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基于矢量模型的翻轉支架結構設計與運動分析

2022-01-14 07:20張旭忠王付杰
現代制造技術與裝備 2021年12期
關鍵詞:窗框搖桿滾子

張旭忠 王付杰 倪 娟

(運城學院 機電工程系,運城 044000)

窗戶是建筑不可缺少的一部分,起到了通風采光、遮風避雨的作用。現有窗扇與窗框連接方式大都采用鉸接或通過連桿連接,窗扇開啟關閉時,窗扇繞著鉸鏈轉動,并由連桿機構支撐窗扇。這種連接方式結構簡單、成本很低,但是現有這種窗扇開啟角度小,通風不徹底,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、危險系數高[1-3]。

翻轉支架是一種常用的機械結構。通過了解現有窗戶的連接方式,以及針對現有窗戶的不足之處,采用翻轉支架設計了一種新型結構的窗扇連接方式。采用這種連接方式,結構簡單、轉動穩(wěn)定,而且能夠實現窗扇的180°翻轉。同時,利用UG軟件完成了窗戶翻轉支架三維實體模型的建立及運動仿真,并基于矢量模型,利用MATLAB軟件完成了窗戶翻轉支架的運動分析。

1 窗戶翻轉支架結構設計

窗戶翻轉支架結構示意圖如圖1所示。此翻轉支架以高度為500 mm的窗扇為例進行設計,由窗框、窗扇、滾子、導軌和連桿機構共同構成六連桿機構,兩個翻轉支架對稱安裝在窗框左右或者上下兩側,機架固定在窗框上,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軌配合做直線移動,保證窗扇在翻轉的同時末端不會脫離窗框,從而增加窗扇的穩(wěn)定性。

圖1 窗戶翻轉支架結構示意圖

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

圖2 窗戶翻轉支架各構件示意圖

2 窗戶翻轉支架運動特性建模

窗戶翻轉支架結構簡圖如圖3所示,簡圖中以O為原點建立直角坐標系O-XY,Y軸與窗框平行,并通過機架A點,X軸通過機架D點[4-5]。機架AD固定在窗框上,連桿BC末端上一點F與窗扇中點鉸接。窗扇能夠實現平穩(wěn)翻轉的關鍵是鉸接點F的軌跡平滑,且X方向的位移大于等于窗扇高度的一半,現對F點進行分析,作封閉矢量多邊形ODCF,建立矢量方程為:

圖3 窗戶翻轉支架結構簡圖

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 窗戶翻轉支架運動學分析

在如圖3所示的窗戶翻轉支架結構簡圖中,為保證窗戶能夠實現翻轉,窗扇與連桿鉸接點F在X方向必須能夠到達窗扇高度一半的位置。同時,為了保證窗扇在翻轉過程中重心高度變化不能太大,從而保證窗扇開啟和關閉過程平穩(wěn),根據結構需要[6],各構件設計尺寸分別為: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向外側移動,窗扇中點隨F點移動并相對F點轉動。窗扇末端G裝有滾子,能夠沿安裝在窗框上的導軌做直線移動。當F點與Y軸距離是250 mm時,正好是窗扇高度的一半,F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點按原軌跡返回,從而實現窗扇的翻轉。當窗扇關閉以后,整個連桿機構收縮在窗框兩側的狹小空間內,由于窗框限位槽的作用,F點處于左極限位置。此時,下連桿L2與X軸間夾角αmin是23°,F處于左極限點,與窗框中點正好重合。將已知構件長度和邊界條件代入運動模型,利用MATLAB對其進行分析計算,F點的運動軌跡如圖4所示。

圖4 F點的軌跡曲線

4 結語

基于連桿機構的一種用于窗戶連接翻轉的設計,是連桿機構在實際生活中的一種典型應用,原理非常簡單,但是這種機構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擦洗難度大的實際問題。此裝置結構簡單、成本低廉、適應性好,可以推廣到一系列的窗扇設計和改進中。

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