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1、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 f
2、orce 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
3、 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 nee
4、ded 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
