CN1097836A - 具有辅助平衡的门组件 - Google Patents

Abstract

合并为一体的平衡组件和非垂直铰接门组件包 括两对扭转杆，第一对扭转杆直接连在门和门框中 间，提供部分平衡转矩；第二对扭转杆通过凸轮的作 用提供辅助平衡转矩，这样，在门的整个回转圆弧上， 部分和辅助转矩完全与门平衡。

Description

本发明涉及非垂直铰接的门及相关的平衡机构。更为特别地，它所涉及的平衡机构基本上可精确平衡门在整个回转圆弧所有角度上的重量。

有许多用途的门是用非垂直绞轴线装配的，并且需要平衡。车顶窗口的舱盖，与地面齐平安装的人行道盖板，以及在室外的地下室入口门盖都包括在这类用途之中。

这些用途的门盖，为了强固和耐用起见，常用金属制作，因而可能很重。平衡使门盖开闭较为容易，且减少了松手时门盖关闭快猛和开启时很费力的倾向，从而提高安全性。

典型的部分平衡是从一根或多根扭转杆，弹簧，气缸或重物获得的。扭转杆尤其得到广泛的采用，因为它所提供的平衡转矩是由于杆的一端相对于另一端转动的结果。因此，可把扭转杆的两端分别接到门和门框上，构成一种简单可靠的平衡机构。通过适当选择扭转杆的直径和长度，各种各样不同重量和尺寸的门可用这种直接连接方法大致得到平衡。

扭转杆还另有优点，其扁长的形状使它能装在门框厚度范围以内或侧后，因而制成的门组件库存时所占空间最小，且容易通过运销渠道运输。加之，扭转杆非常结实可靠，这对经常用于由外入内或置于室外的门来说是一种重要的因素。

然而，门和门框之间单纯直接连接的扭转杆平衡结构并没有达到完全平衡。这是因为在通常的操作范围内，扭转杆提供的平衡转矩与其上的转动量或扭转量成线性比例。可是，非垂直铰接门需要的平衡转矩与门的开启角非线性相关。非垂直绞轴线没有撑起的门重按开启角的正弦函数关系增大。

结果，用扭转杆直接连接门和门框的平衡***仅在二个不同的开启角时给门提供恰当的平衡。在转矩（以绞轴线为轴度量）与开启角（以关闭时作零度）为坐标轴的曲线图上，扭转杆（产生平衡扭矩）的特性线与未受支撑的门重引起的转矩余弦曲线的相交点即可找到这些平衡角。对水平铰接门而言，门刚打开时门的全重没有受到铰链支撑，而在全开时（90°位置），全部重量由铰链支撑。

尽管在线性平衡***中使门得到严格平衡的两个特殊开启角是设计人员掌握的，但他们通常选择接近全开和全闭位置。在全开位置，不需要平衡转矩，因而扭转杆不受扭转，在全闭位置，扭转杆被调整到正好提供门的全重所需的平衡转矩。令人遗憾的是，除了这两个角度外，门得不到充分的平衡，因而如果松手，门就会开始转动。

为了改进这一缺点，以后设计的平衡***采用了有单根或多根扭转杆的凸轮***，能在整个运动范围内几乎精确与门平衡。这些设计中的扭转杆并不直接连接门和门框，而是通过凸轮动作，凸轮改变扭转杆产生的线性转矩，使之与平衡门重所需的正弦转矩一致。具有基于凸轮类型的平衡机构的门可查阅美国专利4873791及5136811号。

在这种基于凸轮的结构中，门的全部平衡力通过凸轮机构施加。但本发明采用了直接连接/基于凸轮的混合设计。一部分平衡转矩由一根或多根直接连接门和门框的扭转杆产生，其余部分平衡转矩（辅助转矩）通过凸轮机构由另加的一根或多根扭转杆提供，那是提供接近完全的正弦形平衡所必需的。

由于直接连接扭转杆产生大部分平衡转矩，所以通过凸轮***的力较小，这与早期的设计相比，减轻了磨擦和磨损。另一优点是直接连接/基于凸轮混合式扭转杆设计可有选择的灵活性。因为扭转杆常常只能获得标准直径的，所以就难以满足某些门的平衡要求。有了混合式设计，不同尺寸的扭转杆可以组合起来，最佳地满足各种各样门的平衡要求。

还有一优点在于辅助扭转杆平衡***可按厂内装配方案装到门上，还可以与只有直接连接的扭转杆平衡***一起出售，或者可用作现有的直接平衡门附加的现场装配附件。

考虑到上述内容，因此本发明的目的就是提供一种新型并经过改进的平衡门及平衡组件，它的平衡的实现部分依靠线性的平衡机构，部分通过辅助平衡机构，从而在整个回转圆弧上平衡门。

本发明包括使部分平衡的门增加其平衡的平衡组件以及包括此平衡组件的全套门组件。门组件包括：门框;沿非垂直铰链轴铰接到门框上的门（铰链使门能从开位转到闭位）;及在门和门框之间连接的主平衡装置（它提供绕铰链轴的一部分平衡转矩）。主平衡装置可包括扭转杆，或者其它任何线性平衡机构，并且可直接连接在门和门框之间，或者连接在与门铰接的铰链机构铰链片之间。

门组件还包括辅助平衡***，它包括有凸轮表面的凸轮及辅助平衡装置，后者施力于凸轮表面以产生绕门铰链轴的辅助平衡转矩，主平衡机构产生的部分平衡转矩和辅助平衡转矩之和与处在开位和闭位之间的门相平衡。

在本较佳设计中，主要和辅助平衡装置都是扭转杆，当门从开位转到闭位时两者受扭转的方向相反。辅助扭转杆装配时，一端与门框不可转动地连接，另一端与门框可转动地连接。辅助扭转杆从这另一端的施转轴线向外弯出去一部分，并在偏离此转轴处同凸轮表面接触，由此产生辅助转矩。

在最佳设计中，平衡组件共有四根扭转杆。主平衡装置包括第一、第三两根扭转杆，这一对杆直接连到门和门框上;辅助平衡装置包括第二、第四两根扭转杆，它们所构成的第二对扭转杆向第一、第二凸轮表面施力，从而产生辅助转矩。

第一及第二凸轮最好作为组成部分与铰链作成一体。铰链可做成鹅颈形，这样，门的绞合轴便可处于门框部分的下方。

图1是装上本发明平衡机构的水平铰接的门和门框组件的透视图;

图2是图1中的门在全开位置时铰链机构及平衡组件的详细侧视图（局部剖开）;

图3、4、5表示门在不同张开角度下（门在图2时为全开，图5为全关）与图2相对应的侧视图（局部剖开）;

图6是图1-5上看到的那种有整体凸轮和凸轮面的鹅颈形铰链片的放大的详细侧视图;

图7是图1上第一和第三扭转杆的透视图，两杆在门与门框之间直接作用以产生门的部分平衡;

图8是图1上第二和第四扭转杆的透视图。两杆通过图6所见的两片鹅颈形铰链上的凸轮表面产生门的辅助平衡。

图1示出了装上本发明辅助平衡***的门组件透视图。门组件10包括门框12及门14，门14通过图6所示的放大的鹅颈形铰链16及18沿着非垂直铰链轴铰接到门框上。鹅颈形铰链16及18紧固到门14上并绕铰链销28，30转动，这两销轴穿过铰链孔20（见图6）并***铰链架22的相应的孔中。

在本较佳设计中，铰链销28，30是直接连接扭转杆24，26的一部分（见图7），它们由扭转杆24，26尾部反向弯曲而成，使直通接头与相应的铰链片接合，起到铰链销的作用。图1所示的组件上的四根扭转杆24，26，32及34各示于图7及图8上。扭转杆24和26构成主平衡装置，它们通过门和门框之间的直接连接产生线性平衡力。扭转杆32及34构成辅助平衡装置，它们则在门和门框之间经过相应的凸轮表面把产生的辅助平衡力作用到鹅颈形铰链上。

图6上铰链16及18的鹅颈形结构使铰接点位于门框12下面，还可让门开到全开位置。

参看图7可见，扭转杆26是扭转杆24的镜象。参看图8，扭转杆32是扭转杆34的镜象。第一扭转杆26及第二扭转杆32对鹅颈形铰链18的作用方式与它们的镜象第三扭转杆24及第四扭转杆34对鹅颈形铰链16的作用方式一样。照此，铰链16，18每一个各有总平衡转矩的50%通过它。由于这一对称性，并且为了清晰起见，在图2-5的横断面视图上省去了第三和第四扭转杆24，34，只示出第一、第二扭转杆26及32。

参看图1，2及7，第一扭转杆26的两端在门和门框中间以朝上端36连到门框12上，以同铰链18接合的反弯端30，42连到门上。朝上端36装入固定套38内，固定套则永久固定在门框12上，销钉40在此保持住扭转杆。反弯端是一段由42段弯到30段的180°弯头。

如上所述，30段穿过铰链18上的孔20并沿铰链轴起铰链销的作用。42段与铰链18的凹部44接合。这样，端段30，42通过铰链18与门不可转动地连接起来，而另一端36不可转动地与门框相连接。

门和门框的这一直接连接导致门从图2的全开位置（扭转杆26未受扭）向图5的全闭位置（扭转杆26转到最大）转动时扭转杆26受到线性扭转。扭转杆26长度和直径的选取使门在图5所示的全闭位置上接近于完全平衡。当然，50%平衡转矩是扭转杆26提供，而在此位置50%平衡转矩由其镜象扭转杆24提供。

如上所述，即使没有扭转杆32及34，门在全开位置（图2所示）和全闭位置（图5所示）也会通过扭转杆24及26几乎完全被平衡。因此在这两个位置，扭转杆32及34不提供辅助平衡转矩。然而，在图3及4所示的中间位置，扭转杆24及26只给门以部分的平衡，所以必须由扭转杆32及34提供辅助转矩，它随开启角非线性地变化，以致在门的整个回转圆弧上提供近似理想的平衡所需的附加转矩。

这一辅助转矩的获得是靠调整扭转杆32及34到铰链16，18上凸轮的力，最后获得所要求的平衡转矩。参见图2及图6，铰链16，18上有凸轮部分46，具有凸轮表面48。

参照图8，扭转杆32的弯曲端50装入固定套52中，同固定套38一样，也永久性地固定在门框12上。扭转杆32的另一端包括双弯头（54段及56段）。54段与铰链18的凸轮表面48相接触，56段***门框12的孔中，构成了相对于门框12的转动连接。当门从图2的开始位置转到图5的闭合位置时，凸轮表面48对着扭转杆32的54段往下压，使之绕端部56转动，这一转动规定了从动轴通过56段的转动。

如图2-5所指出，当扭转杆26逆时针转动时，扭转杆32顺时针转动。关门时，凸轮表面48推动54段绕端部56转动，使扭转杆32扭曲。这一扭曲在图3至图5的每个开启角分别产生辅助平衡力F1至F3，它们都作用在凸轮表面48的法线方向上。

凸轮表面48的曲线形状决定了平衡力的方向，力距第一铰链轴的作用距离为d。距离d是门的铰链轴与力的作用线（由凸轮表面上与扭转杆32接触点54处的法线确定）之间的垂直距离。因而可得出绕铰链轴的辅助平衡力矩，它是辅助平衡力与距离d的乘积。

此力与距离的乘积严格地按照补充扭转杆26提供的部分平衡力距的需要而变化。参看图2-5的图形和角度就可比较容易明白这一点。在全开位置，门在铰链轴上得到平衡，这时第一扭转杆26和第二扭转杆32都不受扭。当门14回转90°到达闭合位置时，扭转杆26也转动90°（如角θ₂所示）。但借助于凸轮的关系，扭转杆32的转动角小于90°。扭转杆32的最大转角θ₁示于图2中。

在图3所示的第一个中间位置，扭转杆32开始扭转，产生的平衡力F1较小，其离第一铰链轴的作用距离为d1。图4中的门进一步关小，使平衡力增为F2，新的作用距离为d2，于是得到新的平衡力矩。图5上的门已全关，此时扭转杆32的扭转角已达其最大值，平衡力F3也达到最大值。但是，凸轮表面48的形状使F3直指门的铰链轴，于是距离d3为零，因而在该角度下最后的辅助平衡力矩为零。

可见，辅助平衡扭转杆产生的平衡力矩在全开位置时为最小值，在中间位置达最大值，当门转到全闭位置时又降至另一最小值。而这恰恰就是补上扭转杆24，26提供的部分平衡力矩所需的不足的辅助力矩。

扭转杆32可被允许在点54处直接与凸轮表面48接触，但在点54处环绕扭转杆32套上一段塑料套管55可以减少滑动磨擦和磨损且门转动更平稳。还可在该点扭转杆的周围装上一个轮子。

图1的门和门框上还示出了门闩机构58，门打开时的固定臂62及在导槽64中滑动的手柄60。这些另件也可采用其他设计，并随门的类型及要求的锁闭机构而异。

Claims (23)

1、一种带辅助平衡的门组件，包括：

门框；

铰接到门框上的门，门绕非垂直铰链轴可从开位转到闭位；

连接在门与门框之间的主平衡装置，绕铰链轴提供部分平衡转矩；

有凸轮表面的凸轮；

以及

辅助平衡装置，它施力于凸轮表面，并与凸轮都是连接在框之间，产生绕铰链轴的辅助平衡转矩，部分平衡转矩与辅助平衡转矩之和基本上与开位和闭位之间整个回转圆弧上的门相平衡。

2、按权利要求1的门组件，其特征在于：主平衡装置包含第一扭转杆，辅助平衡装置包含第二扭转杆，当门从开位转动到闭位时，第一，第二扭转杆都发生扭转。

3、按权利要求2的门组件，其特征在于：第一和第二扭转杆当门从开位转动到闭位时两者以相反方向扭转。

4、按权利要求2的门组件，其特征在于：第二扭转杆有一端不可转动地连接到门框上，另一端与门框可转动地连接，以便绕偏离铰链轴的第二轴转动。

5、按权利要求4的门组件，其特征在于：第二扭转杆从第二轴向外弯曲，并在偏离第二轴处与凸轮表面接触。

6、按权利要求2的门组件，还包括具有第二凸轮表面的第二凸轮，其中的主平衡装置包括在门和门框之间连接的第一扭转杆和第三扭转杆，第三扭转杆与第一扭转杆同时扭转;

辅助平衡装置包括第二扭转杆和第四扭转杆，它们施力于第二凸轮表面，第四扭转杆与第二扭转杆同时扭转。

7、按权利要求6的门组件，其特征在于：第一和第三扭转杆在一端弯曲，每根扭转杆的弯曲段通过铰链轴，构成门与门框之间的铰链销。

8、按权利要求7的门组件，其特征在于：第一和第二凸轮与铰链做成一体，铰链与门连接，使门沿着铰链轴铰接到门框上。

9、按权利要求8的门组件，其特征在于：铰链做成鹅颈形铰接到铰链轴上，当门框水平安装时，铰链轴位于门框架的下方。

10、按权利要求1的门组件，其特征在于：主平衡装置产生的部分平衡转矩与开启角线性相关，开启角按绕门和门框之间的绞轴线度量;辅助平衡装置通过凸轮产生的辅助平衡转矩与开启角正弦相关，部分平衡和辅助平衡转矩之和与在开位和闭位中间的所有角度下的门大体平衡。

11、按权利要求10的门组件，其特征在于：辅助平衡装置产生的辅助平衡转矩在开位与闭位之间的中间位置达到最大值。

12、按权利要求11的门组件，其特征在于：辅助平衡装置产生的辅助平衡转矩在开位和闭位时接近零。

13、一种具有辅助平衡的门组件，包括：

门框;

与门框铰接的门，门沿铰接轴可从开位转动到闭位;

在门与门框之间连接的第一扭转杆，当门在开位与闭位之间转动时，第一扭转杆便扭转，从而绕铰链轴产生部分平衡转矩;

第二扭转杆;以及

有凸轮表面的凸轮;

第二扭转杆和凸轮在门与门框之间相连，凸轮表面与第二扭转杆接触，并使第二扭转杆以第一扭转杆的反方向扭转，绕铰链轴产生辅助平衡转矩。

14、按权利要求13的门组件还包括第二凸轮，第三扭转杆和第四扭转杆，第一扭转杆扭转时第三扭转杆也扭转，第四扭转杆与第二凸轮在门和门框之间连接，当门在开位与闭位之间转动时，第二凸轮表面与第四扭转杆接触并使之扭转。

15、按权利要求14的门组件，其特征在于：第一，第三扭转杆在一端弯曲，每个弯曲部分穿过铰链轴，成为门和门框之间的铰链销。

16、按权利要求15的门组件，其特征在于：第一和第二凸轮都与铰链做成一体，铰链与门连接，使门沿着铰链轴铰接到门框上。

17、按权利要求16的门组件，其特征在于：铰链做成鹅颈形与铰接轴铰接，当门框水平安装时，铰链轴位于门框下方。

18、按权利要求13的门组件，其特征在于：第二扭转杆的一端不可转动地连接到门框上，另一端与门框可转动地连接，使扭转杆绕偏离铰链轴的第二轴转动。

19、按权利要求18的门组件，其特征在于：第二扭转轴从第二轴向外弯，并在偏离第二轴处与凸轮表面接触。

20、一种具有辅助平衡的门组件，包括：

门框;

铰链;

门，沿着非垂直铰链轴铰接到门框上，可从开位转到闭位;主平衡装置，在门和门框之间连接绕铰链轴提供一部分平衡转矩，转矩与门和门框之间的夹角线性相关;

具有凸轮表面的凸轮;以及

辅助平衡装置，它施力于凸轮表面上，凸轮与辅助平衡装置在门和门框之间相接，可以绕铰链轴产生辅助平衡转矩，转矩与门和门框之间的夹角正弦相关，部分平衡转矩与辅助平衡转矩之和在整个开位和闭位之间的回转圆弧中与门大体平衡。

21、按权利要求20的门组件，其特征在于：主平衡装置包括第一扭转杆，而辅助平衡装置包括第二扭转杆，当门从开位转到闭位时，第一扭转杆扭转方向与第二扭转杆相反。

22、一种辅助平衡组件，可部分地平衡铰接于门框上的门，包括：辅助扭转杆，其一端与门框固定连接，另一端与门框转动连接;

连接到门上的凸轮，它有凸轮表面，当门从开位通过中间位置转到闭位时，使辅助扭转杆由初始的最小扭转角扭转到最大扭转角再回到第二个最小扭转角。

23、根据权利要求22的辅助平衡组件，其特征在于：当门从开位转到闭位时，扭转杆沿与门相反方向扭转。

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