提升推拉门由外框和门扇组成，其五金配件主要由执手、传动器、滑轮组成。整个系统利用了杠杆力学原理，通过轻轻转动专用长臂执手来控制门扇的提升和下降，实现门扇的固定和开启。当执手向下转动时。通过与之相连的传动器的传动，使滑轮落在下框的轨道上并带动门扇向上提起，此时门扇就处于开启状态可以自由推拉滑动。当执手向上转动时，滑轮与下框轨道分离且门扇下降。门扇通过重力作用使胶条紧紧地压在门框上。此时门扇处于关闭状态。提升推拉门关键的结构是提升机构和锁闭部件，下面我们将对提升推拉门的关键结构进行力学分析。

技术流（第38期）

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01、“技术分析”

＊　零件强度计算和材质选用

1 机构提升时轮轴的受力计算及材料的选取

图8为轮子受力分析示意图，两组轮组，四个轮子承受300kg质量的重力。

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图8 轮子受力分析示意图

轮轴主要受纯剪力作用。设单个轮轴受到的支撑力为F_支，S 为轮轴的横截面面积。

F_支=G/4=3000/4=750N

轮轴受到的剪切应力：τ=F_支/S

304 材料的屈服强度σ=205MPa，304 材料为具有塑性特性的材料，安全系数取n =2.0。

304 材料许用应力：

[τ]=205/2=102.5 MPa

切剪应力：τ< [τ]

S > F_支/[τ]

S > 750/102.5

S > 7.3mm²

S =πr²，得出r>1.52 mm，通常结合制造工艺和装配工艺，用作轮轴的铆钉的直径会取更大的值。

2 机构提升时转角块处各受力连接轴的受力计算及材料的选取

304材料的屈服强度σ=205MPa，304 材料为具有塑性特性的材料，安全系数取n=2.0；304 材料许用应力：

[τ]=205/2=102.5MPa

S > F /[τ]

S > 1483/102.5

S > 14.5mm²

r > 2.1mm

结合制造工艺和装配工艺，可以算出各受力轴的设计尺寸。

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图9 为机构提升状态示意图

3 前轮组固定板的强度计算

两滑轮之间为可抽象为两端固定的梁，力学模型如图10。

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图10 两端固定的梁力学模型

梁的最大弯矩：

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梁的最大弯曲应力：

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W_X为前轮组固定板对X 轴的抗弯截面系数（按最窄处19.5mm 计算），见图11。

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图11 轮组固定板横截面示意图

截面对X 轴的抗弯截面系数：取a=2.5mm，b=19.5mm

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304 材料的屈服强度σ=205MPa，304 材料为有塑性特性的材料，安全系数取n=2.0；304 材料许用应力：[τ]=205/2=102.5MPa ；材料选择不锈钢304 符合要求，尺寸设计符合要求。

4 塑料轮材料的选择和尺寸设计

接触应力是指两个接触物体相互挤压时在接触区及其附近产生的应力。

图14 为某款塑料轮设计参数，查机械设计手册可得相关参数：

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图12

椭圆方程系数：

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A/B = 0.01/0.39 =0.0256，在机械设计手册中查出系数n₃=0.6104；

v₁、v₂为材料的泊松比，E₁、E₂为材料弹性模量；

塑料轮材料为POM：v₁= 0.38 ，E₁=2600 MPa；

型材材料为6063-T5：v₂=0.32 ，E₂=68000 MPa。

最大接触应力：

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查相关资料可知：POM 抗拉强度σ_b=62 MPa，取安全系数n=2。

许用应力：

[τ]=σ_b/2=62/2=31 MPa

综上：接触应力24.9 MPa 小于POM 许用的应力31MPa，材料和尺寸设计符合要求。

＊　传动部分

1 系统传动机构选择

门扇的提升与下降功能是通过给执手施加扭矩，驱动曲柄滑块机构，带动传动杆，轮组座沿着轮组提升构件方向运动，实现门扇的提升与下降功能。三种提升推拉型材门的型材配合槽口如图1，由图可知铝合金提升推拉门搭接为8mm，所以将轮组提升构件提升的高度设计为8mm。

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图1型材截面图

系统传动可选择连杆传动构件，连杆构件间用转动低副连接，传动可靠，承载力大，耐磨性能好。连杆机构能实现多种运动形式的变换和多种运动规律的输出，构件中的运动副元素多为圆柱或平面，加工方便，精度容易保证。图2为系统传动原理图，图3为轮组提升构件原理图。

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图2 系统传动原理图

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图3 轮组提升机构原理图

按图3所示分析，构件提升8mm，在水平方向传动距离L为未知，θ 角越大，整个门扇下降越快，执手的反应是快速反弹，很容易造成执手伤人；当θ角过小，可能整个门扇无法下降，需要用力旋转执手，才能完成机构下降功能。

2 构件提升时，轮组提升构件的力学分析

当构件提升时，轮组提升构件的力学模型如图5。

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图5 机构提升时，轮组提升机构的力学模型

F 为水平方向的驱动力，f 为摩擦力，μ为摩擦系数，ψ 为摩擦角。

假设提升阶段为匀速，根据力的平衡方程得：

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综合（4）（5）（6）式得：

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化简得：

F =G· tan（θ + ψ）

由上式可知：ψ由两接触物体的材质决定，为常量；θ角度不能太大，θ角度越大，F 就越大，从而导致执手操作的力增大，机构在下降过程中也会加快；如果在300kg 的质量门扇作用下会产生很大的动量，易造成零件的损坏，体现执手上是快速反弹，容易造成执手伤人。

综上述（4）（8） 可得结论：θ>ψ ， 且θ 接近于ψ。

3 机构下降时，轮组提升机构的力学分析

机构下降时，轮组提升机构力学模型如图4。

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图4 机构下降时，轮组提升机构力学模型

F 为水平方向的驱动力，f 为摩擦力，μ为摩擦系数，ψ 为摩擦角。假设下降阶段为匀速，根据力的平衡方程得：

N=G·Cosθ-F·Sinθ（1）

F·Cosθ+ G·Sinθ=μ · N（2）

根据摩擦角与摩擦系数的关系：

μ = tan ψ（3）

综合（1）（2）（3）得：

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化简得：

F =G· tan（θ- ψ）（4）

当θ−ψ= 0时，F=0 ，这时构件产生自锁，无论F力多大，不能驱动门扇下降。

构件下降必须满足的条件：θ>ψ。

4 提升驱动力F 的计算

由上述可知，机构提升时的驱动力大于机构下降时的驱动力，以机构提升驱动力F 为研究：

F =G· tan（θ + ψ）

由上式可知，θ越大，提升驱动力F 越大。

执手施加扭矩驱动曲柄滑块机构，使滑块产生提升驱动力F，滑块将F 传递给传动杆，F 通过转角连接传递到提升机构；曲柄滑块机构竖直方向的移动距离L 等于轮组水平传动距离。考虑到锁盒的长度、高度尺寸不宜太大，这里取L=29.8mm，即取θ=15°。

5 轮组提升机构倾斜角度θ 和水平传动距离L 的计算

因ψ= arctanμ ，μ 为不锈钢 304和锌合金YX041 的摩擦系数，ψ 为摩擦角。查机械设计手册可得：μ= 0.2

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θ>ψ ， 且θ 接近于ψ。

根据图3 的三角形关系，可求出轮组水平传动距离L

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由上式可知，θ越大，L 越小。

6 方孔中心到曲柄滑块运动轨迹间的距离h，即曲柄力臂的计算

按JG/T 308-2011 建筑门用提升推拉五金系统第5.4.1 规定：提升推拉五金系统初始执手操作力不应大于100N。执手的操作力要求垂直手柄中心线，距离执手旋转中心230mm 处施加100N，如图6。

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图6 执手的操作力示意图

执手驱动力矩M_驱最大值：

M_驱= F_旋× 230 =100× 230 = 23000N⋅mm

要使系统提升，执手受到的阻力矩M_阻需满足：

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h 为方孔中心到滑块运动轨迹间的距离，由上式可知，θ越大，h 越小。考虑到锁盒的长度、高度尺寸的合理性及与型材的配合，这里取L=29.8mm，即取θ=15°，执手旋转180°；这里分析对五金件承重要求苛刻的情况，假设门扇质量m =300kg，g =10m/s 2，G=mg =300×10=3000N。得力臂h <15.5mm。

可用图解法设计出曲柄滑块机构原理图，校核h 值，见图7。

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图7 曲柄滑块机构原理图

可以求出h =14.2m ，小于15.5mm，符合要求。如果θ取其他符合要求的角度，也可以用上述方法进行计算和校核。

当执手旋转180°，门扇被提升后、系统只受门的重力作用时，力传递作用在滑块上，图中曲柄和连杆处于同一直线，滑块无法启动曲柄滑块机构，起到机构自锁作用，门扇不会自动下降，只有通过执手才能开启。

7 执手手柄长度最小值的计算

门扇提升时需要的开启力矩等于M_阻

M_阻=F · h=1483 × 14.2

=21058.6N · mm

M_阻小于许用最大力矩M_驱=23000N·mm ，符合要求。

要实现机构的提升，需克服M_阻，可求出手柄长度最小值，设手柄长度最小值为L' 。

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L' 为手心作用力的位置，根据人操作执手的习惯，手柄末端的实际长度应比L' 更长，通常取加长20mm 才能符合要求。

以上具体的数值计算和分析为门扇质量300kg 对五金件承重要求苛刻的情况。按标准JG/T 308-2011 5.4.1 条款：单个活动扇质量不大于200kg 时，系统初始操作力不应大于100N；单扇活动扇质量大于200kg，供需双方商定。门扇质量200kg 相关数值的计算和分析与上述方法一样，在这就不再累赘。

02、“结论”

＊　实践证明，本文理论计算和力学分析得出的结果，符合产品实际情况。对提升推拉门五金系统的设计和选型时，可参考本文的方法，先对相关零部件建立正确的力学模型，画出机构原理图，对规则的零部件，用传统理论公式进行力学计算；对不规则、特征参数变化的零部件，用权威的有限元软件进行仿真。此方法几乎适用于所有机械机构的设计。

通过对提升推拉五金系统的提升原理、结构分析、强度分析，我们对提升推拉门五金系统中的技术理论分析有了初步的印象。相信大家对提升推拉五金系统的设计理念有更深层次的了解。为了保证设计产品的严谨性、可靠性，技术人员必须具备较高的综合开发能力，我们不但会对产品的关键结构进行技术选型、理论公式计算，还需会使用有限元力学分析软件进行仿真。当今客户个性订做五金系统的需求日益增多、开发周期越来越短、质量要求越来越高的行业大趋势下，对产品的承重、功能、性能要求势必日益苛刻。这对设计人员的专业技术水平要求越来越高。通过本文的分析，希望提高五金系统的整体制作水平和行业的整体设计水平。

(文章来源：中建门窗供稿，侵删)