塑料门窗五金钢带的设计与应用
张海峰
【摘要】本文本着不影响五金件的使用性能，而又能降低生产成本，降低材料的消耗的目的，仅就制造动杆和静杆钢带的规格、使用、性能进行浅显的探讨。
【关键词】滑动板（动杆）;联动板（静杆）;抗弯强度;抗弯力;扭力;锁点;传动力;剪应力
塑料门窗五金件钢带规格的设计与应用，一直是一个大家较关心的热门话题。近几年来，用于生产塑窗五金配件的材料价格不断上涨，致使很多厂家为降低生产成本，而作了很多尝试，究其效果不是十分明确。
塑料门窗主要是由塑料PVC挤出型材、密封胶条、密封毛条、增强型钢、玻璃及五金配件等部分组成 ，其门窗的开启与关闭是靠五金配件来控制完成的。五金配件的组成：一是传动部件;二是固定部件;三是承重（合页、滑撑）部件;四是控制部件等部件所组成。用于传动及固定的部件——滑动板（动杆）和联动板（静杆）是五金件的重要组成部分之一。
滑动板及联动板所使用钢带材料消耗的降低，是降低生产成本的重要手段之一。滑动板及联动板的宽度尺寸，是装配于欧标槽口的配合尺寸，因欧标槽口是型材挤出的标准要求，故该方向的尺寸是不能减小或扩大的。厚度尺寸是用来承受传动力的，是与其他五金配件装配使用，所以，可采用改动其他配件装配尺寸的方法，以达到合理的配合。故滑动板及联动板的厚度尺寸是可以减小或扩大的，达到既降低钢带材料消耗，又保证五金件在门窗使用中其刚度及强度的最基本需求。
1. 理论分析及试验验证
1.1 新设计规格钢带尺寸及原规格钢带尺寸
滑动板新設计规格为：10×2.4（mm）;原规格为10×2.7（mm）。
联动板新设计规格为：16×2.2（mm）;原规格为16×2.5（mm）。
1.2新规格钢带与原规格钢带的抗弯强度计算
根据西北工业大学出版的《机械设计》中有关弯曲力的计算公式规定，弯曲力受材料性能、弯曲方法等多种因素影响，用理论公式来计算不但计算复杂，且不一定准确。因此，经工作实际总结出一套理论与实践相结合的经验公式，可做一般设计依据。
1.2.1滑动板
1.3 试验验证（如图1所示）。
1.3.1滑动板抗弯力
取新设计规格钢带10×2.4及原规格钢带10×2.7各3组样件，在实验机上分别作弯曲实验，获得以下数据：
新设计规格钢带：样件1：1020N;样件2：1050N;样件3：1030N;
新设计规格钢带平均值：1033.3N;
原规格钢带：样件1：1360N;样件2：1380N;样件3：1330N;
原规格钢带平均值：1356.7N。
1.3.2联动板抗弯力
取新设计规格钢带16×2.2及原规格钢带16×2.5各3组样件，在实验机上分别作弯曲实验，获得以下数据：
新设计规格钢带：样件1：1400N;样件2：1450N;样件3：1430N;
新设计规格钢带平均值：1426.7N
原规格钢带：样件1：1810N;样件2：1840N;样件3：1780N;
原规格钢带平均值：1810N。
1.4 结论
塑料门窗在实现启闭时各部件传动力应符合门窗启闭力不应大于“50N”的要求，且满足JG/T126-2007《建筑门窗五金件 传动锁闭器》标准之规定，锁点抗剪力1800N的要求，为使其性能更加得以保证，现增加一倍的安全系数为： 50N×2=100N。
通过以上计算数据可知，新设计规格钢带抗弯力：
滑动板：4434N、联动板：6180N。
而原设计规格钢带抗弯力：
滑动板：5329N， 联动板：7565N。
由此可知：虽然新设计规格小于原规格钢带抗弯力，但是均远远大于安全系数大一倍的启闭力“100N”及锁点抗剪力“1800N”的要求。
结论：能够满足塑料门窗传动力的要求。
2. 启闭传动力及锁点抗剪力应小于新规格带钢最薄弱位置的抗弯力及拉力
现标准规定启闭力为“50N”的数据包括：
a）门窗启闭时胶条的回弹力或压缩力;
b）启闭时各锁点与锁块的摩擦力;
c）启闭时滑动板与联动板的摩擦力;
d）其余传动部件的摩擦力等。
2.1 计算
新规格钢带：滑动板及联动板最薄弱位置截面，如图2所示。
滑动板最小截面的抗弯力：
P1=（B·t2·δb）/（R+t）=（4.8×2.42×435）/（2.4+2.4）=2505N
联动板最小截面的抗弯力：
P2=（B·t2·δb）/（R+t）=（9×2.22×435） / （2.2+2.2）=3915N
2.2 试验验证
取按照图2最小截面尺寸的钢带样件各6组，在实验机上分别作滑动板及联动板的拉力试验及弯曲试验，获得以下数据：
滑动板的抗拉力：样件1：13500N;样件2：14300;样件3：14800N;平均值为：14200N。
抗弯力：样件1：730N;样件2：690N;样件3：715N;平均值为：711.7N。
联动板的抗拉力：样件1：≥9800N;样件2：≥9800N ;样件3：≥9800;平均值为≥9800N。
抗弯力：样件1：960N;样件2：980N;样件3：970N;平均值为：970N。
（注：材料：Q235;硬度：HRB 90～95;状态：冷轧;）
2.3 结论
理论计算：
滑动板的抗弯力： 2505N大于50N的启闭力及1800N锁点抗剪力。
联动板的抗弯力：3915N大于50N的启闭力及1800N锁点抗剪力。
试验验证：
滑动板平均抗拉力：14200N，抗弯力：711.7N均大于50N的启闭力;
联动板平均抗拉力：≥9800N，抗弯力： 970N均大于50N的启闭力;
结论：根据以上计算及试验的各种数据，能满足塑料门窗使用性能要求。
3. 锁闭时的锁闭力应小于新设计钢带与锁点铆合的剪应力
塑窗锁闭时的锁闭力包括：a）门窗启闭力;b）门窗锁闭时的1/2抗风压力。
3.1 门窗启闭力
按行业标准“门窗启闭力不应大于50N”的规定，门窗启闭力在计算中增加一倍的安全系数，可按50N×2=100N力计。
3.2 门窗锁闭时的1/2抗风压力
按国家GB/T7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》标准的规定，在抗风压力为6级时，风压为：4000Pa，若窗扇面积为1 m2时，则承压力为4000N，门窗在锁闭时，设定风向为垂直门窗正面，则铰链及锁点的铆合销与五金钢带的铆合点各承受近1/2的风压压力，故可设定为：4000/2=2000N，
因为门窗锁闭力Fs包括：门窗启闭力Fq和1/2抗风压力Fy，
设窗扇受风面积为1m2时：
Fs=Fq+Fy=2000+100=2100（N）
设窗扇受风面积为1.5m2时，风压力按P=2000N
作用在塑窗上的总压力为：Fz=1.5×2000=3000（N ）
支点载荷 ：窗上设有铰链2个、锁点3个、设锁点均匀受力，各点承载力
Fh=1/2×1/3×Fz= 1/6×3000
= 500（N）
3.3 新设计钢带与锁点铆合剪应力
3.3.1计算
滑动板与联动板装配铆合后，各部位的尺寸如图3所示，联动板与锁点的剪应力：
设扭矩为 M=500×4=2000N.m时，在扭矩M的作用下，滑动板和联动板组合体所承受的剪应力τ
τ=M/Wh≤[τ]就满足塑窗的性能要求
[τ]为需用抗剪应力，不易查到，一般可用材料抗拉屈服强度（δs或δ0.2）之半乘以安全系数n。例如：低碳钢 δs=200N/mm2，则
[τ]= n×δs/2 = n ×100 =2.25×100 = 225（N/mm2 ）
n 为安全系数，可取2 ～2.5，本计算中取2.25中值;
Mh为抗扭截面模数，其计算较繁锁，结合本结构计算，如图4：
γ1==5.85mm
γ2==3.7mm
Mh=2（5.85×4.5×2.2+3.7×3×2.4）
=169 mm3
τ=M / Wh
=525/169 =3.1N/mm2
3.3.2结论
τ=3.1N/mm2远小于[τ]=225N/mm2;故其抗剪切应力，可满足塑窗的使用性能要求。
4.结束语
通过以上对塑料门窗五金钢带三个受力点的计算及实验验证，将门窗五金钢带改为新设计规格，能满足门窗的使用性能要求，是基本合理的。达到了既不影响门窗的使用性能，又降低了钢材的消耗，进而达到降低生产成本的目的。
因此建议：新设计规格钢带可适用于：常规窗型产品（高度在：2000mm，宽度在1500mm以下的窗型）。
非常规格窗型产品：可采用原规格钢带。同时可考虑特殊地区、特殊情况可特殊对待。
门用钢带建议还使用原规格钢带，可考虑有以下几个原因：
（1） 门的启闭频率高;
（2） 门的静载荷相对窗来讲要大得多;
（3） 门在启闭时所承受的力相对窗来讲要大;
（4）国产圆钢材质与国外钢材相比因含锰量稍稍偏低，如再降低规格，其受力状况可能受到影响。
参考文献
[1]《机械设计手册（第六版）》.化学工业出版社，2016.3
[2]《公差与配合手册》.机械工业出版社，2013.3
[3]《建筑门窗五金件 ?通用要求》 GB/T32223-2015
[4]《建筑门窗五金件 ?傳动锁闭器》 JG/T126-2017
[5]《建筑门窗五金件 ?多点锁闭器》 JG/T215-2017
（作者单位：亚萨合莱国强（山东）五金科技有限公司）
【中图分类号】TU513
【文献标识码】A
【文章编号】1671-3362（2020）01-0058-03
