外平开窗摩擦铰链受力分析.docx

外平开窗摩擦铰链受力分析孙波同济大学摘 要： 外平开窗摩擦铰链使用已久，但对其受力性能的了解一直是基于经验，缺乏理论阐述。 本文利用有限元分析对其受力进行分析并总结规律。关键词： 外开窗； 摩擦铰链； 有限元分析； 应力Abstract: Although used for a long time, the understanding about the performance of the friction stay-arm has been still based on the experience instead of theory. This text tried to analyze it with FEA software and make a conclusion.Keywords: side hung opening out window, friction stay-arm, finite element analysis, stress1前言外平开窗用摩擦铰链 （以下简称摩擦铰链）是 很常见的一种门窗五金，在广袤的中国大地上使用 范围之广、项目之多、历史之久，已经近乎成为标准 配件。 虽然许多地区已开始逐步限制使用外开窗， 但在可预见的未来，摩擦铰链仍将使用很长一段时 间。 所以，对外平开窗摩擦铰链进行充分了解依然 具有普遍意义。遗憾的是， 虽然这种摩擦 铰链使用广 泛， 项目 众多，但目前大家对其各种性能——特别是非常重 要的受力性能的了解基本源自零散的个人经验，缺 乏归纳总结，没有体系，各种说法不一，甚至互相矛 盾。 举例来说，以外平开窗最常见的“掉角”问题而 言，掉角与哪些因素有关，应该怎么避免？ 即便是摩 擦铰链厂家对这类受力问题的回答也都是含糊 其 辞，或者讳莫如深，避免正面回答。为更好理解摩擦铰链的性能，笔者曾经查阅过 业界同仁的一些关于摩擦铰链力学分析的文章，基 本思路大致都是利用材料力学+ 结构力学的方法， 将摩擦铰链简化为连杆结构， 画出结构计算简图， 再根据力的平衡和力矩 的平衡， 计算 得出其变形 数据。 但笔者以为这种方法有待商榷，其中主要的 问题如下：a) 将摩擦铰链作为隔离体单独分析，而不是作 为窗户的一部分来进行整体考虑。 换而言之，只考 虑单个摩擦铰链受力性能， 而不综合考虑窗框、窗扇等对于摩擦铰链的互相作用。 众所周知，单独考虑摩擦铰链的分析是没有多大意义的，因为实际应 用条件很清楚， 肯定是成对用在外平开窗上， 与其 他构件之间的约束作用也是非常明了， 不能忽视 的。 举例来说，单个摩擦铰链是典型的平面悬臂构 件，受压后变形非常明显，但是在平开窗中，下部的 摩擦铰链受压、 上部的受拉， 并在窗框和窗扇的框 架限制作用下， 反而变形会减小很多， 与摩擦铰链 单独受力结果会有数量级的差别；b) 摩擦铰链过于简化。 为了简化计算，有些文 章中将摩擦铰链删去“不必要的”部分，简化成三连 杆甚至是二连杆。 这样做其实是人为地忽略了杆件 之间的相互作用， 背离了摩擦铰链的真实结构，造 成了较大的偏差；c) 所使用的结构力学适用范围有限。 我们知 道，结构力学主要是针对杆件结构类型， 其适用范 围基本是长细比大于 10:1 的细长杆件。 而摩擦铰链 中的较短杆件远远小于这个长细比，而更类似长宽 接近、厚度较小的平板结构。 同时组成中的滑动块、 连杆的凸缘、折弯等钣金构造手段更超出结构力学 简化范围，结构力学已不适用；d) 忽略应力集中。 众所周知，机械部件的应力 集中部分，如孔眼、卷边、凸缘等位置往往是最薄弱 部位， 其失效原理与其他部位不同， 更加复杂和难 以控制（具体可参照断裂力学）。 如果这部分完全不 考虑， 则可能会造成人为偏安全的使用， 埋下日后492012.02TMDoors Windows图 1 三维建模的摩擦铰链摩擦铰链窗框 窗扇玻璃重力荷载 窗扇+摩擦铰链重力荷载图 2 荷载的添加图 3 分析结果示意图部品与原材料专栏·五金件的事故隐患；e) 忽略摩擦铰链自身的变形。 虽然摩擦铰链本 身的刚度较大， 但因为形状（ 悬臂结构） 和材质（ 大 密度）的特殊性，本身质量带来的影响不可忽视，将 其视成不变形的刚体不够合理。 否则与 d)一样，计 算结果比实际更加偏安全。看到这里， 肯定有读者会 问， 既然有这 么多问 题， 什么样的计算才能得到更接近真实情况的结 果？ 当然最理想的办法是做大量对比实验，再根据 实验结果采集数据，进行回归分析，总结规律，但这 样做无疑是浪费大量人力财力，可行性不高。 结合 摩擦铰链的复杂程度， 简单简化已不适用， 笔者建 议使用计算机，也就是用有限元软件分析计算。 有 限元软件的基础—— “有限单元分析法（FE