4、右傳動滑塊 5、定位滑塊 6和連桿 7組成的中間傳動機構(gòu)中，有 4個活動構(gòu)件、5個低副(滑塊 4、5、7與固定導(dǎo)軌組成 3個移動副和滑塊4、5與連桿7組成的2個轉(zhuǎn)動副)、1個低副(連桿7與滑塊4上的柱銷)，故中間機構(gòu)的自由度為：

由此可知，該機構(gòu)具有確定的運動條件和運動規(guī)律，可以滿足平面運動條件。

3 機構(gòu)運動學(xué)分析

3.1 機構(gòu)運動分析中的矢量法

封閉的平面連桿機構(gòu)可以分成若干個獨立的矢量三角形回路，這種機構(gòu)運動分析方法稱為矢量法。[4,5]對于由3個矢量構(gòu)成的閉合三角形，每個矢量均可由模和幅角表示，即每個矢量有 2個參數(shù)，則可知閉合三角形中共有6個參數(shù)；如果已知其中任意4個，求解其余2個參數(shù)，則有4種狀態(tài)：

①已知 2個矢量的模及幅角，求第 3個矢量參數(shù)；②已知 3個矢量的模及其中 1個幅角，求另外2個矢量的幅角；③已知第 1矢量的參數(shù)，第 2矢量的模及第 3個矢量的幅角，求第 2矢量的幅角及第3矢量的模；④已知第 1矢量的模及 3個矢量的幅角，求另外2個矢量的模。

假設(shè)3個矢量參數(shù)為11,m?；22,m?；33,m?，

即可通過復(fù)矢量方程計算：

3.2 幾何條件計算

如圖 2所示，由滑塊 1、2和連桿 4構(gòu)成一個矢量三角形(設(shè)為初始單位向量)，則向量參數(shù)為(Δ是滑塊1的位移變化量，Δ為微小量)。

圖2 幾何矢量三角形示意圖Fig.2 Schematic diagram of geometric vector triangle

由復(fù)矢量方程求解：

3.3 速度分析

速度瞬心法：互作平面相對運動的兩構(gòu)件上瞬時速度相等的重合點，即是兩構(gòu)件的速度瞬心。

圖3 速度求解示意圖Fig.3 Schematic diagram of velocity solution

如圖3所示，滑塊1、2、3上的柱銷所在點為1P、2P、3P，速度分別為1v、2v、3v。

v1、v2的垂線交于Q，Q點即為構(gòu)件 1、2、4的瞬心。

v3是連桿 4在 P3點的速度，滑塊 3的實際速度是 v在滑塊3移動方向上的分量。3

同理，在機構(gòu)運動過程任何位置，都能用瞬心法求解速度關(guān)系。

4 機構(gòu)死點位置分析

作用在從動件上的驅(qū)動力F與該力作用點絕對速度之間所夾的銳角α稱為壓力角。[6]當α=90°，對從動件的作用力或力矩等于零，連桿就不能驅(qū)動從動件運動。機構(gòu)處于此時狀態(tài)下的位置，將成為死點位置。

圖4 機構(gòu)局部示意圖Fig.4 Schematic diagram of local part of the mechanism

為防止機構(gòu)做平面運動時因死點位置導(dǎo)致機構(gòu)運動受阻，對機構(gòu)核心部件進行運動規(guī)律分析，得到以下幾點措施：

① 滑塊 5作為傳動件，當連桿 7從水平位置傾斜至與滑塊 5導(dǎo)軌方向同向時，此時傳動角γ=0°(β=90°)，構(gòu)件無法提供力矩使桿件4繼續(xù)運動，則滑塊 6不完全脫離限位點，鎖扣不能解鎖，最終機構(gòu)失效。

② 同理，當滑塊4作為傳動件，連桿7與滑塊5導(dǎo)軌同向時，桿件 6無法運動進入死點位置，則滑塊 1停止移動。對于本機構(gòu)，由于鎖扣滑塊上限位點的限制，桿件并不能移動到該狀態(tài)下的死點位置，可以有效避免開門時的失效。

③ 上述分析是在理想狀態(tài)條件下，而實際情況中，由于彈簧產(chǎn)生的驅(qū)動力不大，并受到各機構(gòu)間的摩擦影響，連桿 7運動到接近導(dǎo)軌方向之前，由于力矩不夠大，從而卡住提前進入死點。

④ 曲柄連桿機構(gòu)出現(xiàn)死點是周期性的，這是由于曲柄做整周圓運動。[5]然而對于本機構(gòu)，由于傳動滑塊每次移動的位移量較小，連桿在一個周期內(nèi)的角位移也較小，因此不會進入死點。但是隨著機構(gòu)反復(fù)運作，連桿每次都會與先前位置產(chǎn)生一定微小偏差，當偏差逐漸累積，直至連桿接近導(dǎo)軌方向上時，死點更加容易出現(xiàn)，但這樣的累積需要極長的時間。

按照以上分析，該機構(gòu)可以避免出現(xiàn)因死點位置導(dǎo)致運動受阻的現(xiàn)象，從而保證機構(gòu)運動順暢。

5 機構(gòu)靜力學(xué)分析

機械運動過程中，構(gòu)件受到兩類力的作用，分別是驅(qū)動力和阻抗力，驅(qū)動力做正功。[6]對于運動副來說，運動副之間的反力對整個機械來說是內(nèi)力，對于構(gòu)件來說則是外力，而這些力對計算構(gòu)件的強度、剛度、摩擦等動力性能都是極為重要的。

本機構(gòu)是低速機構(gòu)，因其慣性力較小可略去不計，所以對本機構(gòu)進行靜態(tài)分析。對于關(guān)門狀態(tài)，彈簧壓縮產(chǎn)生形變量，驅(qū)動力F產(chǎn)生，其作用在左滑塊4上的分力，即連桿7受到1F的作用。

對連桿進行平衡分析，1P點受1F作用，2P點受兩個約束力2xF 、2yF ，3P點受一個約束力3F。

由此，連桿上產(chǎn)生的力和力矩使得連桿做移動和轉(zhuǎn)動。

對于其余狀態(tài)下的受力分析都可以類似求解，最終算出各個結(jié)構(gòu)所需承受的最大應(yīng)力，從而校核強度，保證機構(gòu)的正常協(xié)調(diào)運行。

6 機構(gòu)動力學(xué)分析

機構(gòu)加速度求解：設(shè)柱銷 1、2、3的速度為 v1、v2、v3，加速度為α1、α2、α3；根據(jù)幾何位移關(guān)系，任意位置時做出1v、2v的垂線交于Q點，此點即為該位置的瞬心，[7，8]通過實物操作模擬，得到瞬心的軌跡如圖5所示：

圖5 機構(gòu)動力學(xué)求解示意圖Fig.5 Schematic diagram of kinematics of mechanism

當 t = 0 s時，v1= v2= 0 ，假設(shè)滑塊 1收到恒力F1，F(xiàn)1= ma1? v1= a1t，即滑塊 1作勻加速直線運動：

所以對于任意時刻t即可確定瞬心的位置Q，測量出此時1P、2P、3P與瞬心Q的距離1r、2r、3r，即：

對于柱銷3P的運動，如圖所示：

圖6 加速度求解示意圖Fig.6 Schematic diagram of acceleration solution

其絕對速度av可以分解為牽連速度ev和相對速度rv，ev就是3v，即：

在瞬時情況下，牽連運動可看作定軸轉(zhuǎn)動，則由加速度合成定理可知：

7 仿真及樣品制作

為了驗證設(shè)計方案是可行的，用 ADAMS軟件對模型進行仿真，得出了位移、速度、加速度和機構(gòu)受力曲線(見圖 7)。從仿真結(jié)果可知，在受力均勻時，機構(gòu)開關(guān)裝置的位移具有較好的軌跡；在0.031,5,s內(nèi)，機構(gòu)運動速度和加速度數(shù)值大小沒有發(fā)生突變，進而確保該機構(gòu)運動順暢，并能完成各部件力的傳遞。

圖7 運動仿真曲線Fig.7 Curve of motion simulation

制作了一套如圖8所示的實物，通過對樣品的操作表明，基于連桿滑塊機構(gòu)的新型半自動柜門開關(guān)達到預(yù)期設(shè)計要求，并具有良好的機械傳動性和安全可靠性，各部件的運動協(xié)調(diào)性順暢，進一步驗證了該機構(gòu)的設(shè)計方案是正確可行的。

圖8 機構(gòu)實物圖Fig.8 Physical picture of Mechanism

8 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計了一種基于連桿滑塊機構(gòu)的新型半自動柜門開關(guān)，采用全機械式機構(gòu)，能承受較大沖擊，工作穩(wěn)定可靠。對該機構(gòu)的自由度進行了分析，給出了防止機構(gòu)工作出現(xiàn)死點情況的方法。利用復(fù)矢量法和速度瞬心法對該機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，驗證了機構(gòu)設(shè)計的合理性。結(jié)合機構(gòu)的低速運動受力情況，建立了該機構(gòu)的靜力學(xué)求解方程。按照設(shè)計方案進行了運動仿真，并制作了樣品，對樣品的操作表明，該機構(gòu)設(shè)計方案可行。

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