鋁合金平開門用液壓鉸鏈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/林文維

1.前言

隨著人們生活品質(zhì)的提高，人們對門窗功能也提出更高的要求。從最初的采光通風(fēng)功能到現(xiàn)在的內(nèi)平開下懸、平開限位、電動(dòng)開啟窗等?，F(xiàn)代建筑逐步向智能化管理發(fā)展，閉門器的發(fā)明更是成為現(xiàn)代建筑智能化管理的一個(gè)不可忽視的執(zhí)行部分。它的設(shè)計(jì)核心思想在于實(shí)現(xiàn)對關(guān)門過程的控制，使關(guān)門的各種功能能夠按照人的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。閉門器的意義不僅在于將門自動(dòng)關(guān)閉，還能保護(hù)門框和門扇（平穩(wěn)關(guān)閉）。目前在鋁合金門窗市場上平開門想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉功能都要安裝液壓閉門器，但是閉門器是安裝在門扇的上方，從外觀上看是整體凸出、刺眼且破壞了門扇的整體美。由此引發(fā)了思考，設(shè)計(jì)一款具有閉門器功能的鋁合金平開門鉸鏈，使得平開門鉸鏈與閉門器的功能集成，既節(jié)省了成本又縮短了安裝工時(shí)。并且省了外裝閉門器使門的整體更加簡潔美觀。

表1

圖1 液壓鉸鏈零件名稱

2.設(shè)計(jì)說明

2.1 在設(shè)計(jì)之初對普通平開門鉸鏈+閉門器和液壓鉸鏈進(jìn)行了比較（見表1）。

由此可見液壓鉸鏈整體優(yōu)勢高于普通門鉸鏈與傳統(tǒng)閉門器的組合。

圖2 平開門型材圖

圖3 鉸鏈安裝示意

2.2 液壓鉸鏈的工作原理

2.2.1 開門時(shí)內(nèi)部活塞下移，閉門時(shí)活塞上升，通過液壓油回流速度調(diào)節(jié)，達(dá)到閉門速度的調(diào)節(jié)。

2.2.2 開門時(shí)，扭簧加力，閉門時(shí)釋放扭力，達(dá)到閉門動(dòng)力。

2.2.3 當(dāng)門扇開啟角度大于90°時(shí)可在設(shè)定位置保持靜止?fàn)顟B(tài)即駐持功能。

2.3 結(jié)構(gòu)與功能尺寸分析

液壓鉸鏈的結(jié)構(gòu)與功能尺寸主要是各零件之間的配合尺寸和鉸鏈與門框、扇型材的配合尺寸。此鉸鏈適用的型材必須為歐標(biāo)C20槽口，其重要尺寸為扇槽底寬20mm，扇槽口寬15±0.2mm，扇槽深3mm，扇槽高4.5mm，五金件活動(dòng)空間11.5mm（圖2）。

2.3.1 鉸鏈與框扇連接的結(jié)構(gòu)

鋁合金窗是一種薄壁型材，一般壁厚≤2mm，且鋁合金的材質(zhì)硬度要比鋼制螺釘?shù)?相差3倍)，所以鋁合金窗合頁一般不采用直接螺紋連接式安裝。夾持式(C槽型)安裝采用無自攻螺釘?shù)陌惭b方式。壓板采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼304材質(zhì)沖壓成型，獨(dú)特的邊緣毛刺型設(shè)計(jì)，確保與型材的抓合力更強(qiáng)(圖3)，框、扇壓板均采用預(yù)裝式即在框、扇組角前將壓板放入槽口中。

2.3.2 鉸鏈液壓緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞連接套筒采用雙S凸輪設(shè)計(jì)，保證磨損最小，動(dòng)力最大。門扇開啟過程中帶動(dòng)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞沿雙S滑軌運(yùn)動(dòng)（圖4），通過液壓油回流實(shí)現(xiàn)關(guān)閉時(shí)的緩沖效果。并且通過調(diào)節(jié)調(diào)速螺釘可以對門關(guān)閉的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。精密的活塞液壓運(yùn)動(dòng)能有效的吸收沖擊，保證關(guān)門更輕柔、更安全。當(dāng)某種外力（如強(qiáng)風(fēng)）突然施加于門時(shí)，鉸鏈能瞬間啟動(dòng)緩沖功能。

圖4 活塞推進(jìn)過程

門扇在啟閉過程中，活塞的運(yùn)動(dòng)方向(見圖5)，在門扇開啟時(shí)，活塞位置下移，液壓油通過單向節(jié)流孔進(jìn)入到活塞內(nèi)腔。在門扇關(guān)閉時(shí)，因?yàn)閴簭?qiáng)作用，節(jié)流孔內(nèi)的鋼珠堵住油孔使液壓油只能通過活塞中間Φ2通孔的環(huán)形縫隙進(jìn)入到液壓缸中，通過調(diào)速螺釘頭部的調(diào)節(jié)桿伸入長度控制流量（見圖6）。根據(jù)液壓環(huán)形縫隙流公式:

僅以努爾哈赤的童年經(jīng)歷為例，據(jù)史料記載，努爾哈赤出生在一個(gè)沒落的奴隸主家庭，但他的童年生活并不幸福。他十歲喪母，繼母納喇氏時(shí)常虐待他和三個(gè)弟妹。為謀生計(jì)，努爾哈赤自少年時(shí)代起，就時(shí)常上山打獵、挖人參、采松子，拿到撫順馬市上交易，維持生活，補(bǔ)貼家用。從努爾哈赤娶妻生子年代及相關(guān)歷史記載分析，努爾哈赤在12歲至18歲之間離家在外，獨(dú)自闖蕩。關(guān)于努爾哈赤在外闖蕩的這段經(jīng)歷，史料中并沒有明確記錄。這段經(jīng)歷不僅對努爾哈赤日后勇武堅(jiān)韌的品格、精明能干的頭腦以及統(tǒng)一部落的偉業(yè)產(chǎn)生直接而重要的影響，同時(shí)還給民間口承敘事留下了巨大的講述可能和講述空間。

圖5 活塞運(yùn)動(dòng)方向

圖6 閉門速度調(diào)節(jié)

圖7 環(huán)形縫隙流模型

由公式（1）可知，流量Q與環(huán)形縫隙量δ成正比關(guān)系。調(diào)節(jié)桿的桿件采取倒錐形設(shè)計(jì)，當(dāng)調(diào)節(jié)桿下移時(shí)環(huán)形縫隙量δ減小則流量Q減小，反之則流量Q增大（見圖7）。

圖8 駐持功能結(jié)構(gòu)

同時(shí)根據(jù)流量的定義公式：

由公式(2)得出當(dāng)體積V一定時(shí)，時(shí)間t與流量Q成反比關(guān)系即流量Q越大所需時(shí)間t越小。

2.3.3 自動(dòng)閉門及駐持功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度的扭簧保證了輸出足夠的扭轉(zhuǎn)力使鉸鏈可以自動(dòng)回位。在活塞連接套筒內(nèi)設(shè)有圓柱銷，當(dāng)圓柱銷處于連接套筒與定位座時(shí)，扭簧處于啟用狀態(tài)。當(dāng)圓柱銷處于連接定位座與導(dǎo)向桿時(shí)，扭簧處于失效或駐持狀態(tài)（見圖8）。

a、扭簧扭力計(jì)算：扭轉(zhuǎn)彈簧鋼絲主要承受彎曲應(yīng)力，矩形截面鋼絲比圓截面鋼絲彎曲剛度大，因此矩形截面扭轉(zhuǎn)彈簧儲(chǔ)能高可以輸出強(qiáng)力扭矩。矩形截面扭簧工作扭矩公式：

設(shè)定參數(shù)：材料為65Mn，彈性模量E=196 GPa，線寬b=2.4mm，線厚度t=3.5mm，門扇最大開啟180°狀態(tài)時(shí)扭簧扭轉(zhuǎn)角度α=360°，有效圈數(shù)n=17.5，中心直徑D=15.3。

圖9 液壓鉸鏈外形尺寸

由公式（3）可得出：

b、導(dǎo)向桿的強(qiáng)度核算：對于等截面圓軸，其最大切應(yīng)力tmax發(fā)生在Tmax所在截面的邊緣上。因而強(qiáng)度條件的公式：

因?yàn)榕ちκ怯膳せ蓚鬟f到導(dǎo)向桿，所以導(dǎo)向桿最大扭矩 Tmax= 1 2554N×m m ，導(dǎo)向桿直徑D=8.5mm，材料為45#碳素鋼，其sb=600MPa

由公式（4）可得出：

導(dǎo)向桿的許用切應(yīng)力

[t]? sb/ 5 = 1 20MPa 3tmax， 因此導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全可靠的。

2.4 液壓鉸鏈的安裝、使用和調(diào)節(jié)

鉸鏈的安裝與普通平開門鉸鏈安裝類似，直接用螺釘將合頁與預(yù)裝的壓板連接。此鉸鏈分左右，安裝時(shí)需分清左右方向。鉸鏈安裝位置距離門的頂端下，底端上200mm的位置為宜（見圖9鉸鏈外形尺寸）。為方便安裝，在扇活頁位置設(shè)有內(nèi)六角緊定螺釘，它的作用就是起到扭簧的離合功能。在拆卸這只螺釘前合頁的扭簧功能處于失效狀態(tài)，框扇活頁可以隨便轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝時(shí)需注意尾部帶調(diào)節(jié)螺釘及調(diào)節(jié)標(biāo)識的一端為框活頁必須裝在下方。裝好后試開門扇確保無阻礙和噪音，然后將門開到90°-180°范圍內(nèi)，用內(nèi)六角扳手將內(nèi)六角緊定螺釘拆下。當(dāng)門扇完成一次關(guān)閉過程時(shí)扭簧閉門器功能即可開啟。最后通過調(diào)節(jié)調(diào)速螺栓可控制門扇關(guān)閉所需時(shí)間。

3.結(jié)論

液壓鉸鏈巧妙的結(jié)合了普通門鉸鏈與閉門器的功能，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、造型美觀、安裝便利，在一定程度上節(jié)省了成本。同時(shí)因?yàn)檫@種鉸鏈在鋁合金門合頁中是個(gè)新型產(chǎn)品，它既不能適用JG/T125-2007《建筑門窗五金件 合頁（鉸鏈）》，也不能適用QB/T2698-2005《閉門器》的檢測標(biāo)準(zhǔn)，所以在產(chǎn)品檢測上面還處于一個(gè)空白。為了更好的推廣這款新型的液壓鉸鏈，希望能得到同行及協(xié)會(huì)的支持，完善或起草相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，共同促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

[1]《材料力學(xué)》.科學(xué)出版社；

[2]JG/T125-2007.《建筑門窗五金件合頁（鉸鏈）》

[3]QB/T2698-2005.《閉門器》

[4]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第五版.化學(xué)工業(yè)出版社