【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)力。這些窗戶(hù)的動(dòng)力裝置大多 都比較復(fù)雜，往往要破壞窗戶(hù)本身的結(jié)構(gòu)，或者是在簡(jiǎn)單的窗戶(hù)結(jié)構(gòu)上附加上很大的機(jī)構(gòu)。 窗戶(hù)不僅要能夠代勞人們?nèi)ァ皠?dòng)”，而且還要代勞人們?nèi)ヅ袛嗍裁磿r(shí)候該“動(dòng)”什么時(shí)候不該“動(dòng)”，這個(gè)就是智能窗戶(hù)。智能窗戶(hù)自身攜帶有各種傳感器，能夠感知環(huán)境參數(shù)的變化，比如溫度、濕度、光照、風(fēng)速、空調(diào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 芯片處理，來(lái)給電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，能夠隨開(kāi)隨關(guān)。智能窗戶(hù)還能夠用振動(dòng)傳感器來(lái)預(yù)警入室盜竊，或者是煙霧傳感器來(lái)監(jiān)控室內(nèi)的火災(zāi)狀況和可燃?xì)怏w是否泄漏等。 窗戶(hù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 總之，未來(lái)窗戶(hù)的發(fā)展更趨于智能型。隨著科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)將應(yīng)用于智能窗戶(hù)，使智能窗戶(hù)的功能越來(lái)越豐富。智能窗戶(hù)作為智能家居的重要組成部分，將與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，隨時(shí)向人們通知窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)以及室內(nèi)外的狀態(tài)，人們也可以通過(guò)電腦甚至手機(jī)來(lái)操控窗戶(hù)。未來(lái)人們的生活不會(huì)為刮風(fēng)下雨、夜晚防盜、交換新鮮空氣這些瑣事而去親自打開(kāi)窗戶(hù)，因?yàn)橹悄艽皯?hù)將會(huì)為你做到。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 1 引言 隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能家居將成為家庭家具的發(fā)展趨勢(shì)。在家庭生活中，遇到下雨刮風(fēng)，需要人去親手關(guān)掉窗戶(hù)，以免受到雨水的侵蝕。夜晚睡覺(jué)或者是外出，人們都會(huì)擔(dān)心窗戶(hù)是否關(guān)好，以防有盜 賊的入侵。室內(nèi)有人吸煙導(dǎo)致空氣污濁或者有煤氣泄漏等危險(xiǎn)狀況時(shí)，窗戶(hù)的開(kāi)閉將對(duì)人們身體健康甚至生命安全起至關(guān)重要的作用。因此，本設(shè)計(jì)是一個(gè)智能窗戶(hù)，它將分為兩個(gè)部分進(jìn)行介紹，一個(gè)是機(jī)械部分，它窗戶(hù)的主要物理結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。機(jī)械部分將介紹窗框窗扇的類(lèi)型和材料的選擇以及它們的受力分析，合頁(yè)的介紹和設(shè)計(jì)，電機(jī)的大小選擇及其參數(shù)，齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)以及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核和齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核，軸承的選擇和校核。另一個(gè)是控制部分，它窗戶(hù)的神經(jīng)系統(tǒng)，處理各種信息，對(duì)窗戶(hù)發(fā)出開(kāi)閉的指令。 控制部分將介紹雨水傳感 器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器的類(lèi)型和它們的電路原理圖，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制過(guò)程，整體的電路圖和結(jié)論分析?？傊?，智能窗花可以根據(jù)環(huán)境和時(shí)間的變化，正確的幫助人們?nèi)タ刂拼皯?hù)的開(kāi)閉，方便人們的生活。 2 智能窗戶(hù)方案設(shè)計(jì) 整體方案設(shè)計(jì) 查閱了很多關(guān)于智能窗戶(hù)的專(zhuān)利資料，他們對(duì)于窗戶(hù)的設(shè)計(jì)，總結(jié)起來(lái)有兩種類(lèi)型。一種是外掛式的裝置，就是將各種動(dòng)力裝置和控制系統(tǒng)安裝窗臺(tái)上和窗戶(hù)周?chē)膬?nèi)外兩面墻上，或者是安裝在窗框和窗扇上，這種方式，不僅占據(jù)了建筑的空間，容易受到雨雪的侵蝕和外界的干擾，而且看起來(lái)非常的 亂，并不美觀。另一種就是破壞式的，為了方便安裝某個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)而去大范圍的改變?cè)瓉?lái)的窗戶(hù)結(jié)構(gòu)，這樣容易造成窗戶(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，推廣起來(lái)也是比較難的。針對(duì)以上問(wèn)題，我設(shè)計(jì)出一種智能窗戶(hù)，用簡(jiǎn)單很小的動(dòng)力裝置來(lái)帶動(dòng)窗戶(hù)的運(yùn)動(dòng)，把控制裝置內(nèi)嵌在窗戶(hù)內(nèi)，這樣就可以避免破壞窗戶(hù)的結(jié)構(gòu)，而且看起來(lái)比較美觀。該智能窗戶(hù)包括機(jī)械部分和控制部分。 機(jī)械部分方案設(shè)計(jì) 目前大多數(shù)的窗戶(hù)都使用的是推拉窗和平開(kāi)窗兩種類(lèi)型。推拉窗的通風(fēng)率只有50%，它是直線運(yùn)動(dòng)的，要帶動(dòng)推拉窗的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，需要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)各種西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 方式轉(zhuǎn)換為直線運(yùn) 動(dòng)，或者是利用彈簧和液壓裝置來(lái)直接帶動(dòng)，這樣就會(huì)增加很多結(jié)構(gòu)?？紤]到推拉窗的通風(fēng)率只有平開(kāi)窗的一般，而且動(dòng)力裝置需要轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，我決定設(shè)計(jì)平開(kāi)窗。平開(kāi)窗是旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的，有的是采用連桿結(jié)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)平開(kāi)窗運(yùn)動(dòng)，這相對(duì)都比較復(fù)雜。于是我采用電機(jī)直接帶動(dòng)。具體的方案如圖 1，圖 2。 圖 1 方案三維示意圖 Schematic threedimensional program 圖 2 方案局部三維示意圖 Threedimensional schematic partial plan 圖 2 說(shuō)明： 1— 固定架， 2— 鉚釘， 3— 減速電機(jī)， 4— 齒輪 1， 5— 窗框， 6— 窗扇，西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 7— 齒輪 2， 8— 上合頁(yè)右片， 9— 上合頁(yè)左片， 10— 推力球軸承 該方案的具體結(jié)構(gòu)是：窗框和窗扇通過(guò)上下兩片合頁(yè)連接。窗框上方安裝了一個(gè)用固定架固定的減速電機(jī)，電機(jī)的輸出端安裝了一個(gè)齒輪。合頁(yè)中間有兩個(gè)止推球軸承，目的是為了減少合頁(yè)之間的摩擦。固定架左端鉚接在窗框外框上，固定架右端與上合頁(yè)左片一起鉚接在窗框內(nèi)框上。上合頁(yè)右片鉚接在窗扇上。上合頁(yè)的軸上安裝了一個(gè)齒輪，齒輪焊接在上合頁(yè)右片上，齒輪的中心與上合頁(yè)的軸心同心。下合頁(yè)與窗框 連接之間有一片墊片，目的是為了抵消上合頁(yè)與窗框連接之間的固定架的厚度差。兩齒輪剛好嚙合，窗戶(hù)的動(dòng)力路線為：減速電機(jī)電機(jī)→嚙合的齒輪→上合頁(yè)右端→窗扇。該窗戶(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力可靠。在沒(méi)有對(duì)原窗戶(hù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)的前提下，就能自如的開(kāi)閉窗戶(hù)。 控制部分方案設(shè)計(jì) 智能窗戶(hù)的智能，就體現(xiàn)在能夠根據(jù)環(huán)境的變化開(kāi)自動(dòng)控制窗戶(hù)的開(kāi)閉。例如刮風(fēng)下雨、天色變黑、有可燃?xì)怏w泄漏等情況，都需要我們?nèi)?duì)窗戶(hù)進(jìn)行開(kāi)閉操作。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的控制部分包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、雨水傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、蜂鳴器、顯示器、行 程開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、蓄電池等裝置?？刂齐娐返倪壿嬯P(guān)系如圖 3。 圖 3 控制電路邏輯示意圖 Circuit diagram of the control logic 通過(guò)這個(gè)控制電路，智能窗戶(hù)將實(shí)現(xiàn)一以下功能： ，智能控制窗戶(hù)關(guān)閉。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 ，智能控制窗戶(hù)關(guān)閉。 ，智能控制窗戶(hù)關(guān)閉。 ，吸煙或者火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，將通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，并及時(shí)打開(kāi)窗戶(hù)。 、時(shí)間、溫度 等信息。 ，使室內(nèi)的空氣保持清新。 。 控制部分將會(huì)放置在窗框內(nèi)或者是窗扇內(nèi)，這樣使得窗戶(hù)看起來(lái)美觀，并且實(shí)用。 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 窗框和窗扇設(shè)計(jì) 窗框和窗扇是本設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)，承載著各個(gè)零部件，也是控制部分裝置的放置地方。 窗戶(hù)類(lèi)型的選擇 平開(kāi)窗，通風(fēng)效率 %100，運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)，可用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。 窗戶(hù)材料的選擇 窗戶(hù)的材料主要有三種，木材、鋁合金和塑鋼。目前大多數(shù)建筑都使用的是塑鋼窗，但是它的老化現(xiàn)象比較嚴(yán) 重，而且不利于加工。木窗的歷史悠久，保溫效果也比較好，但是木頭的來(lái)源是樹(shù)木，不利于大范圍使用。鋁合金窗雖然保溫效果不好，卻不會(huì)有老化的問(wèn)題，強(qiáng)度較大，加工也方便。窗戶(hù)材料選擇鋁合金。 窗框的受力分析 窗框總長(zhǎng) 700mm，總寬 500mm，框?qū)?25mm，壁厚 1mm，建筑用鋁合金牌號(hào)為6063，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 , 表 3— 2— 33（摘自 GB/T 6892— 20xx），它的抗拉強(qiáng)度175M/pa][R m ? ，窗框的受力主要集中在與上下兩塊合頁(yè)連 接的地方，簡(jiǎn)化后受力分析如圖 4。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 圖 4 窗框受力分析圖 Figure sash stress analysis 窗扇的質(zhì)量 m 約為 Kg3 ， NG ??? ； 那么 22 GFy?， ?tan22 yx FF ?；根據(jù)幾何關(guān)系算的 ??? ； 因此 NFx ? ， NF y ? ，因?yàn)榇皯?hù)是對(duì)稱(chēng)的，所以 21 FF? ； 根據(jù)力的相互作用，可得 4231 , FFFF ?? ，所以 NFF xx ?? ，NFF yy ?? ； 合頁(yè)設(shè)計(jì) 合頁(yè)連接著窗扇和窗框，使窗扇能夠自由的旋轉(zhuǎn)。合頁(yè)有普通合頁(yè)：用于櫥柜門(mén)、窗、門(mén)等。材質(zhì)有鐵質(zhì)、銅質(zhì)和不銹鋼質(zhì)。普通合頁(yè)的缺點(diǎn)是不具有彈簧鉸鏈的功能，安裝合頁(yè)后必須再裝上各種碰珠，否則風(fēng)會(huì) 吹動(dòng)門(mén)板。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 煙斗合頁(yè)：也叫彈簧鉸鏈。主要用于家具門(mén)板的連接，它一般要求 板厚度為 16~20毫米。材質(zhì)有鍍鋅鐵、鋅合金。彈簧鉸鏈附有調(diào)節(jié)螺釘，可以上下、左右調(diào)節(jié)板的高度、厚度。它的一個(gè)特點(diǎn)是可根據(jù)空間，配合柜門(mén)開(kāi)啟角度。除一般的 90 度角外，127 度、 144 度、 165 度等均有相應(yīng)鉸鏈相配，使各種柜門(mén)有相應(yīng)的伸展度。 大門(mén)合頁(yè)：它又分普通型和軸承型，普通型前面已講過(guò)。軸承型從材質(zhì)上可分銅質(zhì)、不銹鋼質(zhì)。從目前消費(fèi)情況來(lái)看，選用銅質(zhì)軸承合頁(yè)的較多，因?yàn)槠涫綐用烙^、亮麗，價(jià)格適中，并配備螺釘。 其他合頁(yè)：有玻璃合頁(yè)、臺(tái)面合頁(yè)、翻門(mén)合頁(yè)。玻璃合頁(yè)用于安裝無(wú)框玻璃櫥門(mén)上，要求玻璃厚度不大于 5~6 毫米。 而這次的合頁(yè)上面需要焊接齒輪，以上合頁(yè)都達(dá)不到我的設(shè)計(jì)要求，因此自己設(shè)計(jì)了一個(gè)合頁(yè)，合頁(yè)的左片是用一根長(zhǎng) 25mm、外徑 8mm、內(nèi)徑 3mm 的金屬管狀材料焊接在凸字形板料中間，合頁(yè)的右片是用兩跟長(zhǎng) 15mm、外徑 8mm、內(nèi)徑 3mm 的金屬管狀材料焊接在凹字形板料的兩邊，兩片合頁(yè)通過(guò)一根長(zhǎng) 63mm、直徑 3mm 的軸串接，中間有兩個(gè)推力球軸承以減少合頁(yè)之間的磨損。兩塊板料各自均有 3 個(gè)直徑3mm 的孔，已便于鉚接在窗框個(gè)窗扇上，如圖 5 所示 圖 5 合頁(yè)三維示意圖 HingeD representation 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 電機(jī)選擇 如圖 2 所示，減速電機(jī)通過(guò)固定架安裝在窗框上，它是窗扇能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，窗戶(hù)的應(yīng)在 4 秒左右完成一個(gè) 90 度的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此窗扇的轉(zhuǎn)速為min/ rv? ，窗扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力主要來(lái)自于上下兩個(gè)合頁(yè)之間的摩擦力，摩擦力的方向?yàn)榇怪焙退絻蓚€(gè)方向，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 1— 10，鋼與鑄鐵之間的摩擦因素為 ?? ，查《機(jī)械設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 1— 11，推力球軸承之間的摩擦因素 ?? ，簡(jiǎn)化模型后，轉(zhuǎn)動(dòng)窗扇所需力矩cmNRFrFM ?????????????????? 2y41x3 ?? 其中 r 為合頁(yè)內(nèi)孔半徑， R 為合頁(yè)外圓半徑。 因此選擇永磁直流減速電機(jī) ZGA20RU，具體參數(shù)如表 1 所示。 表 1 減速電機(jī)參數(shù) Gear motor parameters 參數(shù) 電機(jī)的直徑 20mm 出軸直徑 3mm 額定電壓 6V 減速比 1/1100 齒輪箱長(zhǎng)度 24mm 空載轉(zhuǎn)速 4r/min 額定轉(zhuǎn)速 額定力矩 cm 額定電流 此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩符合設(shè)計(jì)要求，并且具有尺寸小的特點(diǎn)。 齒輪設(shè)計(jì) 如圖 2 所示，一個(gè)齒輪安裝在減速電機(jī)上，另一個(gè)齒輪焊接在合頁(yè)上，兩嚙合齒輪將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給窗扇，使窗扇能夠平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。兩齒輪要求尺寸一樣且盡量要小。 選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)參數(shù) 按照本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。窗戶(hù)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不高，故選用 7 級(jí)精度（ GB 1009588)。材料選擇 45 鋼，硬度為 240HBS。根據(jù)合頁(yè)與窗戶(hù)的尺寸要求，兩齒輪的大小相同， cmdd 1621 ?? ，齒輪傳遞的力矩不大，按標(biāo)準(zhǔn)的第一西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 部分優(yōu)先選擇，選擇模數(shù) ?m ，齒數(shù) 32 ???? mdzz，中心距cmdda 162 16162 21 ????? 。 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（ 10— 5a）： ? ?Fd SaFaF zm YYKT ??? ?? 2312 （ 31） （ 1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 1)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 10— 20c