淺析節(jié)能提升推拉門五金系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型

樸永日 黃鋒

【摘要】本文通過分析提升推拉門五金系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對傳動原理、提升機構(gòu)、手柄啟閉力等做了分析，希望能提升行業(yè)中良莠不齊的配件水平，更好地為用戶服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】提升推拉門五金系統(tǒng)；傳動機構(gòu)；提升機構(gòu)；手柄啟閉力

1.前言

提升推拉門五金系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鋁合金、塑料和實木等不同的型材門上，本文以鋁合金提升推拉門為例展開闡述。提升推拉門五金系統(tǒng)是由提升機構(gòu)、傳動機構(gòu)、鎖閉部件等組成的，可以使門具有升降、推拉、鎖閉等功能的五金系統(tǒng)。隨著生活水平的提高，人們家里的陽臺門、陽光門、隔斷門等對提升推拉門應(yīng)用不斷增多，對提升推拉門的功能和性能要求也日益提高，如開啟扇大尺寸、大重量和操作輕便、靈活等，提升推拉門關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)是提升機構(gòu)和鎖閉部件，下面對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析。

2.技術(shù)分析

2.1傳動部分

2.1.1系統(tǒng)傳動機構(gòu)選擇

門扇的提升與下降功能是通過給執(zhí)手施加扭矩，驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，帶動傳動桿，輪組座沿著輪組提升機構(gòu)方向運動，實現(xiàn)門扇的提升與下降功能。

三種提升推拉型材門的型材配合槽口如圖1，由圖可知鋁合金提升推拉門搭接為8mm，所以將輪組提升機構(gòu)提升的高度設(shè)計為8mm。

系統(tǒng)傳動可選擇連桿傳動機構(gòu)，連桿機構(gòu)構(gòu)件間用轉(zhuǎn)動低副連接，傳動可靠，承載力大，耐磨性能好。連桿機構(gòu)能實現(xiàn)多種運動形式的變換和多種運動規(guī)律的輸出，構(gòu)件中的運動副元素多為圓柱或平面，加工方便，精度容易保證。圖2為系統(tǒng)傳動原理圖，圖3為輪組提升機構(gòu)原理圖。

按圖3所示分析，機構(gòu)提升8mm，在水平方向傳動距離L為未知，θ角越大，整個門扇下降越快，執(zhí)手的反應(yīng)是快速反彈，很容易造成執(zhí)手傷人；當(dāng)θ角過小，可能整個門扇無法下降，需要用力旋轉(zhuǎn)執(zhí)手，才能完成機構(gòu)下降功能。

2.1.2機構(gòu)下降時，輪組提升機構(gòu)的力學(xué)分析

機構(gòu)下降時，輪組提升機構(gòu)力學(xué)模型如圖4。

F為水平方向的驅(qū)動力，f為摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，ψ為摩擦角。

假設(shè)下降階段為勻速，根據(jù)力的平衡方程得：

當(dāng)時，F(xiàn)=0 ，這時機構(gòu)產(chǎn)生自鎖，無論F力多大，不能驅(qū)動門扇下降。

機構(gòu)下降必須滿足的條件：。

2.1.3機構(gòu)提升時，輪組提升機構(gòu)的力學(xué)分析

當(dāng)機構(gòu)提升時，輪組提升機構(gòu)的力學(xué)模型如圖5。

F為水平方向的驅(qū)動力，f為摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，ψ為摩擦角。

假設(shè)提升階段為勻速，根據(jù)力的平衡方程得：

由上式可知：ψ由兩接觸物體的材質(zhì)決定，為常量；θ角度不能太大，θ角度越大，F(xiàn)就越大，從而導(dǎo)致執(zhí)手操作的力增大，機構(gòu)在下降過程中也會加快；如果在300kg的質(zhì)量門扇作用下會產(chǎn)生很大的動量，易造成零件的損壞，體現(xiàn)執(zhí)手上是快速反彈，容易造成執(zhí)手傷人。

綜上述（4）（8）可得結(jié)論：θ>ψ， 且θ接近于ψ。

2.1.4輪組提升機構(gòu)傾斜角度θ和水平傳動距離 L 的計算

因，μ為不銹鋼304和鋅合金YX041的摩擦系數(shù)，ψ為摩擦角。

查機械設(shè)計手冊可得：

θ>ψ， 且θ接近于ψ。

根據(jù)圖3的三角形關(guān)系，可求出輪組水平傳動距離 L

由上式可知，θ越大，L越小。

2.1.5提升驅(qū)動力F的計算

由上述可知，機構(gòu)提升時的驅(qū)動力大于機構(gòu)下降時的驅(qū)動力，以機構(gòu)提升驅(qū)動力F為研究：

由上式可知，θ越大，提升驅(qū)動力F越大。

執(zhí)手施加扭矩驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，使滑塊產(chǎn)生提升驅(qū)動力F，滑塊將F傳遞給傳動桿，F(xiàn)通過轉(zhuǎn)角連接傳遞到提升機構(gòu)；曲柄滑塊機構(gòu)豎直方向的移動距離L等于輪組水平傳動距離?？紤]到鎖盒的長度、高度尺寸不宜太大，這里取L=29.8mm，即取θ=15°。

2.1.6方孔中心到曲柄滑塊運動軌跡間的距離h，即曲柄力臂的計算

按JG/T 308-2011建筑門用提升推拉五金系統(tǒng)第5.4.1規(guī)定：提升推拉五金系統(tǒng)初始執(zhí)手操作力不應(yīng)大于100N。執(zhí)手的操作力要求垂直手柄中心線，距離執(zhí)手旋轉(zhuǎn)中心230mm處施加100N，如圖6。

h為方孔中心到滑塊運動軌跡間的距離，由上式可知，θ越大，h越小?？紤]到鎖盒的長度、高度尺寸的合理性及與型材的配合，這里取L=29.8mm，即取θ=15°，執(zhí)手旋轉(zhuǎn)180°；這里分析對五金件承重要求苛刻的情況，假設(shè)門扇質(zhì)量m=300kg，g=10m/s2，G=mg=300×

10=3000N。得力臂h<15.5mm。

可用圖解法設(shè)計出曲柄滑塊機構(gòu)原理圖，校核h值，見圖7。

可以求出h=14.2m，小于15.5mm，

符合要求。如果θ取其他符合要求的角度，也可以用上述方法進行計算和校核。

當(dāng)執(zhí)手旋轉(zhuǎn)180°，門扇被提升后、系統(tǒng)只受門的重力作用時，力傳遞作用在滑塊上，圖中曲柄和連桿處于同一直線，滑塊無法啟動曲柄滑塊機構(gòu)，起到機構(gòu)自鎖作用，門扇不會自動下降，只有通過執(zhí)手才能開啟。

2.1.7 執(zhí)手手柄長度最小值的計算

門扇提升時需要的開啟力矩等于M阻

M阻=F·h=1483×14.2

=21058.6N·mm

M阻小于許用最大力矩M驅(qū)=23000N·mm，符合要求。

要實現(xiàn)機構(gòu)的提升，需克服M阻，可求出手柄長度最小值，設(shè)手柄長度最小值為L' 。

L' 為手心作用力的位置，根據(jù)人操作執(zhí)手的習(xí)慣，手柄末端的實際長度應(yīng)比L' 更長，通常取加長20mm才能符合要求。

以上具體的數(shù)值計算和分析為門扇質(zhì)量300kg對五金件承重要求苛刻的情況。按標(biāo)準JG/T 308-2011 5.4.1條款：單個活動扇質(zhì)量不大于200kg時，系統(tǒng)初始操作力不應(yīng)大于100N；單扇活動扇質(zhì)量大于200kg，供需雙方商定。門扇質(zhì)量200kg相關(guān)數(shù)值的計算和分析與上述方法一樣，在這就不再累贅。

2.2零件強度計算和材質(zhì)選用

2.2.1機構(gòu)提升時輪軸的受力計算及材料的選取

圖8為輪子受力分析示意圖，兩組輪組，四個輪子承受300kg質(zhì)量的重力。

輪軸主要受純剪力作用。設(shè)單個輪軸受到的支撐力為F支，S為輪軸的橫截面面積。

F支=G/4=3000/4=750N

輪軸受到的剪切應(yīng)力：τ=F支/S

304材料的屈服強度σ=205MPa，304材料為具有塑性特性的材料，安全系數(shù)取n =2.0。

304材料許用應(yīng)力：

[τ]=205/2=102.5 MPa

切剪應(yīng)力：τ < [τ]

S > F支/[τ]

S > 750/102.5

S > 7.3mm2

S=πr2，得出r>1.52 mm，通常結(jié)合制造工藝和裝配工藝，用作輪軸的鉚釘?shù)闹睆綍「蟮闹怠?/p>

2.2.2機構(gòu)提升時轉(zhuǎn)角塊處各受力連接軸的受力計算及材料的選取

304材料的屈服強度σ=205MPa，304材料為具有塑性特性的材料，安全系數(shù)取n=2.0；304材料許用應(yīng)力：[τ]=205/2=102.5MPa

S > F/[τ]

S > 1483/102.5

S > 14.5mm2

r > 2.1mm

結(jié)合制造工藝和裝配工藝，可以算出各受力軸的設(shè)計尺寸。

圖9為機構(gòu)提升狀態(tài)示意圖。

2.2.3前輪組固定板的強度計算

兩滑輪之間為可抽象為兩端固定的梁，力學(xué)模型如圖10。

梁的最大彎曲應(yīng)力 ：

WX為前輪組固定板對X軸的抗彎截面系數(shù)（按最窄處19.5mm計算），見圖11。

截面對X軸的抗彎截面系數(shù)：取a=2.5mm，b=19.5mm

304材料的屈服強度σ=205MPa，304材料為有塑性特性的材料，安全系數(shù)取n=2.0；304材料許用應(yīng)力：[τ]=205/2=102.5MPa ；材料選擇不銹鋼304符合要求，尺寸設(shè)計符合要求。

2.2.4轉(zhuǎn)角連接處零件“轉(zhuǎn)角塊”的強度計算及材料的選用

應(yīng)用可同時解決線性和非線性復(fù)雜問題的工程模擬有限元分析軟件ABAQUS進行力學(xué)分析：在門扇300kg質(zhì)量的重力作用下，機構(gòu)提升時所需驅(qū)動力F=1483N，應(yīng)力分析結(jié)果如圖12。

由圖可知零件最大的應(yīng)力為150MPa～168MPa ，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的加工工藝可采用精鑄工藝，材料選用不銹鋼ZG1Cr13。

材料力學(xué)性能：σs= 350 MPa，σb= 550 MPa，材料為塑性材料，安全系數(shù)取 n=2.0，許用應(yīng)力[τ]=350/2=175 MPa，能滿足機構(gòu)力學(xué)性能。

不銹鋼ZG1Cr13耐大氣腐蝕好，力學(xué)性能較好，可用于制作承受沖擊負荷且韌性較高的零件。

2.2.5曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄零件轉(zhuǎn)動器的強度計算和材料選用

同樣應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS進行力學(xué)分析，在門扇300kg質(zhì)量作用下，機構(gòu)提升時所需力矩M=23N·m時，分析結(jié)果如圖13。

由圖可知零件最大的應(yīng)力為145MPa～164MPa ，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的加工工藝可采用精鑄工藝，材料選用不銹鋼ZG1Cr13。

材料力學(xué)性能：σs=350MPa，σb=550 MPa，材料為塑性材料，安全系數(shù)n=2.0，許用應(yīng)力[τ]=350/2=175MPa，能滿足機構(gòu)強度的要求。

ZG1Cr13耐大氣腐蝕好，力學(xué)性能較好，可用于制作承受沖擊負荷且韌性較高的零件。

2.2.6塑料輪材料的選擇和尺寸設(shè)計

接觸應(yīng)力是指兩個接觸物體相互擠壓時在接觸區(qū)及其附近產(chǎn)生的應(yīng)力。因輪子與軌道間實際不是面接觸，所以輪子與軌道的運動副為高副，如果輪子的材料選擇和尺寸設(shè)計不當(dāng)，會在接觸表面的局部區(qū)域產(chǎn)生剝落，形成麻點或凹坑，使運轉(zhuǎn)噪聲增大，振動加劇，溫度升高，磨損加快，最后導(dǎo)致零件失效。

圖14為某款塑料輪設(shè)計參數(shù)，查機械設(shè)計手冊可得相關(guān)參數(shù)：

A/B = 0.01/0.39 =0.0256，在機械設(shè)計手冊中查出系數(shù)n3=0.6104；

v1、v2 為材料的泊松比，E1、E2為材料彈性模量；

塑料輪材料為POM：v1= 0.38 ，E1=2600 MPa；

型材材料為6063-T5：v2=0.32 ，E2=68000 MPa。

最大接觸應(yīng)力：

查相關(guān)資料可知：POM 抗拉強度σb=62 MPa，取安全系數(shù)n=2。

許用應(yīng)力：

[τ]=σb /2=62/2=31 MPa

綜上：接觸應(yīng)力24.9 MPa小于POM許用的應(yīng)力31MPa，材料和尺寸設(shè)計符合要求。

3.在實際工作中的應(yīng)用

提升推拉五金系統(tǒng)在建筑當(dāng)中優(yōu)點較多，各種型材，如鋁合金型材、塑料型材、實木型材所要求的槽口尺寸基本一致，槽口形式基本就是槽口大、小兩種，配件比較通用。使用上，由于采用了膠條密封，所以比傳統(tǒng)普通推拉門物理性能要好的多；并且避免了傳統(tǒng)的普通推拉門晃動較大的問題。與推拉折疊門相比，雖然通過空間相對推拉折疊門較小，但比較穩(wěn)定，安裝之后的效果及壽命更好。

行業(yè)中，目前提升推拉門五金系統(tǒng)生產(chǎn)廠家比較多，但由于技術(shù)設(shè)計和制作工藝的問題，良莠不齊，問題較多。

通過本文的上述分析，我們已經(jīng)比較清楚地了解了提升推拉門五金系統(tǒng)設(shè)計中的理論分析和結(jié)構(gòu)分析的方法，那么今后在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該對結(jié)構(gòu)進行詳細分析，得出最合理的方案。

行業(yè)內(nèi)不少廠家只是拿相似的配件進行逆向設(shè)計，不去深入考慮其應(yīng)用方面的問題，結(jié)果設(shè)計制作后問題多多，造成很多不良影響。

4.結(jié)論

實踐證明，本文理論計算和力學(xué)分析得出的結(jié)果，符合產(chǎn)品實際情況。對提升推拉門五金系統(tǒng)的設(shè)計和選型時，可參考本文的方法，先對相關(guān)零部件建立正確的力學(xué)模型，畫出機構(gòu)原理圖，對規(guī)則的零部件，用傳統(tǒng)理論公式進行力學(xué)計算；對不規(guī)則、特征參數(shù)變化的零部件，用權(quán)威的有限元軟件進行仿真。此方法幾乎適用于所有機械機構(gòu)的設(shè)計。

通過對提升推拉五金系統(tǒng)的提升原理、結(jié)構(gòu)分析、強度分析，我們對提升推拉門五金系統(tǒng)中的技術(shù)理論分析有了初步的印象。相信大家對提升推拉五金系統(tǒng)的設(shè)計理念有更深層次的了解。為了保證設(shè)計產(chǎn)品的嚴謹性、可靠性，技術(shù)人員必須具備較高的綜合開發(fā)能力，我們不但會對產(chǎn)品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行技術(shù)選型、理論公式計算，還需會使用有限元力學(xué)分析軟件進行仿真。當(dāng)今客戶個性訂做五金系統(tǒng)的需求日益增多、開發(fā)周期越來越短、質(zhì)量要求越來越高的行業(yè)大趨勢下，對產(chǎn)品的承重、功能、性能要求勢必日益苛刻。這對設(shè)計人員的專業(yè)技術(shù)水平要求越來越高。通過本文的分析，希望提高五金系統(tǒng)的整體制作水平和行業(yè)的整體設(shè)計水平。

參考文獻

[1] 《大學(xué)物理》 高等教育出版社

[2] 《理論力學(xué)》 高等教育出版社

[3] 《材料力學(xué)》 高等教育出版社

[4] 《機械設(shè)計手冊》 機械工業(yè)出版社

（作者單位：廣東合和建筑五金制品有限公司）

【中圖分類號】TU532.65

【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2018）10-0041-05