張越龍，帥玉妹，王培元，劉 傲，石 虎，王林虎

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

傳統(tǒng)的家居很少涉及智能領(lǐng)域，近年來隨著科技向生活的不斷滲透，智能家居的概念從最開始的新興概念，已經(jīng)變成了人們所能接受的一種思想，讓生活更加方便和快捷[1]。從窗戶的定義出發(fā)，傳統(tǒng)的窗戶屬于建筑部件的一種，通過將窗戶智能化使其深入人們的生活，從本質(zhì)上改變窗戶的定義，使窗戶成為全屋智能化的一部分。從設(shè)計層面出發(fā)，傳統(tǒng)窗戶到智能窗戶，需要的是將傳統(tǒng)和智能結(jié)合、應(yīng)用，并且改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)生活方式[2]。傳統(tǒng)的窗戶在隔音、隔溫保熱、防潮，尤其是智能控制方面有著不同程度的欠缺。因此本文設(shè)計的連桿式智能折疊窗作為智能家居的一部分，在可預(yù)見的未來發(fā)展趨勢中必將占有一席之地。市場上形形色色的智能開關(guān)窗都或多或少存在一些問題，如使用時產(chǎn)生的噪音，智能部分的使用壽命以及控制性等。為了解決這些問題，本設(shè)計提供一種相對完善的智能化折疊窗解決方案，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并且融入智能的概念，多方面改進(jìn)現(xiàn)有窗戶存在的不足，使得這款智能折疊窗相較于傳統(tǒng)窗戶乃至在智能家居領(lǐng)域都足夠亮眼[3]，且具有足夠的市場競爭力和繼續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新潛力。

1 連桿式智能折疊窗工作原理

連桿式智能折疊窗的工作原理：由電機(jī)驅(qū)動連桿帶動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)折疊窗的開合，適用于居室、公共場所，如大型商場、寫字樓和公共廁所等。機(jī)械工作過程整體為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動桿1運動，從而帶動桿2運動，桿2的末端與滑塊鉸接，使滑塊在窗框內(nèi)做滑動運動。在窗戶1和窗戶2的中間與窗框連接部分添加一個滑塊虛約束，以此增加機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性（見圖1）。連桿和窗戶間用自攻螺釘固定，軸肩螺釘鉸接，通過此機(jī)構(gòu)使窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)同時運動折疊與展開。因為該機(jī)構(gòu)是由電機(jī)驅(qū)動，所以窗戶開合操作簡單，并且關(guān)閉嚴(yán)實[4-5]。

圖1 連桿式智能折疊窗三維模型圖

2 連桿式智能折疊窗用途分析

連桿式智能折疊窗利用簡單的連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)窗戶的開合，同時利用轉(zhuǎn)動連接替代傳統(tǒng)合頁連接，因此擁有更好的密封性。本產(chǎn)品的主要目標(biāo)在于較好地解決了風(fēng)雨天氣忘記關(guān)窗和關(guān)窗繁瑣等問題。由于其材料常見，簡單易制作，成本低，且支持多種智能控制，可以通過手機(jī)APP連接Wi-Fi模塊，達(dá)到遠(yuǎn)程控制窗戶的開關(guān)。這些優(yōu)勢具有較高的實用價值，能夠使產(chǎn)品迎合廣大消費者的需求。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于廣大的居民家庭市場，其次是學(xué)校、商場、倉庫、廠房等各種大型建筑的市場[6]。

3 連桿式智能折疊窗結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為連桿式智能折疊窗三維模型圖。連桿式智能折疊窗結(jié)構(gòu)設(shè)計部分由連桿機(jī)構(gòu)、滑動部分、連接部分、傳動部分組成。如圖1所示，傳動部分是由電機(jī)向桿1傳輸力矩，帶動連桿部分運動，連桿部分是連桿和窗戶組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，滑動部分是窗戶的上下端與窗框之間的相對滑動，連接部分是窗戶之間的螺栓連接[4-5]。

3.2 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖2為連桿機(jī)構(gòu)簡圖。

圖2 連桿機(jī)構(gòu)簡圖

自由度計算[4]：6為虛約束。

F=1，因此運動確定。

圖2中，尺度綜合：L1=500 mm，L2=500 mm，L3=250 mm，L4=250 mm。此連桿機(jī)構(gòu)是一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中滑塊6為虛約束，在滑動過程中起到穩(wěn)定的作用。桿1為曲柄，由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動為關(guān)窗，逆時針轉(zhuǎn)動即可開窗。為了使連桿可以完全收入窗框內(nèi)，桿1和桿2連接處做了圓弧形設(shè)計，避免發(fā)生與內(nèi)部滑柱相互碰撞的情況。此外考慮到重量問題，連桿的材料選用硬質(zhì)鋁合金，不僅有足夠的強(qiáng)度，還能很大程度上減輕重量。因為是控制器控制的電機(jī)，所以開窗的速度和角度都可設(shè)置，角度為0°～60°，速度推薦約為10 s。圖3為三維模型俯視圖。

圖3 三維模型俯視圖

3.3 滑動部分設(shè)計

滑動部分是窗戶在打開和關(guān)閉時，下部滑塊在滑道上滑動。為了減小接觸面積，滑軌做了凸起設(shè)計，突出與相鄰平面的接觸部分，起到減小摩擦、增大傳動效率的作用，見圖4?；壊牧喜捎?0Cr合金鋼，能擁有足夠的硬度和使用壽命[4-5]。

圖4 滑道

3.4 連接部分設(shè)計

窗戶與窗戶間是由滑塊的銷軸部分連接的，連片與窗戶用螺絲固定，滑塊的銷軸部分穿過連片，插入窗戶的鋼套內(nèi)，鋼套可以很大程度上減小摩擦力，并且擁有足夠的剛度。連接處還放有平墊圈，能減小相互之間的摩擦，延長使用壽命。兩扇窗戶中間的連接非常緊密，不會出現(xiàn)漏水和漏風(fēng)的情況，見圖5。

圖5 窗戶接觸連接部分

3.5 傳動部分設(shè)計

圖6為桿1和桿2受力簡圖。

圖6 桿1和桿2受力簡圖

電機(jī)選擇：最小傳動角(γmin=30°)時，選擇主體構(gòu)件（1，2，5）分析[7-8]。由于θ1=30°，因此有

根據(jù)運動分析[7-8]，運動接近勻速，取a=0。

因此，桿1所需最小轉(zhuǎn)矩為5 N·m。選擇保持力矩為M=8 N·m的步進(jìn)電機(jī)。

電機(jī)通過螺栓緊緊固定在窗框上，穩(wěn)定性非?？煽浚ㄒ妶D7）。電機(jī)與桿1之間使用鍵連接，高效地實現(xiàn)了動能的轉(zhuǎn)化。電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，相對普通電機(jī)來說，其可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號。步進(jìn)電機(jī)配合驅(qū)動器使用，多數(shù)驅(qū)動器都支持細(xì)分功能，即實現(xiàn)很小的步進(jìn)角，控制更精確[4-5]。

圖7 電機(jī)與桿1鍵連接

4 連桿式智能折疊窗理論計算

圖8為窗戶受力分析圖。

圖8 窗戶受力分析圖

由于傳動角是受力方向與運動方向夾角的余角，因此γmin=30°，γmax=90°。當(dāng)原動件的角速度ω1=1 r/min，獲得最小傳動角時（γmin=30°），選擇窗體進(jìn)行分析[3-4]。

由于θ1=θ2=30°，塑鋼（窗戶框架）密度為1．53×103kg/m3，玻璃（實心玻璃）密度為2．5 kg/m3，因此有m=（1．53×103×0．25×0．5×0．005+2．5×0．002 35）kg=3．595 5 kg。

添加余量，因此每扇窗戶質(zhì)量m＜4 kg。

解得：FA=10 N，F(xiàn)Bx=10 N，F(xiàn)Bz=40 N。

由于F1=F2=F2'=FA=10 N，因此有

因此，窗框在窗戶靜止時兩滑動接觸處（x-z鉛垂面）的上方最大拉力為17．32 N。

5 結(jié)束語

“門窗不僅僅只是一扇窗，在未來還應(yīng)該承載更多的功能。”張彬表示，智能門窗可以變成一幅巨大的畫冊，每天呈現(xiàn)不同的圖案，或可以感知外界的天氣，給予人們戶外著裝的指導(dǎo)。他認(rèn)為，隨著科技的不斷發(fā)展，智能門窗也將極大地改變?nèi)藗兊纳?，就如同手機(jī)一樣，而這只是時間的問題。作為連桿式智能折疊窗的創(chuàng)新者，筆者認(rèn)為對于窗戶的使用不應(yīng)該被局限于傳統(tǒng)的思維，只有不斷地與當(dāng)下科技結(jié)合，才能順應(yīng)時代的發(fā)展，設(shè)計出更加具有現(xiàn)代化氣息的產(chǎn)品，讓使用者感受到來自產(chǎn)品的科技感[9]。