張旭忠 王付杰 倪 娟

（運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系，運(yùn)城 044000）

窗戶是建筑不可缺少的一部分，起到了通風(fēng)采光、遮風(fēng)避雨的作用?，F(xiàn)有窗扇與窗框連接方式大都采用鉸接或通過連桿連接，窗扇開啟關(guān)閉時，窗扇繞著鉸鏈轉(zhuǎn)動，并由連桿機(jī)構(gòu)支撐窗扇。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單、成本很低，但是現(xiàn)有這種窗扇開啟角度小，通風(fēng)不徹底，室外窗扇玻璃面擦洗難度大。特別是擦洗高層建筑的窗扇玻璃時，需要伸手、探頭或由專業(yè)人員用高空纜繩作業(yè)，成本高、難度大、危險系數(shù)高[1-3]。

翻轉(zhuǎn)支架是一種常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過了解現(xiàn)有窗戶的連接方式，以及針對現(xiàn)有窗戶的不足之處，采用翻轉(zhuǎn)支架設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的窗扇連接方式。采用這種連接方式，結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動穩(wěn)定，而且能夠?qū)崿F(xiàn)窗扇的180°翻轉(zhuǎn)。同時，利用UG軟件完成了窗戶翻轉(zhuǎn)支架三維實體模型的建立及運(yùn)動仿真，并基于矢量模型，利用MATLAB軟件完成了窗戶翻轉(zhuǎn)支架的運(yùn)動分析。

1 窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。此翻轉(zhuǎn)支架以高度為500 mm的窗扇為例進(jìn)行設(shè)計，由窗框、窗扇、滾子、導(dǎo)軌和連桿機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成六連桿機(jī)構(gòu)，兩個翻轉(zhuǎn)支架對稱安裝在窗框左右或者上下兩側(cè)，機(jī)架固定在窗框上，連桿延長端上一點與窗扇玻璃框架中間點鉸接。推動窗扇時，窗扇與連桿的鉸接點接近水平移動，同時窗扇重心水平移動，以保證窗扇開啟過程中平穩(wěn)、穩(wěn)定。另外，窗扇末端鉸接安裝一個滾子，滾子與安裝在窗框上的豎直導(dǎo)軌配合做直線移動，保證窗扇在翻轉(zhuǎn)的同時末端不會脫離窗框，從而增加窗扇的穩(wěn)定性。

圖1 窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)示意圖

整個翻轉(zhuǎn)支架在窗戶關(guān)閉時能夠收縮進(jìn)窗框與窗扇中間的狹小空間，且各桿件之間夾角非常小，下?lián)u桿幾乎與窗框平行。為了合理利用此狹小空間以及避免桿件之間的干涉，窗框上預(yù)設(shè)有限位槽，以限制上搖桿運(yùn)動上極限位置，同時機(jī)架、上搖桿設(shè)計為彎曲形狀，且機(jī)架轉(zhuǎn)動副連線與水平方向成75°布置。因為連桿同時連著窗扇，且在窗扇關(guān)閉時，連桿、窗框、窗扇能夠重疊，所以連桿設(shè)計為彎桿并折彎。翻轉(zhuǎn)支架各部分構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)既能夠?qū)崿F(xiàn)對窗扇的有效支撐，實現(xiàn)窗戶的基本功能，也可以實現(xiàn)窗扇的180°翻轉(zhuǎn)，方便窗戶玻璃后期的清洗維護(hù)。此窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、傳動平穩(wěn)、制造成本低、后期維修費用低，有廣闊的市場應(yīng)用前景。

圖2 窗戶翻轉(zhuǎn)支架各構(gòu)件示意圖

2 窗戶翻轉(zhuǎn)支架運(yùn)動特性建模

窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，簡圖中以O(shè)為原點建立直角坐標(biāo)系O-XY，Y軸與窗框平行，并通過機(jī)架A點，X軸通過機(jī)架D點[4-5]。機(jī)架AD固定在窗框上，連桿BC末端上一點F與窗扇中點鉸接。窗扇能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是鉸接點F的軌跡平滑，且X方向的位移大于等于窗扇高度的一半，現(xiàn)對F點進(jìn)行分析，作封閉矢量多邊形ODCF，建立矢量方程為：

圖3 窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)簡圖

由式（1）向X、Y軸投影，建立位移方程：

在△CEF中：

在△ABC中：

在△ADC中：

θ4為L5與Y軸方向之間的夾角，則：

其中：

3 窗戶翻轉(zhuǎn)支架運(yùn)動學(xué)分析

在如圖3所示的窗戶翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)簡圖中，為保證窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，窗扇與連桿鉸接點F在X方向必須能夠到達(dá)窗扇高度一半的位置。同時，為了保證窗扇在翻轉(zhuǎn)過程中重心高度變化不能太大，從而保證窗扇開啟和關(guān)閉過程平穩(wěn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要[6]，各構(gòu)件設(shè)計尺寸分別為：L1=67 mm；L2=137 mm；L3=36 mm；L4=110 mm；CE=135 mm；EF=18 mm；β=75°；OD=17 mm。其中，L2+L3＜L1+L4。通過推動窗扇中點即窗扇與連桿的鉸接點F向外側(cè)移動，窗扇中點隨F點移動并相對F點轉(zhuǎn)動。窗扇末端G裝有滾子，能夠沿安裝在窗框上的導(dǎo)軌做直線移動。當(dāng)F點與Y軸距離是250 mm時，正好是窗扇高度的一半，F(xiàn)點處于右極限位置。此時，下連桿L2與X軸間夾角αmax是89.4°，窗扇處于水平狀態(tài)。繼續(xù)推動窗扇，其末端G點仍按原方向豎直移動，F(xiàn)點按原軌跡返回，從而實現(xiàn)窗扇的翻轉(zhuǎn)。當(dāng)窗扇關(guān)閉以后，整個連桿機(jī)構(gòu)收縮在窗框兩側(cè)的狹小空間內(nèi)，由于窗框限位槽的作用，F(xiàn)點處于左極限位置。此時，下連桿L2與X軸間夾角αmin是23°，F(xiàn)處于左極限點，與窗框中點正好重合。將已知構(gòu)件長度和邊界條件代入運(yùn)動模型，利用MATLAB對其進(jìn)行分析計算，F(xiàn)點的運(yùn)動軌跡如圖4所示。

圖4 F點的軌跡曲線

4 結(jié)語

基于連桿機(jī)構(gòu)的一種用于窗戶連接翻轉(zhuǎn)的設(shè)計，是連桿機(jī)構(gòu)在實際生活中的一種典型應(yīng)用，原理非常簡單，但是這種機(jī)構(gòu)可對窗戶的安裝提供一種新的思路和方案，從而有效地解決生活中窗戶打開角度小以及窗戶外側(cè)擦洗難度大的實際問題。此裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適應(yīng)性好，可以推廣到一系列的窗扇設(shè)計和改進(jìn)中。