门窗五金配件用于提升安装强度的结构设计

安装于边框的门窗五金配件，通常都是实现扇启闭功能的关键部件，承受载荷的能力与准确的安装位置都非常重要。欧标塑钢平开门窗五金的框上件安装主要是以宽度4mm的“锁座定位槽”作为横向定位，就拿普通的平开锁座来说，锁座的安装大都是将自攻钉打入槽口位置，如图1所示。根据塑钢型材的结构特点，此处腔体内无增强型钢，锁座的固定仅通过单层PVC型材壁进行连接，尽管该部位型材内壁会设计专门的“螺钉定位结构”，但是仍不足以确保锁座的持久稳固，并且目前市场上普通的平开锁座基本都是由一颗自攻钉连接，天长日久的启闭操作和风压影响，势必会因锁座的松动影响门窗的密封性能、抗风压性能甚至安全性。在日常频繁的外力作用下怎样才能更好地确保门窗五金配件功能的完好呢?我们先从锁座在使用过程中的受力情况进行分析。

大多数五金厂家的锁座背面都会专门设计用于安装的凸台结构，当锁座安装之后，型材槽口的卡接可以大大提升锁座承受载荷的能力，为了验证该凸台的作用，我们来看一下有凸台和没有凸台的锁座在经受同等大小的门窗风压时的变形量(位移)有限元分析(图3、图4)，对比后我们发现凸台结构的增加不仅对锁座起到了有效的固定作用，而且也减小了自攻钉的受力，大大提高了锁座安装的稳定性。

尽管凸台结构卡接型材对锁座有很好的固定作用，但是对于图2中所示的三个方向的力，型材所起的固定作用却很有限。我们知道锁座的功能是与锁点配合实现扇的启闭，在这个过程中锁座与锁点摩擦产生的沿槽口方向的力F2、F3会对自攻钉产生较大剪切力，频繁的受力很容易使自攻钉松动而导致锁座的窜动。分解到F1方向的力更加不能忽视，它造成的影响是安装质量好坏的关键，甚至会影响到其他两个方向的受力。为此有些五金厂家设计锁座时刻意增加了螺钉孔数量，通过增加自攻钉数量并实现与增强型钢的有效连接来提升锁座安装强度，但是受安装空间、材料成本和产品设计风格等因素的影响，大多数五金厂家还是采用单螺钉安装的锁座，因此对于这种结构的锁座，需要在结构设计、安装工艺、辅料选用等方面进行改善和加强。

锁座在使用过程中分解到F1方向的力所造成的影响基本上只能依靠自攻钉的锁紧来避免。我们知道该部位型材腔体内无钢衬，想通过螺钉与钢衬连接来提升强度是行不通的，不过该部位型材内部通常会设计内筋，如果能使自攻钉打透腔体内筋也可明显提升锁座安装强度，那么安装锁座时采用多长的自攻钉才能打穿型材内筋呢？JG/T176-2015 《塑料门窗及型材功能结构尺寸》中对塑钢门窗型材腔体内筋位置做了规定，在这里我们着重关注一下锁座定位槽处的内筋位置要求，该标准规定内筋中心到锁座定位槽口的尺寸为平开窗15～18.5mm、平开门18.5～24.5mm，如图5、图6所示。我们知道塑钢锁座的高度通常为8mm，去除自攻钉尖部的尺寸约5mm，由此我们可以通过计算得知平开窗和平开门安装锁座理想的自攻钉长度，分别为不小于31.5mm和不小于37.5mm，满足这个尺寸的自攻钉才能打穿腔体内筋，很大限度地提升锁座的安装强度。

提到型材内筋我们稍微延伸一下，对于该部位型材内筋的设计，其实更重要作用是增加型材的强度。这一作用单从型材结构上来看可能并不明显，但是对于某些门窗五金的安装却意义重大。下面我们以普通的平开门三维铰链为例进行一下分析(图7)，平开门铰链可以说承载了整个门扇的重量，并且在门扇启闭过程中，铰链的受力状况是一个变化的过程，尤其是在门扇开启到90°左右时，框型材极有可能在门扇强大的重力作用下发生局部变形，而此时腔体内筋的支撑作用可以有效提升型材抗变形的能力。可以说一条看似不起眼的内筋不仅改善了门窗五金配件的安装强度，而且大大提升了整个门窗的性能。

我们回到刚才的论述，在门窗启闭过程中，怎样才能减小F2、F3这两个力造成的锁座松动呢？根据试验和市场应用情况来看，在背面卡接部位侧面增加凸筋结构对于防止锁座纵向窜动非常有效，如图8所示。增加凸筋结构后的卡接部分宽度会略大于槽口尺寸（一般过盈约0.3mm），当自攻钉打入时凸筋部分会在力的作用下嵌入槽口的型材内，另外因锁座卡接部分存在拔模斜度的缘故，在自攻钉打入的过程中凸筋嵌入型材的程度是逐渐加深的，直至锁座安装到位。在锁座的设计过程中，凸筋形状和高度可根据卡接需求或者试验数据进行调整；数量不能低于两条，沿槽口方向对称放置以避免造成安装不正的现象；另外需要注意的是锁座卡入槽口的部分只可单面设计凸筋，另一侧光面用于锁座横向的定位，如图9所示。类似的结构不仅在塑钢框上五金件的设计中用到，在扇上件甚至门窗五金配件的设计中都可以应用。

另外值得一提的是，在门窗五金配件的设计中还有一种方式可以减小锁点与锁座之间的摩擦力，那就是在锁点的圆柱结构基础上增加转套，将锁点与锁座的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，大家都知道滚动摩擦比滑动摩擦的阻力要小得多。不过此种方式与凸筋结构相比会有一定的材料和人工成本增加。

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