自动调节百叶窗设计

自动调节百叶窗设计 材料力学论文

百叶窗概述 • 随着科技的发展，百叶窗已经越来越频繁的出现在家居、办公及大型展览建筑中。呆板的建筑因此增加无限的灵动，让人赏心悦目。百叶窗给人们的生活带来了舒适，带来了斑斓。

百叶窗概述 • 现在普遍使用的百叶窗采用手动控制调节光照强度。本文所设计的新型百叶窗改变这种传统的动力控制形式，采用光电流发生器产生的光电流经过放大电路，电磁铁施力于液压传动装置，传递一力矩于百叶窗窗轴上，达到根据外界光线自动调节百叶窗叶片的转角的目的。

百叶窗总体效果图

原理简述 • 新型百叶窗采用光电流接收器接收环境光照，产生的光电流通过补偿电路进行调节，使电流强度与电磁铁磁力成线性关系，电磁力施加于液压缸的衔铁上，通过油路的液压传动施加于室内的工作液压油缸，带动齿条的运动。齿条与齿轮相衔接，齿轮带动其芯轴转动，使缠绕在芯轴上的绳长发生改变，从而达到调节叶片转角的目的。

液压传动原理图 • 电磁铁 • 液压缸

缸筒壁厚的计算 • 根据平衡方程ΣFy=0可以写出： бt(l×2δ)P×D×l=0) 壁厚δ=P×D/(2×бt)，其中, P为油缸工作压力; δ为油缸筒壁厚； D 为油缸内径

缸筒壁厚的计算 考虑到材料安全性问题，实际бt=бb/n бb为材料抗拉强度； n 为安全系数根据实际技术出的 P 来确定所选材料бb，并保证D 尽量小该液压设备中采用的是中低压 (160-25)×10E5的油缸，因此，n一般取 5

活塞杆直径的计算 一般来说，对于单杆活塞缸，当工作压力 P1<=50×E5Pa 时，受拉 d=(0.3-0.5)D 受压 d=(0.5-0.55)D 其中， d为活塞杆直径； D 为油缸直径

活塞杆直径的计算 • 从节省材料及考虑到加纵向压力至临界载荷时，出现的屈曲失效决定采取拉伸活塞杆的工作方式 • 强度验算：

活塞杆直径的计算 • 其中，F为活塞杆的工作拉力； d 为活塞杆直径； [б] 为活塞杆材料许可应力, б为活塞的抗拉强度；n为安全系数。取n>=1.4

使用液压传动的原因 • 由于光电流发生器安装在室外，可以将油泵1与发生艾放置在一起，在室外体积可以做的较大，这样就可减少室内油缸活塞的工作面积。使室内部分的体积减少，且可以一台光控油泵连接多个用户，降低造价。

使用液压传动的原因 • 液压系统噪音低，可承受较大的力，并且控制精度高，大范围内无级调速，随着室外光强变化可随时调节室内叶片转角 • 液压系统易实现过载保护，元件使用寿命较长 • 液压元件已标准化，系列化和通用化，便于设计和选用

电磁铁的静态电磁吸力 • IN——激磁安匝数 • Gm——磁导 • 。——磁导率可用电路调节使其输出力与光电流成比例

活塞杆直径验算 • 强度验算 • 稳定性计算

强度验算 F 为活塞杆拉力或推力； d为活塞直径； [] 为活塞杆材料许可应力 []=b/n 为活塞材料的抗拉强度； n为安全系数,n>=1.4;

稳定性计算 • 活塞杆受压时，有可能产生纵向弯曲，当此纵向压力达到临界值Fk时，压杆出现不稳定现象其中， Fk为安全系数 nk为活塞杆不产生纵向弯曲变形的临界力

旋杆部分的受力分析 • 旋杆部分分为框架、主体和传动部分。框架的作用是将旋杆固定在墙上，支撑固定主体部分，并对百叶窗起保护作用；而主体部分是百叶窗能自动调节光线的关键，它连接液压动力部分和叶片，完成传动功能；传动部分由齿轮、齿条组成，用于传递动力。下面，我们就对旋杆的受力及传动进行分析。

框架 • 框架由 1、2、3、4 四个面组成。如图所示

框架 • 1为安装板，对称的分布在框架的两侧，用于将框架固定在墙上； • 2为轴承槽，用于将旋杆安装在框架上时，固定轴承。其下面的开口槽 • 3是为了便于安装而设计的。

框架 • 在应用时，框架受力：在1处受到的力设为N1、N2， N1=N1x+N1y+N1z, N2=N2x+N2y+N2z 在2处受到的力设为P1,P2，另外，受到自身重力W1

框架建立如图坐标系，在x方向有N1x=N2x=0 在y方向有N1y=N2y 在z方向有W1+P1+P2=N1z+N2z 因为设计对称,所以有 P1=P2,N1z=N2z

框架 • 设P1=P2=P, 则N1z=N2z=P+W1/2 • 框架在x方向的剪力图如下（各部分长度如图）

框架由分析可知a点处的弯矩达到峰值，在a 点处有 M1=P a 中点处有 M2= -Pl/2+(P+W1/2)(P/2-a) = -Pl/2+Pl/2+Pl/4-aW1/2-Pa =PW1/4-Wa/2-Pa

框架当M1增大时， M2减小，同理，M2增大时，M1减小。因此，为使峰值尽量减小 M1=M2 Pa=PW1/4-W1a/2-Pa a0 =PW1/4(W2+W1/2) 设计时应尽量使安装板的固定部分中心与轴承槽中点之间距离接近a0

框架 • 由于P 、W 与 Nz 不在同一直线上，会产生延 X 轴的扭矩Mx=b/2(2P+W1) • 为使外框平衡，固定板上还要承受相反的扭矩，其大小Mx’=b/2(2P+W) • 固定板上受力如图：

框架士大夫士大夫

框架 • 因为a减小，可以减小M，所以应使a尽量小

框架 • 从上面的分析可以得知

主体部分 各零件介绍支杆：支杆将通过两端的轴承固定在框架上。在支杆上固定由一齿轮，作为传动装置；支杆上将在接近两端及中间的位置设计四个凹槽，用于固定悬线缠绕的位置；在凹槽的边上装由圆环，用来定位悬线，以消除由于绕线造成的两根悬线的错位。

主体部分 轴承：用于固定、支承支杆。在分析时，我们忽略支杆转动时与轴承滚珠间的摩擦，视为理想的情况。它对于支杆的作用力向上。轴承将被装在框架的轴承槽中。齿轮：齿轮直接固定在支杆上，与装在墙上的齿条接触。由于齿条上下移动而带动齿轮转动。

主体部分 悬线：绕在支杆的凹槽中，通过定位环保证两根线在同一截面内。由于支杆的绕动，两根线交替收放，控制叶片的转动。主体部分示意图见下

主体部分 • 支杆受力分析：受力情况见下图

框架在x方向的剪力图、弯矩图如下

主体部分 可知Nx1=Nx2=0 在y方向 Ny1=Ny2=T1 y方向的剪力图见下：

y方向剪力及弯矩图

主体部分 Ny2l=Td Ny2=Dt/l NY1=T-Dt/l=(l-d)T/l 可知Mmax=(l-d)dT/l，出现在齿轮的位置，实际设计时，应尽量使d很小。设计时，由于为了保证叶片的稳定，四组线之间的距离相等，所以有 Nz1=Nz2

主体部分 • W2为百叶窗叶片的重力，P=Nz1=Nz2=(F1+F2+F3+F4)/2=W2/2 弯矩M见上图，

主体部分 • 当e和f减小时，可知最大M 将减小，因此设计时要尽量减小e、f并使e=f以保证最大Mmax出现在杆的中间，最大挠度wmax也出现在杆的中间，这样可以使叶片保持稳定。 • Mmax=4M1，M1=1/4Mmax，由此可知设计时应减小扭矩作用的长度

主体部分 因为，M1=fRdl 为保证线能在杆的带动下运动，M1必须足够大。可以增加L以增大M1。两根线拉力分别为T1，T2 T1+T2=W2， T1-T2=f

齿轮、齿条传动 • 在支杆所对应的位置，在墙上装一导轨。将一能在导轨中自由滑动的齿条装在导轨内，齿条上方由弹簧连在固定端，齿条下方接液压动力装置。齿条会在液压动力装置及弹簧的作用下在竖直方向移动，从而打击的齿轮转动。

齿轮、齿条传动示意图及受力分析

齿轮、齿条传动 • 当齿条向上运动时 S+F=kΔx F=kΔx-S 此时，弹簧处于拉伸状态 • 当齿条向下运动时 S=F+kΔx 此时，弹簧也处于拉伸状态

自动调节百叶窗设计

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