邵百成 劉學林

單、雙支點滑撐大量用于建筑外窗。產品技術的精髓與關鍵——三角頭機構，很多初識者對此認識不全面，個別測繪的圖紙的零件尺寸明顯違背搖桿機構存在的條件；忽略了滑撐在開啟初期某一小角度范圍內存在自鎖現(xiàn)象。

本文以產品實例對滑動雙搖桿機構的軌跡再現(xiàn)及約束條件進行分析，對三角頭機構、輔助搖桿的作用及自鎖的現(xiàn)象進行分析，拋磚引玉，與同行業(yè)者深研、優(yōu)化、改進、創(chuàng)新。

一 、滑動雙搖桿機構軌跡再現(xiàn)

1．滑動雙搖桿機構存在的幾何條件

滑動雙搖桿機構是由六個桿件鉸接和一個滑動鏈連接所構成，是屬于六個轉動副一個滑動副組成的封閉運動鏈。長搖桿支點是固定的，短搖桿和輔助搖桿為滑動支點。

該機構主動桿是懸桿c（圖1），懸桿c上的O3、O4兩個支點分別與長搖桿b上的O3點和短搖桿d上的O4點鉸接，構成一個懸桿。平開窗的活動窗扇與懸桿固定在一起。短搖桿d的另一端與滑塊e上的O5鉸接，輔助搖桿的一端鉸接在滑塊e的O6點，輔助搖桿的另一端與長搖桿的O2點鉸接?；瑝Ke滑動連接在固定機架a的導槽內。長搖桿的末端鉸接在機架a的O1點，這就是以懸桿為主動桿的滑動雙搖桿機構。圖2是圖1重合時的剖面圖。

圖1

圖2

假如在圖3中不安裝三角頭機構時，懸桿c最右端在一外力P作用下 （圖3）繞O4點作回轉運動。按幾何學觀點，各桿件尺寸必須滿足下述條件，當滑塊e上的O5、O6點距離遠小于短搖桿d時：

（1）b2、c、d、e、f五邊形中其桿長的向量值為：

（2）bcdea四邊形和其內的三角形b1fa中，桿長的向量值為：

（3）圖2各桿件成一直線，重合在機架a上時，桿件長應滿足：

（4）設O1與O2間距為a軇，是變化的，其變化值為導桿行程Δ：

圖3

2.窗扇 （懸桿c）開啟過程中各桿在三個位置軌跡的再現(xiàn)

窗扇開啟的初始階段的變化狀態(tài)在圖3之前的狀態(tài)和在圖3、4、5的各α角度下各桿件位置，圖3之前狀態(tài)是桿c右端在外力P作用下開始回轉一微小角度。這時c桿的O3點帶動長搖桿b以O1為圓心O1O3為半徑順時針轉一個微小角度α；此時b桿上的O2點帶動f桿反時針轉一個微小角度形成一個O1O2O6三角形。使得：a軇=f軆+b軋1故滑塊e向動右移動Δ距離，同一時間，O4點也右移同等量的Δ，d桿以O5為圓心順時針微微轉一小角β（這是圖3之前微動的狀況）。在力P繼續(xù)作用下如圖3，c桿小幅度轉動，c桿以O4為圓心以O3O4為半徑反時針旋轉畫一弧A，此時b桿被c桿帶動，以O1為圓心O1O3為半徑順時針旋轉畫一弧B，二弧交點O3即為二桿鉸接點的軌跡位置。O3點到機架a的變化值為h軌1。由于b桿的旋轉又帶動輔助搖桿f以O2和O6為圓心以O6O2為半徑反時針旋轉，使滑塊再右移到Δ1，從圖3可以看出此時：

故O6點右移小段距離為Δ1。由此可知各桿的軌跡是以各桿上鉸接點互為瞬時圓心而轉動，瞬時圓心是隨桿件角度變化而變化的。此時有一自鎖現(xiàn)象出現(xiàn) （后面再闡述）。

c桿在加大的力P連續(xù)作用下突破自鎖區(qū) （下邊闡述）后，以O3為支點一邊隨鉸接點O4為圓心反時針旋轉，一邊帶動b桿順時針繞O1點旋轉，α角增大到α2，三角形O1O2O6中底邊a軇再度縮小，O5、 O6再向右移， a軇=a軇max-Δ2， 其軌跡狀態(tài)如圖 4。窗扇處于半開狀態(tài)，d桿與a的夾角為β2。由于c桿再繼續(xù)反時針回轉運動，滑塊e進一步右移，d桿的β2角增大到圖5的β3，則b桿的角α增加到圖5的α3，此時O3點至e桿的垂直距離h軌3值也由于d+c投影距離的增加而增加，h軌3達最大值，懸桿則處于開啟最大值近90°（近似垂直a）位置。至此完成預設的運動軌跡，終點是滑塊最大行程：

3．c桿開啟初期的自鎖現(xiàn)象

如圖3，在c桿開啟運動的初始，正如此前所訴，滑塊e向右移動距離Δ1，d桿 O5除移動 Δ1外，還順時針轉動了一個微小角度β1此時出現(xiàn)P力不能使c桿帶動b桿順時針轉動也不能使b桿順時針或反時針轉動的自鎖現(xiàn)象。在機械原理中自鎖條件是機械效率等于零?，F(xiàn)從幾何觀點也可證明該機構的自鎖，條件是c桿反時針轉動促使d桿的O4點受向下的力而反時針轉動 （當然更不可能使d桿順時針轉動）可是不能反時針轉動的原因是因為c桿的O4點以O3點為圓心轉動的軌跡與d桿的O4點撓O5點為圓心轉動軌跡交叉于一點 （圖6）之故。而該機構的正常工作條件是使d桿的O4點順時針轉動，條件是滑塊e在右移，增大β、α角這時作用在d桿O4點上的力能分解出一個分力促使d順時針轉動；當轉動被 “卡住”自鎖時，可將作用力P的方向指向斜右上方，d桿的O4點、b桿的O2點同時產生順時針方向的作用力可使d桿b桿順時針轉動，自鎖可解除而能正常工作。此外在O4點外加一個向上的小的F力，同樣可以解除自鎖。

4．不設置三角頭機構滑動雙搖桿機構的軌跡是自由的

從各桿件重合處在一條直線時 （窗扇關閉狀態(tài)）開始，當對本機構的懸桿c無約束的話 （無三角頭機構時），c桿在P力或力偶M （P）作用下，會出現(xiàn)如圖7那樣情況，c桿以O3為圓心反時針轉，d桿以O5為支點，向水平機架a的下方反時針旋轉到O4新位置，當P力繼續(xù)作用下去其軌跡如圖8，d桿繞到水平機架a的下方。桿c隨O3、O4支點而作回轉運動成垂直狀態(tài)。這種運動軌跡與預設的在機架a的上方且垂直機構a的軌跡根本不同。為達到預設軌跡的目的首創(chuàng)者巧妙地設計出將三角頭機構作為約束條件使滑動雙搖桿機構實現(xiàn)平開窗啟閉的要求 （圖1）。

圖4

圖5 A （雙支點）

圖5 B （單支點）

二、三角頭機構幫助滑動雙搖桿機構實現(xiàn)初始階段的正常軌跡

圖6

圖7

圖8

三角頭機構由兩部分合成。一部分叫做凹角構件，凹角角度為124°左右將其固定在機架a的左端。另部分把桿c上的O4點左端頭做成三角形的凸臂，角度約78°左右。當滑動雙搖桿機構的各個桿件重合在機架a上時，使桿c的左端三角凸臂靠在凹角構件的凹角中心頂部 （見圖2）。

1.三角頭機構在開始啟動初期，能阻止圖7中c、d交點O4反時針向下轉動如圖9左端，從圖3之前狀態(tài)開始到圖9過程，c桿在外力P作用下產生力矩M （P）是反時針方向。當c桿的三角形凸臂與凹面角構件下邊在Ox點接觸后，抬高了O4點，點產生了一個β1角，與此同時c桿上O3點帶動b桿產生一個α1角，O2點帶動f桿反時針轉動形成三角形O1O2O6（見圖9）。則有：

由此可知a軇＜f+b1， 滑塊 e被 f帶動右移 Δ1距離，此時產生自鎖現(xiàn)象，c桿不再轉動，用手板動c桿很費力。如一、3所述，一旦解除自鎖后c桿會帶動各桿轉動使α、β角擴大到α2、α3，β2、β3（圖4、圖5）完成滑動搖桿機構 （滑撐）的開窗程序此時滑塊 e 行程為 Δmax=a軇max-a軇min懸桿 c （窗扇）從 0°變到 90°（圖 5）。

圖9

2．當關閉開平窗時，要保證窗扇與窗框的密封條平行接觸均勻壓緊，保證窗戶的氣密性，三角頭機構也起到了關鍵作用。因關閉窗扇時，密封條被壓緊后對c桿產生一個反作用力，方向為水平機架a的上方。此時與窗扇固定在一起的懸桿c的左端受一個向外開的力，這個力相當于在圖9的F力。如果沒有三角頭機構時會使懸桿c順時針轉動離開窗框造成窗扇左側密封不良而漏氣；如果有三角頭機構時，關窗時c桿上左端的三角形凸臂會沿凹角構件凹角上方的一個邊逐漸滑入使凹角與凸角靠上。這時窗扇壓緊密封條對c桿產生的反力向外，c桿的三角形凸桿被凹角構件擋住不能反時針旋轉而被打開。因此保證了氣密性的可靠性能；同樣道理假如沒有三角頭機構時，在窗扇 （c桿）的左邊用扁平工具就會撬開平開窗。當有三角頭機構后，c桿 （窗扇）會被三角頭機構凹角邊上邊卡住，所以三角頭機構的防撬功能是非常大的。

三、輔助搖桿f的作用

1．在圖1裝配圖中如果去掉輔助搖桿f后，就成五個連接桿機構組成的滑動四邊形機構。是一個非穩(wěn)定的機構 （如圖10a到圖10e）。當滑塊e在機架a上可滑動時，這個四邊形雖然可以達到桿c垂直于機架a，平開窗打開窗扇成90°的目的如圖10b時的狀態(tài)，但只要在c桿上 （圖10b）上加一個平行c桿的力P，則四邊形機構就會使短搖桿d繞O5支點反時針旋轉，長搖桿b也會繞O1支點反時針旋轉，因懸桿必然隨O3O4的軌跡變動而回轉到機架a的下方 （圖10c、d、e），不是預設平開窗的保持90°，O4不向下移動功能要求。

圖 10 （a）

圖 10 （b）

圖 10 （c）

圖 10 （d）

圖 10 （e）

2．輔助搖桿f的作用。在圖10a的五桿組成的四懸桿機構上恢復b桿支撐腰在d桿的O4點不下沉e桿上鉸接的輔助搖桿f后，恢復為圖1、圖3、圖5那樣的滑動雙搖桿機構的正常軌跡支撐桿d的O4點不下沉。就可以看出是f桿起控制穩(wěn)定軌跡作用。

3．f桿的垂直自鎖作用是平開窗上懸窗在垂直狀態(tài) （圖5）沿c桿長度方向的向下外力P作用到d桿，使d桿有繞O5反時針旋轉的趨勢。b桿也有被c桿交點O3帶動以O1為支點反時針旋轉的傾向，但是輔助搖桿f近似垂直于機架a上的受力P也垂直機架有f桿支撐d桿O4點不會轉動下沉，因此整個滑動雙搖桿機構就產生垂直自鎖穩(wěn)定平開窗在開窗狀態(tài)。

四、窗用滑撐存在的缺點

滑撐普遍存在初始階段的自鎖問題，雖然不影響使用，但總不算完美。按照三角頭機構的作用機理對桿件尺寸進行優(yōu)化設計，可以解決這個問題。

另外平開窗滑撐的下沉懸臂彎曲變形是一個嚴重問題。解決的難度非常大。產品在工程使用中，只要出現(xiàn)此類質量問題現(xiàn)象，必嚴重降低產品的使用壽命，影響產品功能的有效達成。

目前市場上和工程使用中出現(xiàn)時，雖然有些應對的方法，但都是治標不治本。徹底解決的難度在于窗結構尺寸要求限制了滑撐的桿件必然是板條狀，板條件其慣性矩非常小，這是抵抗重力產生的懸臂彎曲變形主要因素；另外的因素就是鉸接結構的磨損，以及桿件沖壓加工過程中產生的殘余應力，影響抗彎曲變形及蠕變變形。

解決，來源于科學的分析和認知。

因此，對產品的深度研發(fā)和科學性的發(fā)展，是每一個在市場上受尊重企業(yè)永不停息的價值延續(xù)。