塑钢型材结构对门窗五金设计的影响

孙继超 王式泉 陈博

【摘要】在系统门窗越来越被大家接受的今天，门窗的研发逐渐被门窗厂家重视。门窗的生产由以往的简单拼凑逐渐发展为各个元素的系统配合。作为门窗“灵魂”的五金，重要程度凸显，它与门窗的适配性直接影响到门窗的启闭功能和整体性能。本文主要讨论未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材结构对五金设计和安装的影响，论证在门窗五金研发过程中深入研究型材结构的必要性。

【关键词】塑钢；U槽；门窗五金；系统门窗；抗剪切力

塑钢门窗早在20世纪五十年代末已经在德国出现，我国从1983年才开始引进，在20世纪90年代末开始普及应用。因为单纯用聚氯乙烯（PVC）型材加工的门窗强度不够，通常在型腔内添加增强型钢（俗称钢衬）以增强门窗的强度，因此型材内部添加钢衬制作的塑料门窗通常被称为塑钢门窗。随着塑钢门窗的广泛使用，用于制作塑钢门窗的PVC型材习惯上被称作塑钢型材。

与铝合金型材不同，塑钢型材为了提升强度，除了使用根据型腔尺寸专门设计的增强型钢之外还会在腔体内部多个位置设计内筋，内筋的设计不仅提升了型材强度，甚至还会影响到五金的安装效果。另外，塑钢型材的材质特点决定了五金的安装不能像铝合金型材那样采用穿槽式，而是采用自攻钉螺接的方式，也正是因为如此，五金的设计应该考虑到安装时是否能与增强型钢有效连接，在没有增强型钢的部位也要尽可能与内筋连接以提升安装强度。因为自攻螺钉抗剪切能力相对较弱，五金设计时还应结合型材结构特点尽量减小五金使用过程中对自攻螺钉造成的剪切力。

下面我们就门窗五金在与塑钢型材适配过程中的一些常见问题分析探讨一下型材结构对门窗五金设计的影响。

1. 框上五金件用于提升安装强度的结构设计

安装于边框的五金件，通常都是实现扇启闭功能的关键部件，承受载荷的能力与精确的安装位置都非常重要。欧标塑钢平开门窗五金的框上件安装主要是以宽度4mm的“锁座定位槽”作为横向定位，就拿普通的平开锁座来说，锁座的安装大都是将自攻钉打入槽口位置，如图1所示。根据塑钢型材的结构特点，此处腔体内无增强型钢，锁座的固定仅通过单层PVC型材壁进行连接，尽管该部位型材内壁会设计专门的“螺钉定位结构”，但是仍不足以确保锁座的持久稳固，并且目前市场上普通的平开锁座基本都是由一颗自攻钉连接，天长日久的启闭操作和风压影響，势必会因锁座的松动影响门窗的密封性能、抗风压性能甚至安全性。在日常频繁的外力作用下怎样才能更好地确保五金功能完好呢？ 我们先从锁座在使用过程中的受力情况进行分析。

大多数五金厂家的锁座背面都会专门设计用于安装的凸台结构，当锁座安装之后，型材槽口的卡接可以大大提升锁座承受载荷的能力，为了验证该凸台的作用，我们来看一下有凸台和没有凸台的锁座在经受同等大小的门窗风压时的变形量（位移）有限元分析（图3、图4），对比后我们发现凸台结构的增加不仅对锁座起到了有效的固定作用，而且也减小了自攻钉的受力，大大提高了锁座安装的稳定性。

尽管凸台结构卡接型材对锁座有很好的固定作用，但是对于图2中所示的三个方向的力，型材所起的固定作用却很有限。我们知道锁座的功能是与锁点配合实现扇的启闭，在这个过程中锁座与锁点摩擦产生的沿槽口方向的力F2、F3会对自攻钉产生较大剪切力，频繁的受力很容易使自攻钉松动而导致锁座的窜动。分解到F1方向的力更加不能忽视，它造成的影响是安装质量好坏的关键，甚至会影响到其他两个方向的受力。为此有些五金厂家设计锁座时刻意增加了螺钉孔数量，通过增加自攻钉数量并实现与增强型钢的有效连接来提升锁座安装强度，但是受安装空间、材料成本和产品设计风格等因素的影响，大多数五金厂家还是采用单螺钉安装的锁座，因此对于这种结构的锁座，需要在结构设计、安装工艺、辅料选用等方面进行改善和加强。

锁座在使用过程中分解到F1方向的力所造成的影响基本上只能依靠自攻钉的锁紧来避免。我们知道该部位型材腔体内无钢衬，想通过螺钉与钢衬连接来提升强度是行不通的，不过该部位型材内部通常会设计内筋，如果能使自攻钉打透腔体内筋也可明显提升锁座安装强度，那么安装锁座时采用多长的自攻钉才能打穿型材内筋呢？JG/T176-2015 《塑料门窗及型材功能结构尺寸》中对塑钢门窗型材腔体内筋位置做了规定，在这里我们着重关注一下锁座定位槽处的内筋位置要求，该标准规定内筋中心到锁座定位槽口的尺寸为平开窗15～18.5mm、平开门18.5～24.5mm，如图5、图6所示。我们知道塑钢锁座的高度通常为8mm，去除自攻钉尖部的尺寸约5mm，由此我们可以通过计算得知平开窗和平开门安装锁座理想的自攻钉长度，分别为不小于31.5mm和不小于37.5mm，满足这个尺寸的自攻钉才能打穿腔体内筋，最大限度地提升锁座的安装强度。

提到型材内筋我们稍微延伸一下，对于该部位型材内筋的设计，其实更重要作用是增加型材的强度。这一作用单从型材结构上来看可能并不明显，但是对于某些五金的安装却意义重大。下面我们以普通的平开门三维铰链为例进行一下分析（图7），平开门铰链可以说承载了整个门扇的重量，并且在门扇启闭过程中，铰链的受力状况是一个变化的过程，尤其是在门扇开启到90°左右时，框型材极有可能在门扇强大的重力作用下发生局部变形，而此时腔体内筋的支撑作用可以有效提升型材抗变形的能力。可以说一条看似不起眼的内筋不仅改善了五金的安装强度，而且大大提升了整个门窗的性能。

我们回到刚才的论述，在门窗启闭过程中，怎样才能减小F2、F3这两个力造成的锁座松动呢？根据试验和市场应用情况来看，在背面卡接部位侧面增加凸筋结构对于防止锁座纵向窜动非常有效，如图8所示。增加凸筋结构后的卡接部分宽度会略大于槽口尺寸（一般过盈约0.3mm），当自攻钉打入时凸筋部分会在力的作用下嵌入槽口的型材内，另外因锁座卡接部分存在拔模斜度的缘故，在自攻钉打入的过程中凸筋嵌入型材的程度是逐渐加深的，直至锁座安装到位。在锁座的设计过程中，凸筋形状和高度可根据卡接需求或者试验数据进行调整；数量不能低于两条，沿槽口方向对称放置以避免造成安装不正的现象；另外需要注意的是锁座卡入槽口的部分只可单面设计凸筋，另一侧光面用于锁座横向的定位，如图9所示。类似的结构不仅在塑钢框上五金件的设计中用到，在扇上件甚至铝合金门窗五金的设计中都可以应用。

另外值得一提的是，在门窗五金设计中还有一种方式可以减小锁点与锁座之间的摩擦力，那就是在锁点的圆柱结构基础上增加转套，将锁点与锁座的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，大家都知道滚动摩擦比滑动摩擦的阻力要小得多。不过此种方式与凸筋结构相比会有一定的材料和人工成本增加。

2. 扇上五金件用于提升安装强度的结构设计

下面我们以扇上件为例对该凸筋结构做进一步的说明，图10为塑钢中间铰链扇上件，安装于U槽内的固定座侧面也设计了凸筋，以防止其纵向窜动并减小该部位自攻钉的剪切力。但是扇型材与框型材五金件的安装要求有所不同，槽口结构也有较大差异（见图11）。U槽五金件均为居中安装，因此该固定座应在卡入部分的两侧都设计凸筋，以确保卡入过程中两侧受力均衡；另外扇型材的U槽尺寸比框槽口大得多，且安装于U槽的五金件（如平开铰链）大多要承受较大的力，因此凸筋的过盈量尺寸设计应比锁座大一些，通常在0.5mm左右为宜。

相对于框槽口而言，扇型材U槽的尺寸不仅宽度较大而且深度也比较大。对于五金件的安装来说，槽口深度越大就意味着在五金件使用过程中自攻钉受力的力臂越长，也就说明在同等力的作用下自攻钉断裂失效的可能性越大。因此针对U槽五金件自攻钉力臂较长的特点，应在产品设计过程中着重考虑。图12为平开上铰链扇上件局部的安装示意图，根据U槽标准尺寸和五金件的尺寸可以计算出自攻钉力臂部分的长度超过9mm，这对于自攻钉来说已经很大了。

图13为自攻钉受剪切力的有限元分析结果，从模拟的数据和应力变化情况可以看出，力臂部分与螺接部分交界的位置是应力最集中的地方，也就是最有可能断裂的部位。

解决自攻钉力臂过长也就是降低剪切力的有效方式就是尽量消除自攻钉受力部分与螺接部分之间的空间，那么怎样消除这部分空间呢？目前五金厂家常用的方式就是增加钉孔深度。下图为市场上比较常见的两款塑钢平开铰链，其中圆形标出的部位就是用于减小自攻钉力臂、增强其抗剪切能力的结构。图14采用了铆接压铸件的方式，效果相对来说更好一些，但是材料成本和人工成本较高；图15采用了连杆端部进行折弯成型的方式，外观比较简洁、成本也相对较低，但是效果要稍差一些。至于采用哪种方式更适合，要根据产品承重要求、成本要求和加工能力来决定。总之，平开铰链尤其是上铰链，增强自攻钉抗剪切能力是产品设计的重点，因为自攻钉抗剪切能力增强就意味着铰链承重能力的提升。

3. 门窗五金件用于提升安装效率的结构设计

门窗五金的研发不仅要使产品实现更多的功能、适配更多的窗型、满足更高的性能要求，还应该提高用户的安装效率为用户节省安装时间。常规的欧标门窗五金大部分是安装于扇上的，因此扇上五金件在安装时需要扣合、联动的部件也相对较多，安装也就相对繁琐。

下边我们以塑钢内平开下悬五金系统中的核心部件传动器为例进行分析。内平开下悬传动器基本都是两端带齿结构，不同规格的传动器都会适用一定的窗高范围，在实际使用时根据窗高计算实际所需长度并截除部分齿条，截取后的传动器两端的齿条部分分别与其他部件的齿槽扣合以实现联动功能。传动器的安装精度要求较高，需要在齿轮方孔与型材执手孔位置对齐的前提下完成上下齿槽的扣合， 在现场安装过程中往往会出现操作者找准位置并扣合齿条后放手取安装工具时传动器脱落，或者按压传动器的手不经意的活动导致安装位置发生变化，使之前的工作前功尽弃。

为了解决这一问题，大部分厂家的内平开下悬传动器会视长度不同在背部铆接一个或多个固定块（见图16），固定块宽度设计与槽口有一定过盈量，安装时卡入U槽内；不同厂家传动器固定块的大小和形状各异但功能类似，材质大都为锌合金，也有部分厂家采用硬质塑料。因为该固定块一般都会放置在螺钉孔位置，因此也会起到上文中所述的减小螺钉剪切力、防止五金件窜动的作用，但是更主要的作用是利用其宽度上的过盈使传动器在安装前能够便于定位。有些厂家在此基础上进一步改进将该结构设计为倒钩（见图17），并应用于大部分U槽安装的五金件（见图18），使五金件定位更便捷和牢固，有利于安装人员在安装螺钉之前进行相关准备工作甚至进行初步的五金调试，有效提高了五金安装效率。

通过以上阐述我们发现，五金的设计与型材结构、安装方式是相互关联的，其中任何一项被忽略都会使最终的门窗产品大打折扣。五金的设计不能仅满足于实现五金的基本启闭功能，应结合型材材质、结构和工艺的特点，设计出包含結构、工艺、性能、安装、使用寿命等条件均满足要求的一整套解决方案。

五金与型材的研发不应该是独立进行的，他们之间的互相影响和密切联系充分说明了系统开发的必要性。一直以来，很多传统的门窗从业者认为“五金是为型材服务的”，这些思想导致了传统门窗行业的落后和长期存在的各种问题。未来五金和型材的研发不应该是先设计再配置，而应该是同时进行研发，这样才能更加适配、才能有效避免出现短板。我们之所以认为五金是门窗的“灵魂”，是因为有了量身打造的五金，门窗才能真正活起来。

参考文献

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[7] GB50018-2002 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》

（作者单位：亚萨合莱国强（山东）五金科技有限公司）

【中图分类号】TU532.65

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2018）12-0048-04