一種快速連接機構(gòu)的設(shè)計與分析*

晏 濤,薛萌萌,梅瑞麟，曹煜暉，王中任

(1.湖北文理學(xué)院 機械工程學(xué)院,湖北 襄陽 441053; 2.航宇救生裝備有限公司,湖北 襄陽 441003)

0 引言

運輸機、直升機、裝甲運兵車等現(xiàn)代裝備作為通用運輸平臺時，往往需要根據(jù)不同的執(zhí)行任務(wù)快速加裝機載設(shè)備，如運輸機上加裝救護擔(dān)架，直升機上加裝醫(yī)療掛架，裝甲運兵車輛上加裝防雷座椅等設(shè)備，這些加裝任務(wù)都要求加裝設(shè)備可在5 min～15 min內(nèi)完成加裝和拆卸，且要求設(shè)備連接安全可靠并可承受4g～20g的加速度過載[1-2]。

目前機載設(shè)備往往通過快卸銷、快卸螺栓、聯(lián)動夾緊機構(gòu)等實現(xiàn)快速連接，但是這些傳統(tǒng)的快速連接方式往往需要在連接件與被連接件上設(shè)計專門的單耳或雙耳接頭，如快卸銷的使用，或者配備專用的拆裝工具，且承載力有限，安裝一致性差，安裝后容易卡滯導(dǎo)致拆裝費時費力[3]。為解決機載設(shè)備的快速安裝和拆卸，本文設(shè)計了一種快速連接機構(gòu)，該機構(gòu)克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，連接和拆卸時無需操作工具，使用方便、連接可靠、承載能力強。該快速連接機構(gòu)可適用于機床夾具的安裝與拆卸、工件與工裝的快速連接等場合，并可單個使用或成組使用，單個使用時連接件可相對于被連接件自由旋轉(zhuǎn)。

1 快速連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 快速連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)

快速連接機構(gòu)包括連接頭1和鎖定組件2，如圖1所示，有松開和鎖定兩種工作狀態(tài)，如圖2所示。連接頭包括相互連接的連接板1和鎖定頭3，鎖定頭為圓柱狀，其側(cè)壁設(shè)置有C形環(huán)槽。鎖定組件包括定位球4、鎖定環(huán)5、限位環(huán)6、固定塊7和外套8；外套為一圓柱形金屬套，外套的上口為半開放結(jié)構(gòu)，上口的中間位置設(shè)置有剛好供鎖定頭3通過的通孔，下口開放并在下口內(nèi)側(cè)緣設(shè)置有定位槽；固定塊7固定在外套8底部，包括底部的定位面和凸起的固定環(huán)形面，定位面的邊緣與定位槽相配合，固定環(huán)卡接在外套內(nèi)部。

鎖定環(huán)5設(shè)置于固定塊7的上方，鎖定環(huán)5與設(shè)置于外套8外部的鎖定手柄11連接，鎖定手柄11可帶動鎖定環(huán)5在外套8內(nèi)上下移動，限位環(huán)6設(shè)置于鎖定環(huán)5和固定塊7包合而成的空腔內(nèi)，限位環(huán)與固定塊之間設(shè)置有彈簧9，限位環(huán)的頂部外側(cè)緣設(shè)置有半球面，半球面、鎖定環(huán)上緣和外套上口的內(nèi)壁之間組成的空間內(nèi)設(shè)置有一圈定位球4。連接板與連接件相連，固定塊與被連接件連接。

1-連接頭；2-鎖定組件；3-被連接件；4-連接件

1.2 工作原理

快速連接機構(gòu)使用時先將連接板1與連接件相連，固定塊7與被連接件連接，然后將鎖定頭3插入鎖定組件的上口，鎖定頭3下壓后將定位球4向兩側(cè)擠壓，并使限位環(huán)6向下移動；此時再轉(zhuǎn)動鎖定手柄11使鎖定環(huán)5向上移動，鎖定環(huán)的上緣插入定位球4與外套8的內(nèi)壁之間，使定位球4擠壓在鎖定頭3側(cè)壁的C形環(huán)槽和鎖定環(huán)5之間，C形環(huán)槽、鎖定環(huán)5和外套8內(nèi)壁對定位球4形成較大的擠壓力，同時也給鎖定頭3提供強大的鎖緊力[4]，將鎖定頭牢固地固定在鎖定組件中；當(dāng)需要分離連接機構(gòu)時，首先轉(zhuǎn)動鎖定手柄11使鎖定環(huán)5向下移動，撤去鎖定環(huán)5上緣對定位球4的擠壓力，再將鎖定頭3從鎖定組件中退出，此時由于鎖定頭3對限位環(huán)6的壓力撤去，限位環(huán)6在彈簧9回彈力的作用下向上運動至定位球下方，使定位球4可以固定在半球面、鎖定環(huán)5上緣和外套8上口的內(nèi)壁之間組成的空間內(nèi)。

2 關(guān)鍵設(shè)計與特點分析

2.1 關(guān)鍵設(shè)計

當(dāng)連接件和被連接件需要頻繁安裝拆卸時，直接將鎖定組件和連接頭分別固定在連接件和被連接件上，并將連接頭放入鎖定組件的空腔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)鎖定手柄時鎖定環(huán)將定位球擠壓至鎖定頭的C形環(huán)槽內(nèi)，環(huán)槽與定位球配合來實現(xiàn)連接頭和鎖定組件之間的軸向鎖定，因此連接時手動操作即可，無需使用操作工具，拆卸時同樣通過旋轉(zhuǎn)鎖定手柄即可完成連接頭和鎖定組件之間的分離，連接、拆卸快速方便。

為了實現(xiàn)手動鎖定，在外套的側(cè)壁上設(shè)置有通透的傳動桿導(dǎo)槽G(外套剖視圖如圖3所示)，鎖定環(huán)的外側(cè)壁上設(shè)置有凹槽K(鎖定環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示)，外套的外部設(shè)置有環(huán)形的鎖定手柄，鎖定環(huán)和鎖定手柄通過穿過導(dǎo)槽G的傳動桿相互連接，即傳動桿一端固定在鎖定手柄中，另一端穿過導(dǎo)槽G后卡接在凹槽K中；導(dǎo)槽G的起點在外套側(cè)壁上的高度低于終點，起點和終點的高度差等于鎖定環(huán)可在外套內(nèi)部上下移動的最大距離。

1-連接板；2-內(nèi)六角螺釘；3-鎖定頭；4-定位球；5-鎖定環(huán)；6-限位環(huán)；7-固定塊；8-外套；9-壓縮彈簧；10-傳動桿；11-鎖定手柄

在轉(zhuǎn)動手柄的過程中鎖定環(huán)的L斜面被固定塊(如圖5所示)上的凸緣Q沿斜面頂起，將鎖定環(huán)的轉(zhuǎn)動位移分解轉(zhuǎn)換為軸向直線位移，此時鎖定環(huán)上的錐面M將定位球擠壓至鎖定頭的C形環(huán)槽內(nèi)，外套、C形環(huán)槽、定位球、鎖定環(huán)四個零件相互配合來實現(xiàn)連接頭和鎖定組件之間的軸向鎖定。

H-凸臺二；J-定位槽；G-傳動桿導(dǎo)槽K-轉(zhuǎn)動桿凹槽；L-斜面；M-錐面 P-彈簧導(dǎo)向柱；Q-凸緣；R-定位面

2.2 特點分析

該快速連接機構(gòu)具有以下特點：

(1) 當(dāng)連接件和被連接件快速安裝與拆卸時僅需手動操作即可，無需使用操作工具，連接、拆卸快速方便。

(2) 限位環(huán)上的半球面和壓縮彈簧配合來防止定位球掉落，未設(shè)置定位球防磨套，使定位球可以自由運動，減小了摩擦，使鎖定手柄旋轉(zhuǎn)更省力。

(3) 鎖定頭的環(huán)槽處布置了一圈定位球，提供了強大的鎖緊力，且載荷分布很均勻；定位球與外套、限位槽、鎖定頭接觸受力的三點近似于一個等邊三角形，受力分布良好，使三點力均勻分布，避免了應(yīng)力集中。

(4) 該機構(gòu)體積小、重量輕，可單個使用或成組使用，單個使用時僅限定軸向位移，鎖定頭可自由旋轉(zhuǎn)，可任意方向裝入鎖定組件并實現(xiàn)鎖定，極大地提高了安裝效率，連接件可相對于被連接件自由旋轉(zhuǎn)，該使用方案已在某型潛艇座椅上使用，實現(xiàn)了座椅的旋轉(zhuǎn)功能。多個快速連接機構(gòu)成組使用情形如圖6所示，該方案可應(yīng)用在各種需要快速連接的結(jié)構(gòu)中。

3 結(jié)束語

為滿足機載設(shè)備的快速安裝與拆卸，本文設(shè)計了一種快速連接機構(gòu)，并對該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理進行了介紹，最后對關(guān)鍵部件的設(shè)計及連接機構(gòu)的特點進行了分析。該快速連接機構(gòu)同樣適用于機床夾具的快速安裝與拆卸、柔性化制造中大部件與工裝的快速連接等其他場合，應(yīng)用廣泛。

1-連接頭；2-鎖定組件；3-被連接件；4-連接件

參考文獻：

[1] 中國民用航空總局.CCAR—29R1運輸類旋翼航空器適航規(guī)定[S].北京：交通運輸部,2002:23-24.

[2] 中國民用航空總局.CTSO—C127b旋翼航空器、運輸類飛機和小飛機座椅系統(tǒng)[S].北京:交通運輸部，2016:9-17.

[3] 熊良山.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2014.

[4] 章宏甲,黃誼,王積偉.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.