一种兼具防风防雨功能的自动关窗设计.doc

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”创意大赛参赛作品一种兼具防风防雨功能的自动关窗设计 摘 要窗户打开时，位于居中位置；风力大到一定地步，作用于窗户上的风力在和其他力的和作用下将窗户吹关上，同时自动上闩装置合扣，窗户关闭；下雨时，通过海绵的重力变化带动传动装置，使阻碍力消失，窗户关闭。本设计基于脱离电子传感设备的基础上，采用相对简单的机械装置达到要求，在复杂多变的环境下更具优势。此外，窗户具有便于清洁、防盗等优点。此设计不采用电力驱动，关窗能源来自风力和重力，符合低碳环保的宗旨。关键词：风雨天 自动关窗 窗型设计 海绵Abstract：The window is closed by the force of wind and other force when the wind itself reaches a level. Meanwhile the window locks itself by something designed for auto-locking. When it rains, the change of gravity of a kind of plastic make the force of blocking disappear and finally cause the close of the window. This design is not on the basis of an electricity-sensor. It makes it by using an uncomplicated machinery structure to have an advantage in more conditions. Besides, the design is convenient for cleaning and other sides. In conclusion, the power from wind and gravity make it an environmental-friendly design which is needed seriously in these days. Key words：Wind, auto-closing window, window design, plastic目 录1引言：52创意产生：63创意说明：73.1防风：73.1.1原理：73.1.2基本设计93.1.3理论论证：123.2防水：143.2.1原理：143.2.2具体设计：143.2.3物理分析：173.3自动上闩184使用环境：195优劣性分析：206总结：207参考文献：211 引言：在风大、尘重的北方，大风刮起往往具有突然性、随机性、持久性，而城市的建筑布局往往使建筑间形成“风道”，使刮风效果更为显著；而沙河校区的情况尤甚，大风有时能用“恐怖”形容。这种情况对屋内无人而又忘记关窗会造成很大的麻烦：屋内吹进大量灰尘、屋内物品被风吹乱，而窗户也容易被吹坏等。同理，北方的暴雨也具有同样的特性，忘记关窗可能带来电子设备的受潮而造成无法弥补的损失，带来的麻烦甚至不亚于大风。通过查阅资料，我们发现，市面上基于传感器基础上的智能窗户虽然早已存在，但此类设备价格昂贵、配套设施复杂，往往是智能家居系统中的一部分，在实际应用中并没有走进千家万户。而近年来独立于智能家居系统的设计也并未脱离对电能和电子设备的依赖，使得其成本相对实际使用价值较高，经济性比较差。因此，我们希望设计出一种能够充分应用风能和窗型设计在大风天自动关闭的窗户；而对于下雨自动关窗，我们也希望能尽可能使用简单常见的方法解决，并将其推广，方便千家万户。2 创意产生：我们研究了各类窗户，发现在目前的平开窗和推拉窗两大类常见窗户中，平开窗相对更容易进行设计，且应用更为广泛。在吸收前人经验的基础上，对于设计预期达到的效果，我们大致定位于以下几点：1、在风力大到一定地步的情况下实现自动关窗，避免屋内物品和窗户的损坏，并具有一定的防尘效果；2、下雨自动关窗；3、窗户达到关闭状态后自动上闩，具有防盗功能，同时避免窗户再度被吹开；4、窗户易于清洁保养；5、窗户外型比较美观；6、安全性能要好；其中，最主要的预期功能是前三条。受到物理课本上一种“墙角滑杆下落”模式的启发，我们设计一种新型的窗型，使之从整体上符合设计要求。3 创意说明3.1 防风：3.1.1 原理：这种窗型的防风功能基于一种几何模型：图为窗户俯视图的简化图，其中1为窗户，2为连接窗户与窗台滑轨的撑杆，3为窗台滑轨，4为窗户最外端在闭合过程中的虚拟路径，5为在滑轨上滑动的滑块。图1- 1图如图所示，该几何模型满足以下性质：1、窗台滑轨长度略大于窗户宽，实际上要大于其52倍；2、两个撑杆连接在窗户的一头固定在窗户宽的中点位置，连接在滑轨上的一头位于滑轨的四分之一处；3、窗户的外侧在从垂直位置关闭时的路径是一个长轴为短轴二倍的四分之一椭圆；4、窗户的宽的中点在关闭过程中始终位于滑轨的垂直平分线上；图1- 2图1- 3图1- 4由这个几何模型所推导，该窗型应具有的特点为：1、窗户并没有一个固定的转轴，该轴可在滑轨上移动，使得窗户在相反方向的风的作用下也能实现关闭，实现不同风向关窗的特色；2、窗户没有固定的内外侧，可以实现两面关窗，方便对窗户的清洁；3、在防风方面，该窗型主要借助撑杆和自由转轴的作用，外型上相对简洁美观；事实上，改变窗户垂直状态的力来自于风力，即窗户整体作为一个迎风扇，直接在风力的作用下转变为闭合状态。将窗户打开到一定位置后，依靠滑块与滑轨间的摩擦力使窗户静止于该状态；当风力大到一定地步后，克服摩擦力，使窗户启动闭合过程，然后在风力和其他力的共同作用下关闭。窗户上下均有此套装置。3.1.2 基本设计 窗户：如图，由于窗户同时具有迎风的作用，所以在设计中必须保证足够的迎风面积。在公式（见下文）中，受风力大小与窗户受风作用面积成正比，故应尽可能将窗户设计得大一些。图1- Error! Main Document Only.在经过对周围建筑窗户的实际考察，并结合网上搜寻的资料，决定将窗户大小设计为高1.5米，宽75厘米，采用PVC塑料构造以尽可能减轻质量。如图，窗户由真空双层玻璃组成，但双层玻璃中间的空隙并不均匀，而是从窗户外端向内段逐渐增大。在窗户受风力作用时，最有效的作用部分为靠近窗户外端的部分，有必要在此处做适当处理使之形成一个凹陷，用以集中风力，增大风力作用效果。 撑杆： 如图，撑杆一头接于滑块上，另一头接于窗户中点处焊的连接板上。撑杆的理论长度应该为窗户宽度的54倍。图1- Error! Main Document Only.滑块与滑轨：由于窗户直接受风力作用而运动，因此提供主要摩擦阻力的滑块与滑轨间的摩擦力大小控制十分重要。既要保证有足够的摩擦力能够使窗户在需要开启时维持足够原状态，又要避免摩擦阻力过大导致风作用力而关不上。由于窗户维持开启状态并不需要直接摩擦力，摩擦力的作用为阻碍改变开启状态的力，因此所需摩擦力较小。我们主要考虑减小摩擦阻力。查阅资料可得，PVC塑料窗滑撑平开窗的开关力国标为不小于30N，不大于80N。而设计需求有三份滑轨与滑块的摩擦力存在，因此其主要摩擦力底面阻力需大幅度减少。而侧面阻力可以通过减少接触摩擦面积实现。如下图，首先将滑轨的连续摩擦面改为块状摩擦面，然后将阻力块设计为可转动的形式，从而将滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了摩擦阻力。图1- 7图1- 8图1- 9 其次，经过观察，窗户中轴线上约三分之一处以上为有效受风面积，三分之一处以内由于力臂较小等原因，力的作用效果较差，此时窗户夹角约为20度，能满足透气需求。另外，垂直开窗在实际应用中比较少见，风险也比较大;开窗角为70度时足以满足吹风需求，而同时风也较易吹动。总结起来，窗户最大固定状态维持在开窗角约70时，风作用于窗户上改变窗户状态；在窗户外端位于大概中轴线上三分之一处时，窗户依靠惯性继续改变状态直至关上，基本不受底面阻力。综上考虑，为减少不必要的摩擦力，在如下图红线所示区域内设置滚动滑块，滑轨上其余处不设置有摩擦阻力的装置；图1- 10图1- 11另外，窗户在三分之一处以内时可能存在动力不足的情况（原因分析见下文）。对于这种情况，我们设计了两种解决方案：一、由前面的原理图可知，窗户在闭合的末状态，滑轨上的位移是比较 小的。因此设想可以在自动上闩装置或窗框上加装磁性物质（图中未画出），当窗户接近窗框时，可以以磁力作为补充动力；二、借用下雨关窗的阻碍装置（见下文2.3阻碍装置部分）。3.1.3 理论论证：经过查阅资料，与之相关的物理方程大概有：风能方程：E=1/2（ts v3）空气密度（kg/m）； v风速（m/ s）；t时间（s）；S截面面积（m）。风力计算公式：F=P*v*A F风力；P为空气密度，单位kg/m ，25摄氏度时空气密度约为1.185kg/m3；v为空气流速，单位m/s；A为迎风面积，单位m；风压计算公式：Wp=v2/1.6Wp风压N/ m（Pa）；v风速（m/ s）；五级风的风速为8.0-10.8 m/ s;六级风为10.8-13.8 m/ s 。风速达到这个等级时有关窗的必要。事实上，风向、风速、风作用面积等条件都是极其复杂且时刻变化的，几乎不可能进行定量分析，只能在建立物理模型、定性计算和实验观察的基础上，大致估计风的作用效果能基本上满足关窗的需求。上文提到，PVC塑料窗开关力的国标最小为30N。在此做简化处理，假设普通窗型关窗外力所做最小功在同等情况下约为W=F*2l*1/435.3J有公式：dA=F*drF=Wp*SE=1/2（ts v3）查阅资料得，25时干燥空气密度=1.185kgm3，窗户高h=1.5m,宽l=0.75m。对于普通的平开窗，在相同的参数条件下，理想状态下大致有以下积分公式：W=0l4Fds=02v21.6*hl*l2(cos)2d代入W=35.3J整理，得：v=12.8Whl213.0 m/ s即六级风的水平，风速较大。此结果大致满足实验观察的结果。事实上关闭窗户的几何模型可以简化为一个刚体棒绕轴转动的过程，在转动中会有转动惯量J。普通窗型的转动为绕边缘转动，JD=13ml2。力矩还需克服转动惯量使得窗户转动。新窗型相对于普通窗型而言，其受力和运动状态更加复杂。我们将新窗型的几何模型简化为一个刚体棒绕中心运动的过程，此运动实际包括平动和转动。在转动过程中，转动惯量JC=112ml2。由于质心位于中点处，所以转动为绕中心的转动，J相比绕边缘转动较小，相对比较容易驱动。但此刚体受外力效果不同于普通窗型。由于是绕中心转动，所以风力作用在中心前部和后部的效果实际上相互抵消的。由流体力学可得，当可看成流体的低速空气流动作用于一个平板上时，由于流体的黏性，存在一个附面层，使得越靠近平板气流速度越低。虽然此附面层在平板水平上几乎可以忽略，但是在宏观上，作用于墙体表面的风力也可套用此模型，而且墙体表面粗糙，越靠近墙体风速会有一个明显的下降；且窗户最里端实际上位于墙体以内，流体在这个厚度差内会形成紊流层，使得风力作用不集中，作用力明显减小。综合效果使得作用在窗户前部的力大，在窗户后部的力相对小，使得抵消后力的效果不为零。但抵消后力的作用效果会有下降，这对风力而言是种浪费，且基于这种模型无法解决。尤其是到观察得到的中轴线三分之一处以内时，作用于中心前后的力几乎相等，动力基本消失；窗户的继续转动只能依靠惯性，而这是不可靠的。此外，由模型可分析得到：由于角速度的增大，水平方向上的加速度ax会减小；在ax=0时即F=max=0，即质心会有脱离中心轴线的趋势。在理想无阻力的情况下，质心在下落到原高度三分之二时会有这个趋势；各种阻力的存在延缓了速度的增大，即增大了脱离时的下落距离，延缓了此趋势，但并不能解决这个趋势。因此必须考虑在这个趋势出现前依靠另外的动力直接作用于窗户最里端，将窗户拉回关闭位置。通过对滑轨摩擦阻力的设计，可以使窗户在难以继续转动的时刻尽可能不受阻力；同时理论计算是从窗户垂直开启的时刻计算，但在实际应用中很少出现这种情况，因此一般所需风速会低于计算值，但不会低很多。总的来说，依靠风力可以开启关窗过程，但窗型设计上的种种原因限制了风力，使其若想满足关窗需求需要更大的风速。而普通窗型的关窗风速理论值已经很大，继续增大的话不易获得，而且也不安全，违反了设计的初衷。因此需要依靠风力和其他的动力来共同关窗。3.2 防水：3.2.1 原理：防水的基本原理较为简单，即：一直存在一个可能使窗户回关的力，但因一直有阻碍 力存在而未能施行；下雨后因受潮状态改变导致阻碍力消失，回关力发挥作用，关上窗户。3.2.2 具体设计：为避免与防风原理发生冲突，在我们的设计中此阻碍力实际为一种状态，即绳子虚浮的状态，此时回关力为系于绳子一端的重物的重力。重物因被托住导致绳子虚浮，此时不影响窗户因风力作用关闭。当受潮时，托住重物的力消失，砝码下落，绳子绷直，回关力发挥作用，关闭窗户。感应装置：在设计中，需要一种能够感应雨水而改变阻碍装置的感应物体。此物体要求：1）在受潮时能迅速明显地改变状态，改变体积或增加重量；2）在受潮后能够迅速干燥并能重复使用；3）较为常见，成本低廉。综合考虑，我们选择了生活中常见的海绵作为感应物。海绵吸水的原理是毛细现象：海绵有无数的细小孔隙,而对于海绵来说,水是浸润液体,当海绵碰到水的时候,由于水浸润海绵，小孔里的液面呈下凹状,液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力.浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体才停止上升,形成了毛细现象.于是水就允满了海绵的空隙了。因此对海绵的选择其孔隙越细密越好。海绵不能单独作为感应装置。需要加装某种类似吊篮的装置将海绵放在其中，如图所示。此装置质量不宜过重，要保证海绵吸水后的重力改变较为明显，其质量最好与海绵处于同一数量等级。海绵感应装置与绳相连，悬于窗外。图2- 1阻碍装置： 如图，阻碍装置由细绳、定滑轮和转轴组成。细绳与感应装置连接，一端接于窗外；定滑轮的作用是改变绳子方向；转轴中间比较宽，用以放置重物，一端与细绳连接，一端作为轴固定。定滑轮和绳子位于窗台之下，转轴位于窗台边缘之下；绳子通过窗台上的一孔连接窗外。当窗外的感应装置受潮下拉时，绳子被带动，绕过定滑轮带动转轴转动。而转轴上的重物因受到窗台边缘的阻碍无法和转轴一起转动，因此下落，拉直重物所拴的细绳。窗台图2- 2图2- 3 阻碍装置还有另一作用，即作为前文中的辅助动力装置。如下图，在不设置滚动滑块区域的边缘，有一滑块。滑块有阻碍只能在未设置滑块区域内运动，以避免在正常开窗的时候发生冲突。图中蓝线为各连接线，虚浮的线接于连接感应装置与滑轮的线中间。当撑杆划过时同时开始使虚浮的细绳绷直，设计在“椭圆”交线位置前后即达到紧绷状态。再往后将开始拽动转轴，然后达到与感应装置下降同样的效果。事实上，窗户在运动到“困难”时期时，不会立刻停止转动，而是有一个惯性。此方案的原理即充分利用惯性来开启辅助装置。设计虚浮细绳的目的是在下雨关窗时避免绳长不够而造成装置故障或者损坏。同时需要注意的是，此装置将严重限制绳长。根据计算，绳长变化长度最大值为12*52-1*0.750.044m，即不到5cm。必要时需要通过控制转动角来控制绳长。图2- 4 图2- 5图2- 6回复装置： 回复装置由细绳和重物组成。细绳一端与撑杆连接。由于两个撑杆的一端共同位于窗户宽的中点，直接连接于中点并非最省力的方法。因此设计细绳与撑杆活动链接，如图所示。细绳另一端连接重物。当重物被托住时，细绳虚浮；当重物下落时，细绳绷紧，拉动撑杆回复，从而带动窗户回复。图2- 7图2- 83.2.3 物理分析： 对防雨装置的物理分析主要集中于1）海绵吸水后的重力改变；2）细绳长度的确定；3）转轴转动状况；4）重物的质量等几个方面。 海绵吸水后的重力改变应较为明显，其改变后的G2应满足：G2F+f1+f2F为拉动转轴所需的力，f1为滑轮、细绳和墙壁间的各种摩擦阻力之和，f2为重物与转轴之间的摩擦阻力。为了减少f1，应对细绳能够产生摩擦的地方进行某些处理，减小摩擦。由于重物相对转轴位移较小，f2较小，不是主要阻力。F主要为转轴在转动中的摩擦阻力。由于F主要提供了阻碍非感应时转轴运动的力，因此F应与未吸水时感应装置的重力G1大致相等。如图，转轴与细绳可简化为图中所示的模型。L1为转轴长度，d为转轴的轴到定滑轮的距离。则根据计算，l与应满足的关系为：l(d2+l12-2dl1cos)+ l1-d即感应装置重力改变后拉伸绳子的长度l应略大于后式，否则无法满足转轴的条件。图2- Error! Main Document Only.由于海绵本身质量很轻，因此不管其吸水能力有多强，其质量改变都不会很大，与风力大小不在一个数量级上。因此绳子伸长量l也不会很大，只能大致满足需求。因此需要绳子有一定的伸缩性。同时，也需要适度减小以满足需求。 海绵的重力改变在带动转轴转动的同时，也带动了滑轮的转动。其过程比较短，前后改变也不是很大，但滑轮的转动惯量和转轴是在同一数量级上的，因此不能忽略，必须考虑对滑轮的额外功。重物的质量参照国标，应在3-5kg之间。3.3 自动上闩 在前期进行的吹风实验当中，发现已经位于闭合状态的窗户在没有上闩的情况下，依然能够被吹开。此现象是由于窗外风速较大时，气压较低，屋内外气压差导致窗户被吹开。为保证窗户在关闭后能够维持关闭状态，有必要设计自动上闩的装置。 自动上闩设计如图。采用倒钩形状的突起物能满足单方面通过而不能逆向返回的条件。在需要开窗的时候，滑动开关带动另一钩状物转动从而松开咬合，实现开窗。由于此窗型可以两面关窗，因此对窗户的两边均需作此设计。图3- 1图3- 2图3- 34 使用环境：这种窗型的最佳使用环境为阳台。限于设计原因，此窗型对风力的要求比较高。而在现在的建筑中，客厅、起居室等房间的窗户往往为防风而设计在建筑外型中的内凹部分，而公共建筑的外型也往往会设计阻风的部分以避免窗户受损。这在依赖风力作用的情况下是极为不利的。而大多数阳台位于建筑外型中的外凸部分，有着较好的迎风设计，对风力、风向都比较敏感，对风力的利用效果会比较好。 同时，阳台作为通风透气、晾衣服的场所，往往需要及时关窗。而作为建筑中的迎风部分，阳台窗户的清洁需求可以说是最大的，两面关窗可以很大程度上便捷清洗窗户。 北方的建筑设计往往要考虑冬天的保暖效果。客厅、起居室等房间因为设置了暖气，其窗户往往对保暖要求较高，而在冬天也不会经常开窗。而阳台一般不会设置暖气，对保暖要求较低，在冬天的开窗频率要高于其他房间。 同时，阳台作为重要的采光场所，窗户的尺寸应该较大。这也符合本窗型的特点。 综合考虑，这种窗型作为阳台窗户使用效果会比较好。在其他的公共场所也可以视情况考虑使用。 5 优劣性分析：优势：这种窗户设计的性价比比较高，经济性很好。在风大尘重、夏天暴雨常见的北方，对于低成本且能够有效减少风雨天麻烦的窗户应该有着很