連桿式智能折疊窗設計選型

王林虎 張越龍

（長江大學 機械工程學院，荊州 434023）

隨著科技智能化的發展，目前的家居行業也逐漸趨向智能化[1]。本文所設計的連桿式智能折疊窗能夠通過設置的控制感應模塊感知外界溫度、濕度等環境變化，并將信息反饋給驅動電機，從而控制窗戶的開關。在完成該窗戶的整體結構設計的基礎上，為確定此設計在實際生活中的可行性，不能僅通過三維模型的模擬，還需要制造實際模型以驗證此設計裝置是否能夠運用到生活中。

1 總體設計方案

圖1為連桿式智能折疊窗的示意圖。它通過多個連片將三扇窗戶連為一體。在兩側窗戶的上下窗體上設置有兩組滑柱，以便于窗戶整體在窗框上的滑槽內進行滑動運動。同時，該折疊窗設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成曲柄滑塊結構。此外，設置有電機與連桿連接，能夠通過控制感應模塊感應外界環境變化，從而發送指令驅動電機帶動窗戶整體進行折疊運動，最終實現窗戶的智能開關運動。

2 受力分析

當窗戶打開時，窗戶整體的重心與窗框所在豎直平面發生偏離。完全打開時，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，窗戶所受到的傾覆力矩也最大。根據設計，可近似看為窗戶以其下端滑柱為轉動中心發生傾覆，此時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動的流暢性，在制造窗戶時可優先考慮材質較輕的材料[3]。同時，為減小溫度感應器受到外界環境的影響，可采用雙層玻璃結構[4]，則每扇窗戶主要由窗框與雙層玻璃組成，設定窗戶的高度H=500 mm，寬度L=290 mm，質量m≈2.5 kg，對其進行受力分析如下。

窗戶在X-Z平面上：

式中：MO為O點的轉矩；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的轉矩。

簡化窗戶模型，對點O求轉矩，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，窗戶在運行過程中，由于重心變化將導致窗戶的滑柱與窗框的滑槽內壁存在一定的摩擦，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動流暢性造成一定影響。

3 電機選型

窗戶的驅動電機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的墻內，在不影響連桿式智能折疊窗功能的前提下，保證了產品的美觀性[5]。根據設計，窗戶的開關窗速度（即B點滑塊的移動速度）VB=0.1 m·s-1，連桿的有效轉動長度（即連桿兩轉動中心的距離）S=500 mm，鋼與鋁合金之間的動摩擦因數取μ=0.17，并選取需要最大驅動力的位置進行分析，即窗戶完全打開時（傳動角γmin=30°）[6]，此時角θ=60°。

對窗戶整體受力分析如圖3所示，運動分析如圖4所示。

窗戶在X-Y平面上對B點滑塊分析[7]，需要推動窗戶整體運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：

故驅動連桿式智能折疊窗的電機需滿足如下扭矩條件：

窗戶整體為電機驅動連桿轉動，從而帶動窗戶的打開與閉合，取窗戶的兩連桿進行運動分析，如圖3所示。窗戶運動模型可簡化為桿OC為原動件，作平面運動，經從動桿BC帶動滑塊B運動。點C的速度方向垂直于OC，滑塊B沿水平方向運動。

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

點C的運動速度VC為：

電機的實際轉速n為：

則電機的實際功率P為：

根據上述計算分析，驅動連桿式智能折疊窗的電機所需功率為0.76 W，電機的扭矩需大于6.3 N·m，同時因需要滿足連桿式智能折疊窗的開關角度可調的控制功能，故選取型號為86BYG250H的步進電機[9]。

4 試驗模型

根據上述分析結果完成連桿式智能折疊窗的試驗模型的制作，經過安裝與調試，連桿式智能折疊窗模型如圖5所示（圖中未放置電機）。根據窗戶試驗模型的工作過程，因窗戶的零部件較多，且對于裝配精度要求較高，所設計的帶滑槽的連桿不能很好地使窗戶流暢地打開與閉合，故將此處設計改為轉動副連接[10]。經過改進，窗戶模型能夠在所選擇的步進電機的驅動作用下實現正常的打開及閉合功能。

5 結語

連桿式智能折疊窗是一款依靠控制感應模塊實現自主開關的機電一體化窗戶，可針對刮風下雨、高溫等惡劣天氣實現窗戶的自動打開與關閉。本文在完成連桿式智能折疊窗的結構原理設計的前提下，確定了窗戶的各個參數，并分析了單扇窗戶以及窗戶整體的受力情況，完成了驅動電機的選型。另外，還根據分析結果制作了連桿式智能折疊窗的試驗模型，通過分析窗戶模型的工作過程，改進了連桿的結構，使得窗戶的機械部分可正常實現打開及閉合，為下一步連桿式智能折疊窗控制感應模塊的程序設計和制造提供了依據，并為今后類似的智能化窗戶的設計選型提供了參考依據。