連桿式智能折疊窗結構設計*

張越龍，帥玉妹，王培元，劉 傲，石 虎，王林虎

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

傳統的家居很少涉及智能領域，近年來隨著科技向生活的不斷滲透，智能家居的概念從最開始的新興概念，已經變成了人們所能接受的一種思想，讓生活更加方便和快捷[1]。從窗戶的定義出發，傳統的窗戶屬于建筑部件的一種，通過將窗戶智能化使其深入人們的生活，從本質上改變窗戶的定義，使窗戶成為全屋智能化的一部分。從設計層面出發，傳統窗戶到智能窗戶，需要的是將傳統和智能結合、應用，并且改變人們的傳統生活方式[2]。傳統的窗戶在隔音、隔溫保熱、防潮，尤其是智能控制方面有著不同程度的欠缺。因此本文設計的連桿式智能折疊窗作為智能家居的一部分，在可預見的未來發展趨勢中必將占有一席之地。市場上形形色色的智能開關窗都或多或少存在一些問題，如使用時產生的噪音，智能部分的使用壽命以及控制性等。為了解決這些問題，本設計提供一種相對完善的智能化折疊窗解決方案，在傳統的基礎上進行優化，并且融入智能的概念，多方面改進現有窗戶存在的不足，使得這款智能折疊窗相較于傳統窗戶乃至在智能家居領域都足夠亮眼[3]，且具有足夠的市場競爭力和繼續發展的創新潛力。

1 連桿式智能折疊窗工作原理

連桿式智能折疊窗的工作原理：由電機驅動連桿帶動機構實現折疊窗的開合，適用于居室、公共場所，如大型商場、寫字樓和公共廁所等。機械工作過程整體為曲柄滑塊機構，電機驅動桿1運動，從而帶動桿2運動，桿2的末端與滑塊鉸接，使滑塊在窗框內做滑動運動。在窗戶1和窗戶2的中間與窗框連接部分添加一個滑塊虛約束，以此增加機構穩定性（見圖1）。連桿和窗戶間用自攻螺釘固定，軸肩螺釘鉸接，通過此機構使窗戶能夠實現同時運動折疊與展開。因為該機構是由電機驅動，所以窗戶開合操作簡單，并且關閉嚴實[4-5]。

圖1 連桿式智能折疊窗三維模型圖

2 連桿式智能折疊窗用途分析

連桿式智能折疊窗利用簡單的連桿機構實現窗戶的開合，同時利用轉動連接替代傳統合頁連接，因此擁有更好的密封性。本產品的主要目標在于較好地解決了風雨天氣忘記關窗和關窗繁瑣等問題。由于其材料常見，簡單易制作，成本低，且支持多種智能控制，可以通過手機APP連接Wi-Fi模塊，達到遠程控制窗戶的開關。這些優勢具有較高的實用價值，能夠使產品迎合廣大消費者的需求。該產品主要應用于廣大的居民家庭市場，其次是學校、商場、倉庫、廠房等各種大型建筑的市場[6]。

3 連桿式智能折疊窗結構設計

3.1 整體結構設計

圖1為連桿式智能折疊窗三維模型圖。連桿式智能折疊窗結構設計部分由連桿機構、滑動部分、連接部分、傳動部分組成。如圖1所示，傳動部分是由電機向桿1傳輸力矩，帶動連桿部分運動，連桿部分是連桿和窗戶組成的曲柄滑塊機構，滑動部分是窗戶的上下端與窗框之間的相對滑動，連接部分是窗戶之間的螺栓連接[4-5]。

3.2 連桿機構設計

圖2為連桿機構簡圖。

圖2 連桿機構簡圖

自由度計算[4]：6為虛約束。

F=1，因此運動確定。

圖2中，尺度綜合：L1=500 mm，L2=500 mm，L3=250 mm，L4=250 mm。此連桿機構是一個曲柄滑塊機構，其中滑塊6為虛約束，在滑動過程中起到穩定的作用。桿1為曲柄，由電機驅動，電機順時針轉動為關窗，逆時針轉動即可開窗。為了使連桿可以完全收入窗框內，桿1和桿2連接處做了圓弧形設計，避免發生與內部滑柱相互碰撞的情況。此外考慮到重量問題，連桿的材料選用硬質鋁合金，不僅有足夠的強度，還能很大程度上減輕重量。因為是控制器控制的電機，所以開窗的速度和角度都可設置，角度為0°～60°，速度推薦約為10 s。圖3為三維模型俯視圖。

圖3 三維模型俯視圖

3.3 滑動部分設計

滑動部分是窗戶在打開和關閉時，下部滑塊在滑道上滑動。為了減小接觸面積，滑軌做了凸起設計，突出與相鄰平面的接觸部分，起到減小摩擦、增大傳動效率的作用，見圖4。滑軌材料采用40Cr合金鋼，能擁有足夠的硬度和使用壽命[4-5]。

圖4 滑道

3.4 連接部分設計

窗戶與窗戶間是由滑塊的銷軸部分連接的，連片與窗戶用螺絲固定，滑塊的銷軸部分穿過連片，插入窗戶的鋼套內，鋼套可以很大程度上減小摩擦力，并且擁有足夠的剛度。連接處還放有平墊圈，能減小相互之間的摩擦，延長使用壽命。兩扇窗戶中間的連接非常緊密，不會出現漏水和漏風的情況，見圖5。

圖5 窗戶接觸連接部分

3.5 傳動部分設計

圖6為桿1和桿2受力簡圖。

圖6 桿1和桿2受力簡圖

電機選擇：最小傳動角(γmin=30°)時，選擇主體構件（1，2，5）分析[7-8]。由于θ1=30°，因此有

根據運動分析[7-8]，運動接近勻速，取a=0。

因此，桿1所需最小轉矩為5 N·m。選擇保持力矩為M=8 N·m的步進電機。

電機通過螺栓緊緊固定在窗框上，穩定性非常可靠（見圖7）。電機與桿1之間使用鍵連接，高效地實現了動能的轉化。電機選擇步進電機，相對普通電機來說，其可以實現開環控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。步進電機配合驅動器使用，多數驅動器都支持細分功能，即實現很小的步進角，控制更精確[4-5]。

圖7 電機與桿1鍵連接

4 連桿式智能折疊窗理論計算

圖8為窗戶受力分析圖。

圖8 窗戶受力分析圖

由于傳動角是受力方向與運動方向夾角的余角，因此γmin=30°，γmax=90°。當原動件的角速度ω1=1 r/min，獲得最小傳動角時（γmin=30°），選擇窗體進行分析[3-4]。

由于θ1=θ2=30°，塑鋼（窗戶框架）密度為1．53×103kg/m3，玻璃（實心玻璃）密度為2．5 kg/m3，因此有m=（1．53×103×0．25×0．5×0．005+2．5×0．002 35）kg=3．595 5 kg。

添加余量，因此每扇窗戶質量m＜4 kg。

解得：FA=10 N，FBx=10 N，FBz=40 N。

由于F1=F2=F2'=FA=10 N，因此有

因此，窗框在窗戶靜止時兩滑動接觸處（x-z鉛垂面）的上方最大拉力為17．32 N。

5 結束語

“門窗不僅僅只是一扇窗，在未來還應該承載更多的功能。”張彬表示，智能門窗可以變成一幅巨大的畫冊，每天呈現不同的圖案，或可以感知外界的天氣，給予人們戶外著裝的指導。他認為，隨著科技的不斷發展，智能門窗也將極大地改變人們的生活，就如同手機一樣，而這只是時間的問題。作為連桿式智能折疊窗的創新者，筆者認為對于窗戶的使用不應該被局限于傳統的思維，只有不斷地與當下科技結合，才能順應時代的發展，設計出更加具有現代化氣息的產品，讓使用者感受到來自產品的科技感[9]。