基于形封閉偏心凸輪與鉸桿增力機構的手動壓力機.pdf

文章編號:1004 - 2539(2007)06 - 0091 - 02 基于形封閉偏心凸輪與鉸桿增力機構的手動壓力機 (蘇州大學機電工程學院, 江蘇 蘇州 215021) 李全德 鐘康民 摘要 介紹了兩種基于形封閉偏心凸輪與鉸桿增力機構的手動壓力機,分析了它們的工作原理,給 出了相應的力學計算公式。這兩種創(chuàng)新的手動壓力機,均采用了形封閉偏心凸輪機構,不需要外加復位 裝置,具有結構簡單,增力效果顯著等優(yōu)點。 關鍵詞 偏心凸輪 形封閉機構 鉸桿 增力機構 手動壓力機 引言 目前常見的手動壓力機,一般采用3種機構:1.杠 杠機構;2.杠桿 齒輪齒條機構;3.力封閉偏心凸輪機 構。相對來說,杠桿機構的增力系數取決于主被動臂 的長度比,要獲得較大的增力系數,必然使得杠桿的尺 寸過長,導致結構不夠緊湊;而采用力封閉偏心凸輪機 構的手動壓力機,則需要外加復位彈簧,導致在結構上 顯得贅余。 基于上述原因,我們選用形封閉偏心凸輪機構,與 鉸桿增力機構進行串聯(lián)組合,設計了兩種新型的手動 壓力機。 1 工作原理 1.1 采用過渡鉸桿的手動壓力機 壓力機工作原理如圖1所示,它主要由驅動桿、 偏 心凸輪、 驅動滑塊、 過渡鉸桿、 雙邊鉸桿增力機構和壓頭 組成。為了解決裝置自由度不足的問題,在偏心凸輪機 構與雙邊鉸桿增力機構之間,增加了一支過渡鉸桿。 圖1 通過人手向驅動桿的球頭部施加一個力,使驅動 桿帶動偏心凸輪順時針轉動,水平方向上便產生一個 推動驅動滑塊向右運動的力;該力通過鉸接在驅動滑 塊上的過渡鉸桿,傳遞到雙邊鉸桿增力機構上,進而由 該機構產生向下的推力,來推動壓頭向下運動對工件 施加作用力,工作行程即告完成。工件加工完畢后,扳 動驅動桿使偏心凸輪逆時針方向運動,使驅動滑塊等 向左運動,并最終帶動壓頭向上運動脫離工件。 1.2 采用過渡滑塊的手動壓力機 該壓力機的工作原理如圖2所示,它主要由驅動 桿、 偏心凸輪、 驅動滑塊、 過渡滑塊、 雙邊鉸桿增力機構 和壓頭組成。與第一種所不同的是,在驅動滑塊的中 間開有一個徑向孔,孔中設置了一個過渡滑塊,偏心凸 輪機構與雙邊鉸桿增力機構通過過渡滑塊相連接,巧 妙地解決了自由度不足的問題。 工作時,通過人手向驅動桿的球頭部施加一個力, 使驅動桿帶動偏心凸輪順時針轉動,水平方向上便產 生一個推動驅動滑塊向右運動的力;該力傳遞到過渡 滑塊,由于雙邊鉸桿增力機構的作用,使得驅動滑塊徑 向孔中的過渡滑塊向下運動,進而驅動壓頭作向下的 滑移運動,從而作用于工件。工件加工完畢后,扳動驅 動桿使偏心凸輪逆時針方向運動,使驅動滑塊等向左 運動,并最終帶動壓頭向上運動脫離工件。 圖2 由圖1、 圖2不難看出,兩種壓力機都采用了形封 閉偏心輪機構,在壓頭回程時可以方便地脫離工件,并 且都采用了偏心凸輪機構和雙邊鉸桿增力機構相組合 的三級增力機構,增力效果顯著。同樣,它們的差異也 顯而易見,第一種采用了過渡鉸桿的結構,盡管結構較 為簡單,但是剛性較差;第二種則采用了徑向孔中放置 19第31卷 第6期 基于形封閉偏心凸輪與鉸桿增力機構的手動壓力機 過渡滑塊的方法,不僅靈活地解決了自由度不足的問 題,還使得整個裝置的剛性大大增強。 2 力學計算 以上壓力機由兩部分串聯(lián)組合組成,一部分是偏 心凸輪機構,另一部分是雙邊鉸桿增力機構。其中,帶 驅動桿的偏心凸輪機構,實質上是一種串連式的兩級 增力機構,其中驅動桿的杠桿作用為第一級,偏心凸輪 形成的斜楔作用為第二級。輸入力經過該機構的二次 放大后,又通過雙邊鉸桿增力機構進行第三次力放大, 所以此壓力機為三級增力機構。 系統(tǒng)的增力系數是輸出力F0與輸入力Fi的比 值。不考慮摩擦損失的增力系數為理論增力系數,常 用it表示;考慮摩擦損失后的增力系數為實際增力系 數,常用ip表示。 通過建立力學模型并分析計算可知,圖1所示壓 力機的理論增力系數的計算公式為 it1= Lcos tan1 1 +tan2tan 2sin2 (1) 式中 L 手柄端部到偏心凸輪偏心的距離 手柄相對于偏心凸輪中心的擺角 1 偏心輪力作用點處偏心凸輪的升角, 1= esin R-ecos ( e 為偏心距, R為偏心凸輪的半徑) 偏心凸輪轉動中心與其力作用點處的距 離,=R2+e2- 2Recos 過渡鉸桿的理論壓力角 2 增力鏈的理論壓力角 其實際增力系數ip1的計算公式為 ip1= Lcos tan(1+1)+ tan3 1 - tan(2+2)tan21 +tantan(2+ 2) (1 - tan1tan2 ) / 2tan(2+2) (1 - tantan1 ) (2) 式中 1 偏心凸輪與驅動滑塊作用處的摩擦角 2 鉸鏈副的當量摩擦角,2= arcsin 2r l f ( r 為鉸鏈軸半徑, l為鉸桿上兩鉸鏈孔的 中心距, f為鉸鏈副的摩擦因數) 3 3 偏心凸輪轉軸處的摩擦角 1 驅動滑塊與其導向槽之間的摩擦角,1 = arctan(為驅動滑塊與導向槽之間 的摩擦系數) 2 壓頭與其導向槽間的當量摩擦角,其值 由力輸出件的受力及約束方式決定4。 在式(1)、 式(2)中,前一部分為偏心凸輪機構的計 算公式,后一部分為雙邊鉸桿增力機構的計算公式。 圖2所示壓力機的理論增力系數it2和實際增力 系數ip2的計算公式分別為 it2= Lcos tan1 1 2tan2 (3) ip2= Lcos tan(1+1)+ tan3 1 - tan(2+2)tan11 - tan(2+2)tan2 2tan(2+2) (4) 由此,兩種壓力機的實際輸出力F1p和F2p的計算 公式分別為 Fp1= Lcos1 - tan(2+2)tan21 + tantan(2+ 2) (1 - tan1tan1 ) F i/ 2tan1tan(2+2) (1 - tantan1 ) (5) Fp2= Lcos1 - tan(2+2)tan11 - tan(2+2) tan2 Fi/ 2tan(1+1)+ tan3tan(2+ 2 ) (6) 3 計算舉例 對于鉸桿機構,從理論上講,其理論壓力角2越 小越好,但由于制造精度等原因,2角的取值不可能 很小,在工程實際中,一般取min= 3 5 。這里,我們 取2= 4, r= 5mm, l = 100mm, f= 0.1,計算可得2= 0.57,同時取= 0.1,2= 10,= 6 。對于偏心凸輪 機構,取參數如下, L= 500mm,= 30, e= 5mm, R= 30mm,1=3= 6 。根據式(7)、 式(8 ) , 代入計算得到 兩種手動壓力機的實際增力系數分別為i1= 350.5, i2 = 344.8,二者相差甚微。 若取某手動壓力機人手作用力為500N,根據求得 的增力系數i1, i2,可計算得兩種手動壓力機的實際輸 出力分別為F1p= 175250N, F2p= 172400N。而如采用 單一的偏心凸輪機構,在其它條件一定的情況下,要取 得如此大的輸出力,經計算,驅動桿的力輸入點到鉸鏈 軸的長度L ,需達3m以上,這在生產實踐中可以說是 沒有可行性的。(下轉第100頁) 29 機械傳動 2007年 實研究.湖北汽車工業(yè)學院學報,2000 ,14(2) :15 24 王紅巖,方泳龍,周云山等.金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)動態(tài)特性 的仿真分析.汽車技術,1995 ,(5) :14 25 王紅巖,方泳龍,周云山等.金屬帶式無級變速傳動系統(tǒng)動態(tài)特性 的理論與試驗分析.汽車工程,1999 ,21(5) :257262 26 張寶生,張伯英,周云山等.金屬帶式無級變速器液壓控制系統(tǒng)的 仿真金屬帶式無級變速傳動 農業(yè)機械學報,2002 ,33(2) :2024 27 胡建軍,秦大同,劉振軍.金屬帶式無級變速傳動速比變化特性研 究.汽車工程,2003 ,25(1) :2529 28 馬士澤,雷雨成.金屬帶式無級變速器速比控制研究.同濟大學學 報(自然科學版) ,2003(2) :209211 29 Ercole G. 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IEEE/ RSJ international conference on intelli2 gent robots and systems.Osaka ,Japan ,1996 ,(3) :17391746 收稿日期:20061103 基金項目:安徽省重點科學項目(05021028)安徽省 “十五” 科技攻關項目 (06012095B) 作者簡介:王幼民(1064 - ) ,男,湖北孝感人,碩士,副教授 (上接第92頁) 4 結論 本文提出的兩種手動壓力機具有以下特點: (1)采用了偏心凸輪和鉸桿相組合的三級增力機 構,由計算結果可知,輸入力可放大345倍。因而在輸 入力一定的情況下,可以獲得很大的輸出力。 (2)相對于力封閉機構而言,形封閉機構在壓頭回 程時不需要復位彈簧,結構相對簡單。 (3)第一種壓力機采用了過渡鉸桿,壓力機的剛性 較差;第二種采用了過渡滑塊,壓力機的剛性大大加 強;又因為兩者增力系數相差不大,因而建議優(yōu)先選用 第二種壓力機。 參考文獻 1 Zhong Kangmin , Guo Peiquan. Orthogonal reinforcement mechanism. and hydraulic drive. In: Proceedingsof tenth world congresson the theoryof ma2 chines and mechanisms (Vol5) . 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The process is not only clear and visual , but also convenient and fast. The design and power flow analysis are no longer difficult for closed planetary gear train. Key words Closed planetary gear train Speed ratio Power flow Circulatory power flow Torsional Vibration Analysis of Flexible Drive System based on ADAMSShen Yufeng ,Li Weiwei , Z ou Guangde(78) Abstract The virtual prototype of the flexible driver system is estab2 lished by using ADAMS (Automatic dynamic analysis mechanical sys2 tems) , the effect of elastic coupling on natural vibration frequency of system is analyzed. The results also provide theoretical data to avoid system sympathetic vibration effectively. Key words ADAMS T orsional vibration Natural frequency Flexible body Characteristic Analysis ofIntermittent -motion Linkagewith Slight Difference in Length between links Li Yan ,Ran Hengkui , Chen Xinbo(81) Abstract Some research is done on the intermittent - motion linkage with slight difference in length between the links. T o analyze and evalu2 ate the usability of this intermittent - motion linkage in practical engi2 neering , some analyses of the special linkage , such as the law of mo2 tion , the mechanical advantage , the transmission and dynamic charac2 teristic , are done. At the same time , the virtual prototype of this spe2 cial mechanism is also taken into analysis on the Adams system by mak2 ing use of its powerful functions on kinematics as well as dynamic simu2 lations. The results of these studies show that this special intermitted - motion linkage has a good usage property. This research shows some theoretic foundations for the practical usage of the intermittent - motion linkage. Key words Bar - linkage Intermittent - motion Analysis of link2 age Adams 2 - D Tolerance Analysis based on Vector- loop Assembly Model Peng Heping , Liu Xiaojun(84) Abstract Traditional tolerance analysis methods require an explicit function to describe the relationship between the resultant assembly di2 mensions and manufactured component dimensions. Such an explicit as2 sembly function may be difficult or impossible to obtain for complex 2 - D assemblies. A new method is presentedfor tolerance analysisof 2 - D mechanical assemblies based on vector loop - based models. It has a significant advantage over traditional tolerance analysis methods in that it does not require this explicit assemblyfunction. Furthermore , the tol2 erance analysis problemof 2 - D assemblies can be solved by vector op2 erating to obtain the tolerance sensitivity coefficients. An example is presented to demonstrate the effectiveness of the proposed method. Key words 2 - D T olerance analysis Vector loop assembly model Sensitivity coefficient Configuration Design of Universal Joints from Point of View of In2 terferenceZhang Fan(87) Abstract A systematic approach to the design and optimization of the ideal universal joint with a given input torque for a given joint angle is developed. Universal joints which use the approach presented here will be ensured not to have interference between the various parts of the mechanism when in operation. Key words Universal joint Interference Optimum design Two New Kinds of H and Presses based on Force Amplifier Com2 posed of Form- closed Eccentric - cam and Toggle Li Quande , Zhong Kangmin(91) Abstract Two new kinds of hand press based on force amplifier com2 posed of form - closed eccentric - cam and toggle are introduced. Their working principles are analyzed , and their mechanical calculating for2 mulae are also given. Both these two new presses consist of form - closed eccentric - cam , so they