连杆式智能折叠窗结构设计*

张越龙，帅玉妹，王培元，刘 傲，石 虎，王林虎

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

传统的家居很少涉及智能领域，近年来随着科技向生活的不断渗透，智能家居的概念从最开始的新兴概念，已经变成了人们所能接受的一种思想，让生活更加方便和快捷[1]。从窗户的定义出发，传统的窗户属于建筑部件的一种，通过将窗户智能化使其深入人们的生活，从本质上改变窗户的定义，使窗户成为全屋智能化的一部分。从设计层面出发，传统窗户到智能窗户，需要的是将传统和智能结合、应用，并且改变人们的传统生活方式[2]。传统的窗户在隔音、隔温保热、防潮，尤其是智能控制方面有着不同程度的欠缺。因此本文设计的连杆式智能折叠窗作为智能家居的一部分，在可预见的未来发展趋势中必将占有一席之地。市场上形形色色的智能开关窗都或多或少存在一些问题，如使用时产生的噪音，智能部分的使用寿命以及控制性等。为了解决这些问题，本设计提供一种相对完善的智能化折叠窗解决方案，在传统的基础上进行优化，并且融入智能的概念，多方面改进现有窗户存在的不足，使得这款智能折叠窗相较于传统窗户乃至在智能家居领域都足够亮眼[3]，且具有足够的市场竞争力和继续发展的创新潜力。

1 连杆式智能折叠窗工作原理

连杆式智能折叠窗的工作原理：由电机驱动连杆带动机构实现折叠窗的开合，适用于居室、公共场所，如大型商场、写字楼和公共厕所等。机械工作过程整体为曲柄滑块机构，电机驱动杆1运动，从而带动杆2运动，杆2的末端与滑块铰接，使滑块在窗框内做滑动运动。在窗户1和窗户2的中间与窗框连接部分添加一个滑块虚约束，以此增加机构稳定性（见图1）。连杆和窗户间用自攻螺钉固定，轴肩螺钉铰接，通过此机构使窗户能够实现同时运动折叠与展开。因为该机构是由电机驱动，所以窗户开合操作简单，并且关闭严实[4-5]。

图1 连杆式智能折叠窗三维模型图

2 连杆式智能折叠窗用途分析

连杆式智能折叠窗利用简单的连杆机构实现窗户的开合，同时利用转动连接替代传统合页连接，因此拥有更好的密封性。本产品的主要目标在于较好地解决了风雨天气忘记关窗和关窗繁琐等问题。由于其材料常见，简单易制作，成本低，且支持多种智能控制，可以通过手机APP连接Wi-Fi模块，达到远程控制窗户的开关。这些优势具有较高的实用价值，能够使产品迎合广大消费者的需求。该产品主要应用于广大的居民家庭市场，其次是学校、商场、仓库、厂房等各种大型建筑的市场[6]。

3 连杆式智能折叠窗结构设计

3.1 整体结构设计

图1为连杆式智能折叠窗三维模型图。连杆式智能折叠窗结构设计部分由连杆机构、滑动部分、连接部分、传动部分组成。如图1所示，传动部分是由电机向杆1传输力矩，带动连杆部分运动，连杆部分是连杆和窗户组成的曲柄滑块机构，滑动部分是窗户的上下端与窗框之间的相对滑动，连接部分是窗户之间的螺栓连接[4-5]。

3.2 连杆机构设计

图2为连杆机构简图。

图2 连杆机构简图

自由度计算[4]：6为虚约束。

F=1，因此运动确定。

图2中，尺度综合：L1=500 mm，L2=500 mm，L3=250 mm，L4=250 mm。此连杆机构是一个曲柄滑块机构，其中滑块6为虚约束，在滑动过程中起到稳定的作用。杆1为曲柄，由电机驱动，电机顺时针转动为关窗，逆时针转动即可开窗。为了使连杆可以完全收入窗框内，杆1和杆2连接处做了圆弧形设计，避免发生与内部滑柱相互碰撞的情况。此外考虑到重量问题，连杆的材料选用硬质铝合金，不仅有足够的强度，还能很大程度上减轻重量。因为是控制器控制的电机，所以开窗的速度和角度都可设置，角度为0°～60°，速度推荐约为10 s。图3为三维模型俯视图。

图3 三维模型俯视图

3.3 滑动部分设计

滑动部分是窗户在打开和关闭时，下部滑块在滑道上滑动。为了减小接触面积，滑轨做了凸起设计，突出与相邻平面的接触部分，起到减小摩擦、增大传动效率的作用，见图4。滑轨材料采用40Cr合金钢，能拥有足够的硬度和使用寿命[4-5]。

图4 滑道

3.4 连接部分设计

窗户与窗户间是由滑块的销轴部分连接的，连片与窗户用螺丝固定，滑块的销轴部分穿过连片，插入窗户的钢套内，钢套可以很大程度上减小摩擦力，并且拥有足够的刚度。连接处还放有平垫圈，能减小相互之间的摩擦，延长使用寿命。两扇窗户中间的连接非常紧密，不会出现漏水和漏风的情况，见图5。

图5 窗户接触连接部分

3.5 传动部分设计

图6为杆1和杆2受力简图。

图6 杆1和杆2受力简图

电机选择：最小传动角(γmin=30°)时，选择主体构件（1，2，5）分析[7-8]。由于θ1=30°，因此有

根据运动分析[7-8]，运动接近匀速，取a=0。

因此，杆1所需最小转矩为5 N·m。选择保持力矩为M=8 N·m的步进电机。

电机通过螺栓紧紧固定在窗框上，稳定性非常可靠（见图7）。电机与杆1之间使用键连接，高效地实现了动能的转化。电机选择步进电机，相对普通电机来说，其可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。步进电机配合驱动器使用，多数驱动器都支持细分功能，即实现很小的步进角，控制更精确[4-5]。

图7 电机与杆1键连接

4 连杆式智能折叠窗理论计算

图8为窗户受力分析图。

图8 窗户受力分析图

由于传动角是受力方向与运动方向夹角的余角，因此γmin=30°，γmax=90°。当原动件的角速度ω1=1 r/min，获得最小传动角时（γmin=30°），选择窗体进行分析[3-4]。

由于θ1=θ2=30°，塑钢（窗户框架）密度为1．53×103kg/m3，玻璃（实心玻璃）密度为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，因此每扇窗户质量m＜4 kg。

解得：FA=10 N，FBx=10 N，FBz=40 N。

由于F1=F2=F2'=FA=10 N，因此有

因此，窗框在窗户静止时两滑动接触处（x-z铅垂面）的上方最大拉力为17．32 N。

5 结束语

“门窗不仅仅只是一扇窗，在未来还应该承载更多的功能。”张彬表示，智能门窗可以变成一幅巨大的画册，每天呈现不同的图案，或可以感知外界的天气，给予人们户外着装的指导。他认为，随着科技的不断发展，智能门窗也将极大地改变人们的生活，就如同手机一样，而这只是时间的问题。作为连杆式智能折叠窗的创新者，笔者认为对于窗户的使用不应该被局限于传统的思维，只有不断地与当下科技结合，才能顺应时代的发展，设计出更加具有现代化气息的产品，让使用者感受到来自产品的科技感[9]。