基于矢量模型的翻转支架结构设计与运动分析

2022-01-14张旭忠王付杰

现代制造技术与装备 2021年12期

张旭忠王付杰倪娟

（运城学院机电工程系，运城 044000）

窗户是建筑不可缺少的一部分，起到了通风采光、遮风避雨的作用。现有窗扇与窗框连接方式大都采用铰接或通过连杆连接，窗扇开启关闭时，窗扇绕着铰链转动，并由连杆机构支撑窗扇。这种连接方式结构简单、成本很低，但是现有这种窗扇开启角度小，通风不彻底，室外窗扇玻璃面擦洗难度大。特别是擦洗高层建筑的窗扇玻璃时，需要伸手、探头或由专业人员用高空缆绳作业，成本高、难度大、危险系数高[1-3]。

翻转支架是一种常用的机械结构。通过了解现有窗户的连接方式，以及针对现有窗户的不足之处，采用翻转支架设计了一种新型结构的窗扇连接方式。采用这种连接方式，结构简单、转动稳定，而且能够实现窗扇的180°翻转。同时，利用UG软件完成了窗户翻转支架三维实体模型的建立及运动仿真，并基于矢量模型，利用MATLAB软件完成了窗户翻转支架的运动分析。

1 窗户翻转支架结构设计

窗户翻转支架结构示意图如图1所示。此翻转支架以高度为500 mm的窗扇为例进行设计，由窗框、窗扇、滚子、导轨和连杆机构共同构成六连杆机构，两个翻转支架对称安装在窗框左右或者上下两侧，机架固定在窗框上，连杆延长端上一点与窗扇玻璃框架中间点铰接。推动窗扇时，窗扇与连杆的铰接点接近水平移动，同时窗扇重心水平移动，以保证窗扇开启过程中平稳、稳定。另外，窗扇末端铰接安装一个滚子，滚子与安装在窗框上的竖直导轨配合做直线移动，保证窗扇在翻转的同时末端不会脱离窗框，从而增加窗扇的稳定性。

图1 窗户翻转支架结构示意图

整个翻转支架在窗户关闭时能够收缩进窗框与窗扇中间的狭小空间，且各杆件之间夹角非常小，下摇杆几乎与窗框平行。为了合理利用此狭小空间以及避免杆件之间的干涉，窗框上预设有限位槽，以限制上摇杆运动上极限位置，同时机架、上摇杆设计为弯曲形状，且机架转动副连线与水平方向成75°布置。因为连杆同时连着窗扇，且在窗扇关闭时，连杆、窗框、窗扇能够重叠，所以连杆设计为弯杆并折弯。翻转支架各部分构件结构如图2所示。该结构既能够实现对窗扇的有效支撑，实现窗户的基本功能，也可以实现窗扇的180°翻转，方便窗户玻璃后期的清洗维护。此窗户翻转支架结构简单、工作可靠、传动平稳、制造成本低、后期维修费用低，有广阔的市场应用前景。

图2 窗户翻转支架各构件示意图

2 窗户翻转支架运动特性建模

窗户翻转支架结构简图如图3所示，简图中以O为原点建立直角坐标系O-XY，Y轴与窗框平行，并通过机架A点，X轴通过机架D点[4-5]。机架AD固定在窗框上，连杆BC末端上一点F与窗扇中点铰接。窗扇能够实现平稳翻转的关键是铰接点F的轨迹平滑，且X方向的位移大于等于窗扇高度的一半，现对F点进行分析，作封闭矢量多边形ODCF，建立矢量方程为：

图3 窗户翻转支架结构简图

由式（1）向X、Y轴投影，建立位移方程：

在△CEF中：

在△ABC中：

在△ADC中：

θ4为L5与Y轴方向之间的夹角，则：

其中：

3 窗户翻转支架运动学分析

在如图3所示的窗户翻转支架结构简图中，为保证窗户能够实现翻转，窗扇与连杆铰接点F在X方向必须能够到达窗扇高度一半的位置。同时，为了保证窗扇在翻转过程中重心高度变化不能太大，从而保证窗扇开启和关闭过程平稳，根据结构需要[6]，各构件设计尺寸分别为：L1=67 mm；L2=137 mm；L3=36 mm；L4=110 mm；CE=135 mm；EF=18 mm；β=75°；OD=17 mm。其中，L2+L3＜L1+L4。通过推动窗扇中点即窗扇与连杆的铰接点F向外侧移动，窗扇中点随F点移动并相对F点转动。窗扇末端G装有滚子，能够沿安装在窗框上的导轨做直线移动。当F点与Y轴距离是250 mm时，正好是窗扇高度的一半，F点处于右极限位置。此时，下连杆L2与X轴间夹角αmax是89.4°，窗扇处于水平状态。继续推动窗扇，其末端G点仍按原方向竖直移动，F点按原轨迹返回，从而实现窗扇的翻转。当窗扇关闭以后，整个连杆机构收缩在窗框两侧的狭小空间内，由于窗框限位槽的作用，F点处于左极限位置。此时，下连杆L2与X轴间夹角αmin是23°，F处于左极限点，与窗框中点正好重合。将已知构件长度和边界条件代入运动模型，利用MATLAB对其进行分析计算，F点的运动轨迹如图4所示。