组合夹紧装置设计

洛阳理工学院
课程设计说明书
设计课题液压与机械组合夹紧装置设计
专业机械设计制造及其自动化
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姓名
学号
2014年 02月 25日
摘要
提出了以可装配式内置齿条活塞杆与曲柄连杆机构组合得到液压一机械复合夹紧装置的创新设计理念。

内置齿条活塞杆与曲柄连杆机构组合构成的液压一机械复合夹紧装置，具有高性能、高灵活性、短开发周期、低生产成本的特点。

关键词：复合夹紧装置内置活塞杆液压缸曲柄连杆机构
引言
随着各种设备对液压执行元件产品多样性、个性化要求的增高，需要根据不同用途、条件和性能对产品进行设计制造。

液压一机械复合夹紧装置可以适应各种不同机械设备的需求，以较小技术复杂性实现较大的复合夹紧装置功能多样化。

本文提出的基于内置齿条活塞杆式液压缸与曲柄连杆机构的复合夹紧装置，具有实现高质量、大规模、快速、经济地响应市场的需求。

1、设计背景
常见的内置齿条式活塞杆液压缸，
其优点是刚性好、结构紧凑，但需通过串动。

以前的设计将齿条与活塞设计成整体式，使得这种结构液压缸，只能适用于单一用途，而不能适应不同用途、
不同使用条件、不同性能的需求。

图1传统的内置齿条齿轮活塞杆液压缸
内置活塞杆式液压缸也称无杆式液压缸，具有刚性好、结构紧凑的优点。

常用的的内置齿条式活塞杆液压缸如图1，齿轮齿条加工复杂，且该结构液压缸仅用于单一用途，不能适应不同使用条件和性能的需求。

经过多次实验，创新设计了内置中孔活塞杆式液压缸与杠杆结构的液压-机械复合夹紧装置，结构简单，加工工艺好，可满足自动化设备模块化、可重用性、兼容性和多种需求的特点，可以较小技术复杂性实现较大的复合传动装置功能多样化。

在图1结构基础上，保留活塞和缸体机构，将齿条活塞杆改变矩形杆，在矩形杆上加上一个径向矩形孔，一只滚轮以适当的间隙配合置于径向孔中，以该内置中孔活塞杆组成的液压缸为基本结构与杠杆结构配合便可构成图2的基于内置中孔活塞杆式液压缸与杠杠机构的夹紧装置。

基于内置中孔活塞杆式液压缸与杠杆机构的夹紧装置
在图2的夹紧装置中，滚轮的垂直方向运动可增加一个自由度，这种径向孔内用用滚轮代替以往的过渡滑块的结构，可以将滑动摩擦改为滚动摩擦，大大减小了摩擦力。

在滚轮的中心点处配合各种机构，便可得到所需的各种夹紧装置。

在图2结构中，当活塞在油液压力的作用下带动中孔活塞杆水平右移，点A 将点B 转动，则滚轮的垂直方向运动增加一个自由度，补点A 垂直方向的位移。

改变杠杆力臂时便可得到不同的输出里，该装置的输出力为： 2124L p
L d F a π=
式中：21,L L 为杠杆力臂，如图2所示。

为了使内置活塞杆式液压缸满足高性能、高灵活性、短开发周期、低成本的可重构设计理念，这里提出了内置装配式齿条活塞杆液压缸的设计思想，其特点是：在不改变缸体、活塞结构与尺寸的前提下，即缸体、活塞是可以重复利用的条件下，只需改变齿条式活塞杆与齿轮的结构，即进行结构重构，就可满足不同的运动与力输出的要求。

2、机构的选型
实现执行构件各种运动形式的常用机构：
1）实现连续旋转运动的机构：
如:双曲柄机构，转动导杆机构，定轴齿轮传动机构，蜗杆传动机构，周转轮系机构等
2）实现间歇旋转运动的机构：
如：棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等。

3）实现往复摆动的机构：
如：曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构等。

4）实现间歇往复摆动的机构：
如：带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动、齿条齿轮机构的组合机构等。

5）实现往复移动的机构：
如：曲柄滑块机构，正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、
各种移动从动件凸轮机构等
6）实现间歇往复移动的机构：
如：平面连杆机构、凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮—移动导杆机构组合等
7）实现刚体导引引动的机构：
如：铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮连杆机构、齿轮—连杆机构等。

8）实现给顶曲线（轨迹）运动的机构：
如：凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。

机构选型的基本原则：
1）满足工艺动作和运动要求；2）结构最简单，传动链最短；3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量；4）机构有尽可能好的动力性能；5）加工制造方便，经济成本低；6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用；7）具有较高的生产效率和机械效率等。

综合以上的机构选型思想，确定两种内置齿条活塞杆式液压缸与曲柄连杆机构组合的方案，如图1、图2。

3、方案确定
通过分析两种方案的力学特性，从而确定最佳方案。

图1所示的装置，是在内置装配式齿条活塞杆液压缸的基本结构上，外接一个正交曲柄连杆增力机构，进行力的传递、放大与输出。

上述夹紧装置的输出力为
式中：R 为齿轮节圆半径；r 为曲柄与齿轮铰接中心至齿轮几何中心的距离；α为连杆机构的理论压力角(如图l 所示)；为传动角，
())sin(arcsin r a L =，(L 为连杆的两个铰接中心之间的距离)；为液压缸的机械效率；
为曲柄连杆机构的机械效率。

曲柄连杆机构的实际增力系数
的计算公式为
公式(2)显示，当压力角a和传动角妒较小时，其实际增力系数i。

远大于1，即内置装配式齿条活塞杆液压缸在外接一个正交曲柄连杆增力机构后，可以将活塞的输入力放大若干倍。

图1外接曲柄连杆机构的液压一机械复合夹紧装置
图1装置由于结构不对称，活塞与力输出件都因承受径向力而造成较大的摩擦损失。

为改变该状态，在保持活塞结构不变的基础上，将内置活塞杆设计成双面齿条式，得到图2外接对称曲柄连杆机构的液压一机械复合夹紧装置。

该装置的显著特点是：结构布局对称，活塞与力输出件的径向受力对称、平衡，所以活
塞与缸体内壁之间、力输出件与其导向孔之间，理论上不存在偏载产生的摩擦力，实际摩擦力也很小，从而改善了图l结构中活塞和缸体之间单边磨损的状态。

图l所示装置与图2所示装置的力学计算公式是完全一致的。

但是，图2所示装置由于活塞与力输出件受力对称、平衡，其力传递效率的值，要显著高于图l 所示装置，其使用寿命也将得到相应提高。

图2外接对称曲柄连杆机构的液压一机械复合夹紧装置
4、结论
本文以内置齿条活塞杆式液压缸为基本结构，配合曲柄连杆机械增力机构，设计了液压一机械复合夹紧装置，以满足各种自动化设备对输出力的需求。

其特点是：
(1)所设计的液压一机械复合夹紧装置具有较大的力放大系数，而且结构对称摩擦力小，可以用较低的液压输入压力得到较大的输出力，从而达到降低功率消耗、降低设备成本的目的。

(2)该液压一机械复合夹紧装置，通过改变内置多功能活塞杆、机械增力机构，还可以进行更多的设计和扩展，得到更多种类的液压一机械复合夹紧装置，以适应各种不同自动化机械设备的需求。

(3)该液压一机械复合夹紧装置，实现了以低的重组成本、短开发周期得到具
有高性能、高灵活性的可重构产品，以满足市场对产品需求的变化越来越快、产品性能要求越来越高的特点。

（4）在不改变液压缸安装位置的前提下，改变杠杆机构可以得到任意方向的输出力。

参考文献
[1] 黄纯颖．工程设计方法．北京：中国科学技术出版社，1989.
[2] 盛小明，钟康民．基于固定式无杆活塞缸驱动的增力夹紧机构．机械制造出版社，2005，
[3] 王维,钟康民．基于无杆活塞缸的双向对中夹紧装置．机械制造出版社，2007，。