铝合金平开门用液压铰链的设计与应用

铝合金平开门用液压铰链的设计与应用

春光五金有限公司林文维

关键词：铝合金平开门铰链液压闭门器液压缓冲

一、前言

随着人们生活品质的提高，人们对门窗功能也提出更高的要求。从最初的采光通风功能到现在的内平开下悬、平开限位、电动开启窗等。现代建筑逐步向智能化管理发展，闭门器的发明更是成为现代建筑智能化管理的一个不可忽视的执行部分。它的设计核心思想在于实现对关门过程的控制，使关门的各种功能能够按照人的需要进行调节。闭门器的意义不仅在于将门自动关闭，还能保护门框和门扇（平稳关闭）。目前在铝合金门窗市场上平开门想要实现自动关闭功能都要安装液压闭门器，但是闭门器是安装在门扇的上方，从外观上看是整体凸出、刺眼且破坏了门扇的整体美。由此引发了思考，设计一款具有闭门器功能的铝合金平开门铰链，使得平开门铰链与闭门器的功能集成，既节省了成本又缩短了安装工时。并且省了外装闭门器使门的整体更加简洁美观。

二、设计说明

1、在设计之初对普通平开门铰链+闭门器和液压铰链进行了比较，见表1

表1

名称普通门铰链+传统闭门器液压铰链

外观凸出、刺眼，破坏门扇的整体美简洁、美观，保持门扇的整体美功能门扇承重部件自动关闭功能承重部件+自动锁闭

耐用性长时间使用易出现下垂现象，多表面强磨损结

构，容易漏油，连接部位容易脱落

独一无二的凸轮曲线高耐磨设计，有效避

免机械磨损故障，大大提高了使用寿命

安装施工不方便方便

价格与费用总体性价比很低总体性价比很高

2、液压铰链的工作原理

1）开门时内部活塞下移，闭门时活塞上升，通过液压油回流速度调节，达到闭门速度的调节。2）开门时，扭簧加力，闭门时释放扭力，达到闭门动力。

3）当门扇开启角度大于90°时可在设定位置保持静止状态即驻持功能。

图1 液压铰链零件名称

3、结构与功能尺寸分析：

液压铰链的结构与功能尺寸主要是各零件之间的配合尺寸和铰链与门框、扇型材的配合尺寸。此铰链适用的型材必须为欧标C20槽口，其重要尺寸为扇槽底宽20mm ，扇槽口宽15±0.2mm ，扇槽深3mm ，扇槽高4.5mm ，五金件活动空间11.5mm （图2）。

图2 平开门型材图 1）铰链与框扇连接的结构：

铝合金窗是一种薄壁型材，一般壁厚≤2mm ，且铝合金的材质硬度要比钢制螺钉低(相差3倍)，所以铝合金窗合页一般不采用直接螺纹连接式安装。夹持式(C 槽型)安装采用无自攻螺钉的安装方式。压板采用优质不锈钢304材质冲压成型，独特的边缘毛刺型设计，确保与型材的抓合力更强(图3)，框、扇压板均采用预装式即在框、扇组角前将压板放入槽口中；

图3 铰链安装示意 2）铰链液压缓冲结构设计：

活塞连接套筒采用双S 凸轮设计，保证磨损最小，动力最大。门扇开启过程中带动套筒转动，活塞沿双S 滑轨运动（图4），通过液压油回流实现关闭时的缓冲效果。并且通过调节调速螺钉可以对门关闭的速度进行调节。精密的活塞液压运动能有效的吸收冲击，保证关门更轻柔、更安全。当某种外力（如强风）突然施加于门时，铰链能瞬间启动缓冲功能。

图4 活塞推进过程 门扇在启闭过程中，活塞的运动方向(见图5)，在门扇开启时，活塞位置下移，液压油通过单向节流孔进入到活塞内腔。在门扇关闭时，因为压强作用，节流孔内的钢珠堵住油孔使液压油只能通过活塞中间φ2通孔的环形缝隙进入到液压缸中，通过调速螺钉头部的调节杆伸入长度控制流量（见图6）。根据液压环形缝隙流公式

3

12d Q p L

πδμ=△ （1）

图5 活塞运动方向图6闭门速度调节

d—通孔直径，d1—调节杆头部直径，d2—调节杆根部直径（d1＞d2），δ—环形缝隙量

图7环形缝隙流模型

由公式（1）可知，流量Q与环形缝隙量δ成正比关系。调节杆的杆件采取倒锥形设计，当调节杆下移时环形缝隙量δ减小则流量Q减小，反之则流量Q增大（见图7）。

同时根据流量的定义公式

V

Q

t

（2）

由公式(2)得出当体积V一定时，时间t与流量Q成反比关系即流量Q越大所需时间t越小。3）自动闭门及驻持功能结构设计：

高强度的扭簧保证了输出足够的扭转力使铰链可以自动回位。在活塞连接套筒内设有圆柱销，当圆柱销处于连接套筒与定位座时，扭簧处于启用状态。当圆柱销处于连接定位座与导向杆时，扭簧处于失效或驻持状态（见图8）。

图8驻持功能结构

a、扭簧扭力计算：扭转弹簧钢丝主要承受弯曲应力，矩形截面钢丝比圆截面钢丝弯曲刚度大，因此矩形截面扭转弹簧储能高可以输出强力扭矩。矩形截面扭簧工作扭矩公式：

312180E b t T n D

⋅⋅⋅=⋅⋅⋅α

（3） 设定参数：材料为65Mn ，弹性模量E=196 GPa ，线宽b=2.4mm ，线厚度t=3.5mm ，门扇最大开启180°状态时扭簧扭转角度α=360°，有效圈数n=17.5，中心直径D=15.3。

由公式（3）可得出33max 19610 2.4 3.5360125541218017.515.3

T N mm ⨯⨯⨯⨯==⋅⨯⨯⨯ b 、导向杆的强度核算：对于等截面圆轴，其最大切应力max τ发生在max T 所在截面的边缘上。因而强度条件的公式： max []t

T W ττ=≤ (4) 因为扭力是由扭簧传递到导向杆，所以导向杆最大扭矩max 12554T N mm =⋅，导向杆直径D=8.5mm ，材料为45#碳素钢，其600b MPa σ=

由公式（4）可得出36max 339

125541255410104101048.5101616

t T Pa MPa W D τππ--⨯====⨯=⨯⨯ 导向杆的许用切应力max []/5120b MPa τστ≈=≥，因此导向杆的结构强度是安全可靠的。

4、液压铰链的安装、使用和调节

铰链的安装与普通平开门铰链安装类似，直接用螺钉将合页与预装的压板连接。此铰链分左右，安装时需分清左右方向。铰链安装位置距离门的顶端下，底端上200mm 的位置为宜（见图9铰链外形尺寸）。为方便安装，在扇活页位置设有内六角紧定螺钉，它的作用就是起到扭簧的离合功能。在拆卸这只螺钉前合页的扭簧功能处于失效状态，框扇活页可以随便转动。安装时需注意尾部带调节螺钉及调节标识的一端为框活页必须装在下方。装好后试开门扇确保无阻碍和噪音，然后将门开到90°-180°范围内，用内六角扳手将内六角紧定螺钉拆下。当门扇完成一次关闭过程时扭簧闭门器功能即可开启。最后通过调节调速螺栓可控制门扇关闭所需时间。

图9 液压铰链外形尺寸 三、结论

液压铰链巧妙的结合了普通门铰链与闭门器的功能，结构紧凑、体积小、重量轻、造型美观、安装便利，在一定程度上节省了成本。同时因为这种铰链在铝合金门合页中是个新型产品，它既不能适用JG/T125-2007《建筑门窗五金件 合页（铰链）》，也不能适用

QB/T2698-2005《闭门器》的检测标准，所以在产品检测上面还处于一个空白。为了更好的推广这款新型的液压铰链，希望能得到同行及协会的支持，完善或起草相关的产品标准，共同促进行业的技术进步。