基于連桿滑塊機構的新型半自動柜門開關設計

曹啟武，徐建新，徐 菲

(中國民航大學航空工程學院 天津 300300)

0 引 言

日常生活中，柜門開關大多是帶有把手的，長期使用把手容易出現折斷、清洗難等問題。目前應用在廚衛設備上的磁碰開關裝置需要安裝永磁體，而永磁體易退磁，增加了開關的成本且影響可靠性。當柜門處于長時間關閉的狀態下，門上的鐵塊會被磁化，不能實現自動開門；加之其自身結構的問題，永磁體只能用于玻璃門，不適用于木制柜門。如果設計一種無需把手、輕磕柜門就能實現柜門開關動作的半自動開關，對于普通家庭來說，不僅可以免除老式柜門把手的清洗、替換工作，使用起來還更加方便舒適和人性化；對于餐飲業而言，還可以降低廚房內的勞動強度，提高工作效率。針對這一設想，本文提出了一種基于連桿滑塊機構的新型柜門開關系統。

1 機構設計工作原理

1.1 設計條件分析

該機構通過柜門閉合發生位移產生的驅動力觸發機構傳動，實現柜門的鎖扣與解鎖兩個狀態(即柜門的開、閉)。機構的原動件適合選擇在門的開口一側，從而能夠獲得較強的驅動力和穩定性。

1.2 傳動方案和工作原理

半自動柜門開關的結構原理如圖 1所示。柜門的開關動作均依靠推動柜門來實現。鎖扣 2和柔性頂針 3固定在門 12的內表面處并與其垂直。關門時，推進柜門，柔性頂針3接觸并推動傳動滑塊4運動，與兩傳動滑塊固結的連桿 7推動定位滑塊 6運動，使其與鎖扣滑塊 1分離，鎖扣與鎖扣滑塊相結合，完成關門動作，同時，柔性頂針停在靠近傳動滑塊 5處；開門時，推進柜門，柔性頂針接觸并推動傳動滑塊5運動，與兩傳動滑塊固結的連桿推動定位滑塊 6運動，使其與鎖扣滑塊結合，鎖扣與鎖扣滑塊分離，而定位滑塊運動至限位點處，固定在柜底面的壓簧將門向外彈開，完成開門動作。如果將柜門及其上觸碰構件視為原動件，則柜內實現鎖扣動作的構件稱為從動件。

圖1 結構原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure principle

該半自動化櫥柜通過 1個連桿和 3個滑塊相連組成了一個中間傳動機構。實現柜門開閉兩種狀態的傳動，工作原理如下：

①柜門的閉合。關閉柜門，柔性頂針[1]被壓縮而發生彈性形變，為恢復形變，使右滑塊沿導軌方向移動；而與右滑塊鉸接的連桿發生偏轉，帶動縱向定位滑塊向下移動退出限位槽，受壓的彈簧8將鎖扣滑塊右移卡入鎖扣，最終柜門被緊鎖。②柜門的打開。再次碰觸柜門，頂針接觸右滑塊，使其沿導軌方向移動，類似于閉合時的中間傳動，定位滑塊逆向移動卡入限位點，使鎖扣滑塊左移脫離鎖扣，門在彈簧 9的作用下彈開。

2 機構自由度分析

機構各構件近似于平面運動，故著重討論平面機構的自由度。根據文獻[2]中公式，可知機構自由度：式中：n——平面機構中活動構件的個數；Lp——平面機構中低副個數；Hp——平面機構中高副個數。

利用上述公式，求解半自動化櫥柜開關系統自由度；[3]由左傳動滑塊 4、右傳動滑塊 5、定位滑塊 6和連桿 7組成的中間傳動機構中，有 4個活動構件、5個低副(滑塊 4、5、7與固定導軌組成 3個移動副和滑塊4、5與連桿7組成的2個轉動副)、1個低副(連桿7與滑塊4上的柱銷)，故中間機構的自由度為：

由此可知，該機構具有確定的運動條件和運動規律，可以滿足平面運動條件。

3 機構運動學分析

3.1 機構運動分析中的矢量法

封閉的平面連桿機構可以分成若干個獨立的矢量三角形回路，這種機構運動分析方法稱為矢量法。[4,5]對于由3個矢量構成的閉合三角形，每個矢量均可由模和幅角表示，即每個矢量有 2個參數，則可知閉合三角形中共有6個參數；如果已知其中任意4個，求解其余2個參數，則有4種狀態：

①已知 2個矢量的模及幅角，求第 3個矢量參數；②已知 3個矢量的模及其中 1個幅角，求另外2個矢量的幅角；③已知第 1矢量的參數，第 2矢量的模及第 3個矢量的幅角，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個矢量的幅角，求另外2個矢量的模。

假設3個矢量參數為11,m?；22,m?；33,m?，

即可通過復矢量方程計算：

3.2 幾何條件計算

如圖 2所示，由滑塊 1、2和連桿 4構成一個矢量三角形(設為初始單位向量)，則向量參數為(Δ是滑塊1的位移變化量，Δ為微小量)。

圖2 幾何矢量三角形示意圖Fig.2 Schematic diagram of geometric vector triangle

由復矢量方程求解：

3.3 速度分析

速度瞬心法：互作平面相對運動的兩構件上瞬時速度相等的重合點，即是兩構件的速度瞬心。

圖3 速度求解示意圖Fig.3 Schematic diagram of velocity solution

如圖3所示，滑塊1、2、3上的柱銷所在點為1P、2P、3P，速度分別為1v、2v、3v。

v1、v2的垂線交于Q，Q點即為構件 1、2、4的瞬心。

v3是連桿 4在 P3點的速度，滑塊 3的實際速度是 v在滑塊3移動方向上的分量。3

同理，在機構運動過程任何位置，都能用瞬心法求解速度關系。

4 機構死點位置分析

作用在從動件上的驅動力F與該力作用點絕對速度之間所夾的銳角α稱為壓力角。[6]當α=90°，對從動件的作用力或力矩等于零，連桿就不能驅動從動件運動。機構處于此時狀態下的位置，將成為死點位置。

圖4 機構局部示意圖Fig.4 Schematic diagram of local part of the mechanism

為防止機構做平面運動時因死點位置導致機構運動受阻，對機構核心部件進行運動規律分析，得到以下幾點措施：

① 滑塊 5作為傳動件，當連桿 7從水平位置傾斜至與滑塊 5導軌方向同向時，此時傳動角γ=0°(β=90°)，構件無法提供力矩使桿件4繼續運動，則滑塊 6不完全脫離限位點，鎖扣不能解鎖，最終機構失效。

② 同理，當滑塊4作為傳動件，連桿7與滑塊5導軌同向時，桿件 6無法運動進入死點位置，則滑塊 1停止移動。對于本機構，由于鎖扣滑塊上限位點的限制，桿件并不能移動到該狀態下的死點位置，可以有效避免開門時的失效。

③ 上述分析是在理想狀態條件下，而實際情況中，由于彈簧產生的驅動力不大，并受到各機構間的摩擦影響，連桿 7運動到接近導軌方向之前，由于力矩不夠大，從而卡住提前進入死點。

④ 曲柄連桿機構出現死點是周期性的，這是由于曲柄做整周圓運動。[5]然而對于本機構，由于傳動滑塊每次移動的位移量較小，連桿在一個周期內的角位移也較小，因此不會進入死點。但是隨著機構反復運作，連桿每次都會與先前位置產生一定微小偏差，當偏差逐漸累積，直至連桿接近導軌方向上時，死點更加容易出現，但這樣的累積需要極長的時間。

按照以上分析，該機構可以避免出現因死點位置導致運動受阻的現象，從而保證機構運動順暢。

5 機構靜力學分析

機械運動過程中，構件受到兩類力的作用，分別是驅動力和阻抗力，驅動力做正功。[6]對于運動副來說，運動副之間的反力對整個機械來說是內力，對于構件來說則是外力，而這些力對計算構件的強度、剛度、摩擦等動力性能都是極為重要的。

本機構是低速機構，因其慣性力較小可略去不計，所以對本機構進行靜態分析。對于關門狀態，彈簧壓縮產生形變量，驅動力F產生，其作用在左滑塊4上的分力，即連桿7受到1F的作用。

對連桿進行平衡分析，1P點受1F作用，2P點受兩個約束力2xF 、2yF ，3P點受一個約束力3F。

由此，連桿上產生的力和力矩使得連桿做移動和轉動。

對于其余狀態下的受力分析都可以類似求解，最終算出各個結構所需承受的最大應力，從而校核強度，保證機構的正常協調運行。

6 機構動力學分析

機構加速度求解：設柱銷 1、2、3的速度為 v1、v2、v3，加速度為α1、α2、α3；根據幾何位移關系，任意位置時做出1v、2v的垂線交于Q點，此點即為該位置的瞬心，[7，8]通過實物操作模擬，得到瞬心的軌跡如圖5所示：

圖5 機構動力學求解示意圖Fig.5 Schematic diagram of kinematics of mechanism

當 t = 0 s時，v1= v2= 0 ，假設滑塊 1收到恒力F1，F1= ma1? v1= a1t，即滑塊 1作勻加速直線運動：

所以對于任意時刻t即可確定瞬心的位置Q，測量出此時1P、2P、3P與瞬心Q的距離1r、2r、3r，即：

對于柱銷3P的運動，如圖所示：

圖6 加速度求解示意圖Fig.6 Schematic diagram of acceleration solution

其絕對速度av可以分解為牽連速度ev和相對速度rv，ev就是3v，即：

在瞬時情況下，牽連運動可看作定軸轉動，則由加速度合成定理可知：

7 仿真及樣品制作

為了驗證設計方案是可行的，用 ADAMS軟件對模型進行仿真，得出了位移、速度、加速度和機構受力曲線(見圖 7)。從仿真結果可知，在受力均勻時，機構開關裝置的位移具有較好的軌跡；在0.031,5,s內，機構運動速度和加速度數值大小沒有發生突變，進而確保該機構運動順暢，并能完成各部件力的傳遞。

圖7 運動仿真曲線Fig.7 Curve of motion simulation

制作了一套如圖8所示的實物，通過對樣品的操作表明，基于連桿滑塊機構的新型半自動柜門開關達到預期設計要求，并具有良好的機械傳動性和安全可靠性，各部件的運動協調性順暢，進一步驗證了該機構的設計方案是正確可行的。

圖8 機構實物圖Fig.8 Physical picture of Mechanism

8 結 語

本文提出并設計了一種基于連桿滑塊機構的新型半自動柜門開關，采用全機械式機構，能承受較大沖擊，工作穩定可靠。對該機構的自由度進行了分析，給出了防止機構工作出現死點情況的方法。利用復矢量法和速度瞬心法對該機構進行運動學和動力學分析，驗證了機構設計的合理性。結合機構的低速運動受力情況，建立了該機構的靜力學求解方程。按照設計方案進行了運動仿真，并制作了樣品，對樣品的操作表明，該機構設計方案可行。

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