基于连杆滑块机构的新型半自动柜门开关设计

曹启武，徐建新，徐 菲

(中国民航大学航空工程学院 天津 300300)

0 引 言

日常生活中，柜门开关大多是带有把手的，长期使用把手容易出现折断、清洗难等问题。目前应用在厨卫设备上的磁碰开关装置需要安装永磁体，而永磁体易退磁，增加了开关的成本且影响可靠性。当柜门处于长时间关闭的状态下，门上的铁块会被磁化，不能实现自动开门；加之其自身结构的问题，永磁体只能用于玻璃门，不适用于木制柜门。如果设计一种无需把手、轻磕柜门就能实现柜门开关动作的半自动开关，对于普通家庭来说，不仅可以免除老式柜门把手的清洗、替换工作，使用起来还更加方便舒适和人性化；对于餐饮业而言，还可以降低厨房内的劳动强度，提高工作效率。针对这一设想，本文提出了一种基于连杆滑块机构的新型柜门开关系统。

1 机构设计工作原理

1.1 设计条件分析

该机构通过柜门闭合发生位移产生的驱动力触发机构传动，实现柜门的锁扣与解锁两个状态(即柜门的开、闭)。机构的原动件适合选择在门的开口一侧，从而能够获得较强的驱动力和稳定性。

1.2 传动方案和工作原理

半自动柜门开关的结构原理如图 1所示。柜门的开关动作均依靠推动柜门来实现。锁扣 2和柔性顶针 3固定在门 12的内表面处并与其垂直。关门时，推进柜门，柔性顶针3接触并推动传动滑块4运动，与两传动滑块固结的连杆 7推动定位滑块 6运动，使其与锁扣滑块 1分离，锁扣与锁扣滑块相结合，完成关门动作，同时，柔性顶针停在靠近传动滑块 5处；开门时，推进柜门，柔性顶针接触并推动传动滑块5运动，与两传动滑块固结的连杆推动定位滑块 6运动，使其与锁扣滑块结合，锁扣与锁扣滑块分离，而定位滑块运动至限位点处，固定在柜底面的压簧将门向外弹开，完成开门动作。如果将柜门及其上触碰构件视为原动件，则柜内实现锁扣动作的构件称为从动件。

图1 结构原理示意图Fig.1 Schematic diagram of structure principle

该半自动化橱柜通过 1个连杆和 3个滑块相连组成了一个中间传动机构。实现柜门开闭两种状态的传动，工作原理如下：

①柜门的闭合。关闭柜门，柔性顶针[1]被压缩而发生弹性形变，为恢复形变，使右滑块沿导轨方向移动；而与右滑块铰接的连杆发生偏转，带动纵向定位滑块向下移动退出限位槽，受压的弹簧8将锁扣滑块右移卡入锁扣，最终柜门被紧锁。②柜门的打开。再次碰触柜门，顶针接触右滑块，使其沿导轨方向移动，类似于闭合时的中间传动，定位滑块逆向移动卡入限位点，使锁扣滑块左移脱离锁扣，门在弹簧 9的作用下弹开。

2 机构自由度分析

机构各构件近似于平面运动，故着重讨论平面机构的自由度。根据文献[2]中公式，可知机构自由度：式中：n——平面机构中活动构件的个数；Lp——平面机构中低副个数；Hp——平面机构中高副个数。

利用上述公式，求解半自动化橱柜开关系统自由度；[3]由左传动滑块 4、右传动滑块 5、定位滑块 6和连杆 7组成的中间传动机构中，有 4个活动构件、5个低副(滑块 4、5、7与固定导轨组成 3个移动副和滑块4、5与连杆7组成的2个转动副)、1个低副(连杆7与滑块4上的柱销)，故中间机构的自由度为：

由此可知，该机构具有确定的运动条件和运动规律，可以满足平面运动条件。

3 机构运动学分析

3.1 机构运动分析中的矢量法

封闭的平面连杆机构可以分成若干个独立的矢量三角形回路，这种机构运动分析方法称为矢量法。[4,5]对于由3个矢量构成的闭合三角形，每个矢量均可由模和幅角表示，即每个矢量有 2个参数，则可知闭合三角形中共有6个参数；如果已知其中任意4个，求解其余2个参数，则有4种状态：

①已知 2个矢量的模及幅角，求第 3个矢量参数；②已知 3个矢量的模及其中 1个幅角，求另外2个矢量的幅角；③已知第 1矢量的参数，第 2矢量的模及第 3个矢量的幅角，求第 2矢量的幅角及第3矢量的模；④已知第 1矢量的模及 3个矢量的幅角，求另外2个矢量的模。

假设3个矢量参数为11,mϕ；22,mϕ；33,mϕ，

即可通过复矢量方程计算：

3.2 几何条件计算

如图 2所示，由滑块 1、2和连杆 4构成一个矢量三角形(设为初始单位向量)，则向量参数为(Δ是滑块1的位移变化量，Δ为微小量)。

图2 几何矢量三角形示意图Fig.2 Schematic diagram of geometric vector triangle

由复矢量方程求解：

3.3 速度分析

速度瞬心法：互作平面相对运动的两构件上瞬时速度相等的重合点，即是两构件的速度瞬心。

图3 速度求解示意图Fig.3 Schematic diagram of velocity solution

如图3所示，滑块1、2、3上的柱销所在点为1P、2P、3P，速度分别为1v、2v、3v。

v1、v2的垂线交于Q，Q点即为构件 1、2、4的瞬心。

v3是连杆 4在 P3点的速度，滑块 3的实际速度是 v在滑块3移动方向上的分量。3

同理，在机构运动过程任何位置，都能用瞬心法求解速度关系。

4 机构死点位置分析

作用在从动件上的驱动力F与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角α称为压力角。[6]当α=90°，对从动件的作用力或力矩等于零，连杆就不能驱动从动件运动。机构处于此时状态下的位置，将成为死点位置。

图4 机构局部示意图Fig.4 Schematic diagram of local part of the mechanism

为防止机构做平面运动时因死点位置导致机构运动受阻，对机构核心部件进行运动规律分析，得到以下几点措施：

① 滑块 5作为传动件，当连杆 7从水平位置倾斜至与滑块 5导轨方向同向时，此时传动角γ=0°(β=90°)，构件无法提供力矩使杆件4继续运动，则滑块 6不完全脱离限位点，锁扣不能解锁，最终机构失效。

② 同理，当滑块4作为传动件，连杆7与滑块5导轨同向时，杆件 6无法运动进入死点位置，则滑块 1停止移动。对于本机构，由于锁扣滑块上限位点的限制，杆件并不能移动到该状态下的死点位置，可以有效避免开门时的失效。

③ 上述分析是在理想状态条件下，而实际情况中，由于弹簧产生的驱动力不大，并受到各机构间的摩擦影响，连杆 7运动到接近导轨方向之前，由于力矩不够大，从而卡住提前进入死点。

④ 曲柄连杆机构出现死点是周期性的，这是由于曲柄做整周圆运动。[5]然而对于本机构，由于传动滑块每次移动的位移量较小，连杆在一个周期内的角位移也较小，因此不会进入死点。但是随着机构反复运作，连杆每次都会与先前位置产生一定微小偏差，当偏差逐渐累积，直至连杆接近导轨方向上时，死点更加容易出现，但这样的累积需要极长的时间。

按照以上分析，该机构可以避免出现因死点位置导致运动受阻的现象，从而保证机构运动顺畅。

5 机构静力学分析

机械运动过程中，构件受到两类力的作用，分别是驱动力和阻抗力，驱动力做正功。[6]对于运动副来说，运动副之间的反力对整个机械来说是内力，对于构件来说则是外力，而这些力对计算构件的强度、刚度、摩擦等动力性能都是极为重要的。

本机构是低速机构，因其惯性力较小可略去不计，所以对本机构进行静态分析。对于关门状态，弹簧压缩产生形变量，驱动力F产生，其作用在左滑块4上的分力，即连杆7受到1F的作用。

对连杆进行平衡分析，1P点受1F作用，2P点受两个约束力2xF 、2yF ，3P点受一个约束力3F。

由此，连杆上产生的力和力矩使得连杆做移动和转动。

对于其余状态下的受力分析都可以类似求解，最终算出各个结构所需承受的最大应力，从而校核强度，保证机构的正常协调运行。

6 机构动力学分析

机构加速度求解：设柱销 1、2、3的速度为 v1、v2、v3，加速度为α1、α2、α3；根据几何位移关系，任意位置时做出1v、2v的垂线交于Q点，此点即为该位置的瞬心，[7，8]通过实物操作模拟，得到瞬心的轨迹如图5所示：

图5 机构动力学求解示意图Fig.5 Schematic diagram of kinematics of mechanism

当 t = 0 s时，v1= v2= 0 ，假设滑块 1收到恒力F1，F1= ma1⇒ v1= a1t，即滑块 1作匀加速直线运动：

所以对于任意时刻t即可确定瞬心的位置Q，测量出此时1P、2P、3P与瞬心Q的距离1r、2r、3r，即：

对于柱销3P的运动，如图所示：

图6 加速度求解示意图Fig.6 Schematic diagram of acceleration solution

其绝对速度av可以分解为牵连速度ev和相对速度rv，ev就是3v，即：

在瞬时情况下，牵连运动可看作定轴转动，则由加速度合成定理可知：

7 仿真及样品制作

为了验证设计方案是可行的，用 ADAMS软件对模型进行仿真，得出了位移、速度、加速度和机构受力曲线(见图 7)。从仿真结果可知，在受力均匀时，机构开关装置的位移具有较好的轨迹；在0.031,5,s内，机构运动速度和加速度数值大小没有发生突变，进而确保该机构运动顺畅，并能完成各部件力的传递。

图7 运动仿真曲线Fig.7 Curve of motion simulation

制作了一套如图8所示的实物，通过对样品的操作表明，基于连杆滑块机构的新型半自动柜门开关达到预期设计要求，并具有良好的机械传动性和安全可靠性，各部件的运动协调性顺畅，进一步验证了该机构的设计方案是正确可行的。

图8 机构实物图Fig.8 Physical picture of Mechanism

8 结 语

本文提出并设计了一种基于连杆滑块机构的新型半自动柜门开关，采用全机械式机构，能承受较大冲击，工作稳定可靠。对该机构的自由度进行了分析，给出了防止机构工作出现死点情况的方法。利用复矢量法和速度瞬心法对该机构进行运动学和动力学分析，验证了机构设计的合理性。结合机构的低速运动受力情况，建立了该机构的静力学求解方程。按照设计方案进行了运动仿真，并制作了样品，对样品的操作表明，该机构设计方案可行。

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［3］ 丁希仑，徐坤. 机构“自由度”和“活动度”的新见解[EB/OL]. 中国科技论文. www.docin.com/P-392566469.html，2012.

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