液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置

盛小明 李 欣 鐘康民

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021)

隨著各種設(shè)備對液壓執(zhí)行元件產(chǎn)品多樣性、個性化要求的增高，需要根據(jù)不同用途、條件和性能對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計制造。市場對產(chǎn)品需求的變化越來越快，開發(fā)周期縮短，產(chǎn)品的復(fù)雜性增加，能夠快速設(shè)計和制造出符合上述要求的產(chǎn)品變得十分重要。

液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置可以適應(yīng)各種不同機(jī)械設(shè)備的需求，滿足自動化設(shè)備模塊化、可重用性、兼容性和多種需求的特點(diǎn)，以較小技術(shù)復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)較大的復(fù)合夾緊裝置功能多樣化。

本文提出的基于內(nèi)置齒條活塞桿式液壓缸與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合夾緊裝置，具有利用現(xiàn)有產(chǎn)品模塊，形成新產(chǎn)品的能力，使產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大規(guī)模、快速、經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)市場的需求。

1 可裝配液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置的設(shè)計思想

常見的內(nèi)置齒條式活塞桿液壓缸，其優(yōu)點(diǎn)是剛性好、結(jié)構(gòu)緊湊，但需通過串接其它機(jī)構(gòu)才能輸出力與運(yùn)動，如通過齒條-齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輸出往復(fù)擺動運(yùn)動。很多設(shè)計人員將齒條與活塞設(shè)計成整體式，使得這種結(jié)構(gòu)液壓缸，只能適用于單一用途，而不能適應(yīng)不同用途、不同使用條件、不同性能的需求。

為了使內(nèi)置活塞桿式液壓缸滿足高性能、高靈活性、短開發(fā)周期、低成本的可重構(gòu)設(shè)計理念，這里提出了內(nèi)置裝配式齒條活塞桿液壓缸的設(shè)計思想，其特點(diǎn)是:在不改變缸體、活塞結(jié)構(gòu)與尺寸的前提下，即缸體、活塞是可以重復(fù)利用的條件下，只需改變齒條式活塞桿與齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，即進(jìn)行尺寸重構(gòu)，就可滿足不同的運(yùn)動與力輸出的要求。

2 基于裝配式齒條活塞桿的液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置

2.1 外接正交曲柄連桿機(jī)構(gòu)的液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置

圖1所示的裝置，是在內(nèi)置裝配式齒條活塞桿液壓缸的基本結(jié)構(gòu)上，外接一個正交曲柄連桿增力機(jī)構(gòu)，進(jìn)行力的傳遞、放大與輸出。

上述夾緊裝置的輸出力為

式中:R為齒輪節(jié)圓半徑;r為曲柄與齒輪鉸接中心至齒輪幾何中心的距離;α為連桿機(jī)構(gòu)的理論壓力角(如圖1所示);φ為傳動角，φ=arcsin(l sinα/r)，(l為連桿的兩個鉸接中心之間的距離);ηC為液壓缸的機(jī)械效率;ηM為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際增力系數(shù)ip的計算公式為

公式(2)顯示，當(dāng)壓力角α和傳動角φ較小時，其實(shí)際增力系數(shù)ip遠(yuǎn)大于1，即內(nèi)置裝配式齒條活塞桿液壓缸在外接一個正交曲柄連桿增力機(jī)構(gòu)后，可以將活塞的輸入力放大若干倍。

2.2 外接對稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置

圖1裝置由于結(jié)構(gòu)不對稱，活塞與力輸出件都因承受徑向力而造成較大的摩擦損失。為改變該狀態(tài)，在保持活塞結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，將內(nèi)置活塞桿設(shè)計成雙面齒條式，得到圖2外接對稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)的液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置。該裝置的顯著特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)布局對稱，活塞與力輸出件的徑向受力對稱、平衡，所以活塞與缸體內(nèi)壁之間、力輸出件與其導(dǎo)向孔之間，理論上不存在偏載產(chǎn)生的摩擦力，實(shí)際摩擦力也很小，從而改善了圖1結(jié)構(gòu)中活塞和缸體之間單邊磨損的狀態(tài)。

圖1所示裝置與圖2所示裝置的力學(xué)計算公式是完全一致的。但是，圖2所示裝置由于活塞與力輸出件受力對稱、平衡，其力傳遞效率ηM的值，要顯著高于圖1所示裝置，其使用壽命也將得到相應(yīng)提高。

3 結(jié)語

本文以內(nèi)置齒條活塞桿式液壓缸為基本結(jié)構(gòu)，配合曲柄連桿機(jī)械增力機(jī)構(gòu)，設(shè)計了液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置，以滿足各種自動化設(shè)備對輸出力的需求。其特點(diǎn)是:

(1)所設(shè)計的液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置具有較大的力放大系數(shù)，而且結(jié)構(gòu)對稱摩擦力小，可以用較低的液壓輸入壓力得到較大的輸出力，從而達(dá)到降低功率消耗、降低設(shè)備成本的目的。

(2)該液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置，通過改變內(nèi)置多功能活塞桿、機(jī)械增力機(jī)構(gòu)，還可以進(jìn)行更多的設(shè)計和擴(kuò)展，得到更多種類的液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置，以適應(yīng)各種不同自動化機(jī)械設(shè)備的需求。

(3)該液壓-機(jī)械復(fù)合夾緊裝置，實(shí)現(xiàn)了以低的重組成本、短開發(fā)周期得到具有高性能、高靈活性的可重構(gòu)產(chǎn)品，以滿足市場對產(chǎn)品需求的變化越來越快、產(chǎn)品性能要求越來越高的特點(diǎn)。

1 盛小明，鐘康民.基于固定式無桿活塞缸驅(qū)動的增力夾緊機(jī)構(gòu)［J］.機(jī)械制造，2005，43(10):71～72

2 王維，鐘康民.基于無桿活塞缸的雙向?qū)χ袏A緊裝置［J］.機(jī)械制造，2007，45(9)

3 柏青，鐘康民.基于無桿活塞氣缸的氣-液復(fù)合傳動增壓裝置［J］.流體傳動與控制，2006(10):31～35