连杆式智能折叠窗设计选型

王林虎 张越龙

（长江大学 机械工程学院，荆州 434023）

随着科技智能化的发展，目前的家居行业也逐渐趋向智能化[1]。本文所设计的连杆式智能折叠窗能够通过设置的控制感应模块感知外界温度、湿度等环境变化，并将信息反馈给驱动电机，从而控制窗户的开关。在完成该窗户的整体结构设计的基础上，为确定此设计在实际生活中的可行性，不能仅通过三维模型的模拟，还需要制造实际模型以验证此设计装置是否能够运用到生活中。

1 总体设计方案

图1为连杆式智能折叠窗的示意图。它通过多个连片将三扇窗户连为一体。在两侧窗户的上下窗体上设置有两组滑柱，以便于窗户整体在窗框上的滑槽内进行滑动运动。同时，该折叠窗设置有两根首尾相连的长连杆分别与窗户连接，能够使得窗户整体构成曲柄滑块结构。此外，设置有电机与连杆连接，能够通过控制感应模块感应外界环境变化，从而发送指令驱动电机带动窗户整体进行折叠运动，最终实现窗户的智能开关运动。

2 受力分析

当窗户打开时，窗户整体的重心与窗框所在竖直平面发生偏离。完全打开时，每扇窗户偏移角度为60°，其重心与窗框所在竖直平面距离最远，窗户所受到的倾覆力矩也最大。根据设计，可近似看为窗户以其下端滑柱为转动中心发生倾覆，此时对单扇窗户受力分析如图2所示[2]。

为确保连杆式智能折叠窗的可行性以及运动的流畅性，在制造窗户时可优先考虑材质较轻的材料[3]。同时，为减小温度感应器受到外界环境的影响，可采用双层玻璃结构[4]，则每扇窗户主要由窗框与双层玻璃组成，设定窗户的高度H=500 mm，宽度L=290 mm，质量m≈2.5 kg，对其进行受力分析如下。

窗户在X-Z平面上：

式中：MO为O点的转矩；F为窗框在沿窗户方向的支持力；H为窗户的高度；L为窗户的宽度；FH为该力对于矩心O的转矩。

简化窗户模型，对点O求转矩，已知窗户重量、长和宽即可求出。

在X方向上，有：

在Z方向上，有：

由以上分析可得，窗户在运行过程中，由于重心变化将导致窗户的滑柱与窗框的滑槽内壁存在一定的摩擦，其水平方向支持力大小为7.25 N，再加上由于窗户自重所产生的滑动摩擦力，其竖直方向支持力大小为25 N，将会对窗户在工作过程中的运动流畅性造成一定影响。

3 电机选型

窗户的驱动电机通过螺栓固定安装在窗框的右上伸出端，与窗框一起安装在右侧的墙内，在不影响连杆式智能折叠窗功能的前提下，保证了产品的美观性[5]。根据设计，窗户的开关窗速度（即B点滑块的移动速度）VB=0.1 m·s-1，连杆的有效转动长度（即连杆两转动中心的距离）S=500 mm，钢与铝合金之间的动摩擦因数取μ=0.17，并选取需要最大驱动力的位置进行分析，即窗户完全打开时（传动角γmin=30°）[6]，此时角θ=60°。

对窗户整体受力分析如图3所示，运动分析如图4所示。

窗户在X-Y平面上对B点滑块分析[7]，需要推动窗户整体运行所需的最大推动力为：

滑块在X方向上，有：

对于杆BC分析，有：

故驱动连杆式智能折叠窗的电机需满足如下扭矩条件：

窗户整体为电机驱动连杆转动，从而带动窗户的打开与闭合，取窗户的两连杆进行运动分析，如图3所示。窗户运动模型可简化为杆OC为原动件，作平面运动，经从动杆BC带动滑块B运动。点C的速度方向垂直于OC，滑块B沿水平方向运动。

利用瞬心法[8]，分别过点B、点C作VB、VC的垂线，其交点O1即为连杆BC作平面运动的速度瞬心，则杆BC的角速度ωCB为：

点C的运动速度VC为：

电机的实际转速n为：

则电机的实际功率P为：

根据上述计算分析，驱动连杆式智能折叠窗的电机所需功率为0.76 W，电机的扭矩需大于6.3 N·m，同时因需要满足连杆式智能折叠窗的开关角度可调的控制功能，故选取型号为86BYG250H的步进电机[9]。

4 试验模型

根据上述分析结果完成连杆式智能折叠窗的试验模型的制作，经过安装与调试，连杆式智能折叠窗模型如图5所示（图中未放置电机）。根据窗户试验模型的工作过程，因窗户的零部件较多，且对于装配精度要求较高，所设计的带滑槽的连杆不能很好地使窗户流畅地打开与闭合，故将此处设计改为转动副连接[10]。经过改进，窗户模型能够在所选择的步进电机的驱动作用下实现正常的打开及闭合功能。

5 结语

连杆式智能折叠窗是一款依靠控制感应模块实现自主开关的机电一体化窗户，可针对刮风下雨、高温等恶劣天气实现窗户的自动打开与关闭。本文在完成连杆式智能折叠窗的结构原理设计的前提下，确定了窗户的各个参数，并分析了单扇窗户以及窗户整体的受力情况，完成了驱动电机的选型。另外，还根据分析结果制作了连杆式智能折叠窗的试验模型，通过分析窗户模型的工作过程，改进了连杆的结构，使得窗户的机械部分可正常实现打开及闭合，为下一步连杆式智能折叠窗控制感应模块的程序设计和制造提供了依据，并为今后类似的智能化窗户的设计选型提供了参考依据。