一种斜楔增力液压夹具的力学计算.pdf

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1、苏 东宁等 ： 一种斜楔 增力液压 夹具 的力 学计 算 一 种斜楔增力液压夹具的力学计算 苏 东宁钟 康 民孙蓓 ( 济 南 大 学 ，2 5 0 0 0 2 ) 摘要 ：介绍 了一种基 于斜楔增力 的液压夹 具 的结构 特点 、 工作 原理 ， 对 其力学 特性 进行 了建模分 析 ， 并给 出了其 理论 增力 系数 及实际 增力系数 的计算公式 。 关键词：夹具 ； 液压传 动 ； 增 力机构 ； 增力 系数 ； 摩擦损失 ； 压力角 ； 传递效 率 中围分类 号 ： T H1 3 7 文献标识码 ： A 1前 言 增力机构在机械传 动 ， 尤其是在液 ( 气 ) 压夹具 中得到广泛 的

2、应用 。通过增力机构的力放 大作用 ， 可将输入力进行放大输 出 ，这样达到提高效率 ， 减 小系统结构 的 目的。不同的增力机构 ， 由于结构形 式 的不 同 ， 其力传递 效率 、 自锁 程度及其 他技术性 能 ，均 存 在 着 一 定 的 差 异 。 美 国 的 E d wa r d G H o ff m a n在第四版的( j i g a n d F i x t u r e De s ig n 中介 绍 了一种基于斜楔增力的液压夹具 ， 其结构 如图 1 所示 。但 文献并没有给出该夹具的力学计算公式 。 文献虽然 给出 了该夹具 的简化结构 的力学 计算 公 式 ， 但忽略 了弹簧力

3、 ， 且未 给出 当量摩擦 系数的具 体计算公式 。 下面我们介绍该夹具的结构特点及工 作原理 ， 并对 它进 行力学分析计 算 ， 推 导出相应 的 力学计算公式 。 2 结构 特 点及 工 作原 理 该液压夹具采用无杆液压缸 ， 并将起增力作用 的斜面直接设计在活塞上 。换向阀在 图示位置时 ， 活塞在液压油压力 P的作用下 向右运动， 其上面的 力输 出件 弹簧 理论力作用 线 P 活塞 液压缸体 图 1 斜面便推 动力输 出件向上运动 ， 将输入力放大后 以 F 输出。 换向阀换位后 ， 活塞向左运动 ， 力输 出件在 弹簧的作用下向下运动。 图 1所示夹具 的特点是结构上非 常紧凑

4、， 且力 输 出件始终与活塞斜面保持接触 。 3理论输 出力 F 与理论增 力系数 i t 的计算 图 1所示系统 ， 在不考虑各接触面摩擦时 ， 其理 论输 出力 F 及理论增力系数 i t 的计算公式分别为 ： F ： 一F 。 t a n0【 ； ： ： 一一生 P 啪 0 【P 式中 F -N论输出力 ； F 一 弹簧力 ； P 一 液压 缸 左 腔 的压 力 ， 即输 入 力 P = 孚 p ； 0 【 一斜楔式活塞的楔形角。 4实际输 出力 F 卵与实际增力系数 i 的计算 图 1所示夹具工作时 。 输 出件受到来 自斜块的 作 用力 ， 有向逆时针方向翻转 的趋势 。力输 出件受

5、 力情况取决于它与导 向孔间间隙的大小 ， 当间隙较 小时 ，它受到来 自导 向孔的反作用力成线性分布 ， 如图 2所示 ； 当间隙较大时 ， 其受力则成 集中载荷 分布 ， 如图 3所示。下面 ， 我们就这两种情况 ， 推算 系统的实际输出力F 印 和实际增力系数ip 。 4 1线性分布栽荷条件下的力学计算公式 当输 出件与导向孔的间隙较小时 ， 输 出件受到 来 自导向孔的作用力成线性分布 ， 其力学模型如 图 2所示 。 根据静力平衡条件 F = 0 、 F v = 0及力偶矩 9 维普资讯 2 0 0 3年第 9期 山东农 机 S h a n d o n g Ag r i c u l

6、t u r a l M a c h i n e r y 2 0 0 3年 9月 N o 9 S e p ， 2 0 0 3 图2 平衡条件 X M。 ( F ) = O ， 可列出以下三个方程 ： N1 + Rs i n + B ) = N2 F ，+Fo o+ ( Nt + N2 ) f = l c o s ( a + B ) N 1 f 孚 + R s in ( + 3 )(L - - L ) =N2 f D +N ：【 L 一 丁 1 1 一1 2 - 丁 ( L - 一L ) , 】 由上述方程推得 ： c 仁 令 ： = 3 f (D- + 2 ( 2 L -2 0 r o ， 。

7、- l d ) +L ) +L ) 一 “ ” r 为输 出件与导 向孔间的当量摩擦 系数 ， 其值 的大小 与输 出件的几何参数 及输 出件与导 向孔 间的配合 几何参数有关 。 进一步计算得 ： 实际输 出力 ： F= Po p ， ( 1 ) t a n ( + B ) + t a n P 。 实际增力 系数 ： i= F P = 一三 P ( 2 ) P c a _n ( + B ) + t a n p 、 一 式中F 一实际输 出力 ； R一 活塞斜面对力输出件的反作用力 ； B 一输 出件与楔块间的摩擦角 ； p 一 活塞与液压缸间的摩擦角 ； f _力输 出件与导 向孔间的摩擦

8、系数。 3 2 集中载荷条件下的力学计算公式 当输出件与导 向孔问的间隙较大时，输 出件受 到来 自导向孔的作用力成集中载荷分布 ，其力学模 型如图 3所示 。 根据静力平衡条件 E F= 0 、 Z F= 0及 】 0 力偶矩平衡条件 X Mo ( F ) = O ， 可列出以下三个方程 ： Nt + R i n ( + B ) N2 F 。 +F ，+ ( Nt + N2 ) f = l c o s ( a+ 13 ) N t f 孚+ P s in (a + 13 ) L = N 2 L + N 2 f 由上述方程推得 ： ( N1 + N ) f =4 L z - L 2 。 L 中

9、r - I u f ( 一 D d + d ) 一 ( o 【 + 令 ： =4 L ， ) - I 2 L + , 仃 n - f ( 一 D 一 + 、 d ) f 。显然， f = 为输出件与 。、 2 L + Dd ) 。 业 霸u 导向孔 间的当量摩擦系数 ， 其值 的大小同样与输 出 件 的几何 参数及输 出件 与导 向孔间 的配合几何参 数有关 。 进一步计算得 ： 实际输出力 ： F 叩： P F ( 3 )t o p a n ( + B ) + t a n P 、 。 实际 增 力系数 ： 一 F 。一 1 一 f t a n ( + B ) ；= = 二， P t a n

10、( ( x + ) + t a n q o 式 中符号同前所述 。 一 F ( 4 ) 图 3 比较公式 ( 2 ) 与 ( 4 ) 发现 ， 在考 虑摩 擦时 ， 由力 学模型 2与力学模 型 3所推 出的实 际增 力系数 的 计算公式 在形式上相 同 ， 只不过公 式 ( 4 ) 中用 f代 替 了公式 ( 2 ) 中的 ( ， 即 ： 在两种情况下 ， 输 出件与 导向孔 间的当量摩擦系数 的值不同 ， 它们 的大小与 约束方式有关 。另外 ， 我们还看出 ， 的计算较 要 复杂得多， 为便利起见， 在 1 1 尺寸及( 1 2 一 一 L ) ) 尺寸 均较小时 ， 力学模 型 2可简

11、化成力学模型 3 ， 用公式 ( 4 ) 计算实际增力 系数 i n 。 5 自锁性能 1 i I I I n| i l 一 维普资讯 张 清博 ： 现代 CA D 技 术趋 势 现代 C A D 技术趋势 张清博 ( 山东省农业机械科学研究所 ， 2 5 0 1 0 0 ) 1 1 葑盲 计算机辅助设计 ( CA D)技术产生于 1 9世纪 5 O年代后期 ， 目前已广泛地应用于工程设 计的各个 领域 。CAD系统 的发展 和应用使传统的产品设计 方法 与生产模式发生 了深刻的变化 ， 产生 了巨大的 社会经济效益。 上个世纪 9 0年代 以来 ，跨 国公 司在全球范围 迅速扩张 ，经济全球

12、化一体化的格局已初 步形成、 生产活动与分工全球化 ，形成世界性的生产 网络 。 因此 ， 传统 的局限于产 品的设计理论 已不能适应时 代 的发展 ， 现代设计理论认为设计不仅仅要面 向产 品 ， 还要面 向企业及 整个生产过程 ， 面向本 地区乃 至全球经济 。 与此同 时 ， C AD技 术经历 了二维平 面图形设 计 、 交互式 图形设计 、 三维线框模 型设计 、 三维实体 造型设计 、 自由曲面造型设计 、 参数化设计 、 特征造 型设计等发展过程 。近年来又 出现了许多先进技 术 ， 如变量化技术、 虚拟产品建模技术等。 随着信息 技术 、 网络技术的普及 ， 并行设计 、 集成

13、化 、 智能化 、 协同化成为 CAD技术新 的发展趋势 。 2现代 C AD技术趋势 2 1 变量化 技 术 超 变量 几 何( Va r i a t i o n a l G e o me t r y e Xt e n d e d 。 V GX) 技术是由 S Dt L C公 司推 出的第 四代 CAD核 心技术。V GX提供了三维变量化控制技术 ， 贯穿于 二维草图设 计 、 三维零件造型 ， 直到装配 体设计 全 过程 ； 提供变量化草绘 、 建立变量方程 、 设计变量特 征 的能力 ；直接修改与基 于设计历程修改相结合 ， 可随时灵活地修改原约束、 建立新约束和删除1 日 约 束 ，

14、或进行 与造 型顺 序无 关的尺寸标 注 ， 而 不必关 心设计顺序 。VG X 为用户提出了一种交互操作模 型的三维环境 ，设计人员在零部件上定义关系时 ， 不再关 t , -维设计信息如何变成三维 ， 从而简化 了 设计建模 的过程。 2 2 虚拟 现 实技 术 虚拟现实 ( V i r t u a l Re a l i t y ， v R) 技术 ， 可以进行 各类可 视化模拟 ，用 以验证设计 的正确性和可行 性 ； 可以在设计 阶段模拟零部件 的装 配过程 ， 检查 所用零 部件是否合适和正确 ；在概念设计阶段 ， 支 持人机工程学 ， 检验操作时是否舒适 、 方便 ， 可用于 方案

15、选 比。 虚拟制造 ( vi a l M姐u & c t I n i n g ， V M ) 是 实际制造过程在计算机上 的本质实现 ， 即利用各方 面仿真 与虚拟现实等技术 构造一个虚拟 的、集成 的、 有机 的制造环境 ， 在此环境下 ， 产品开发人员通 过 网络协同技术 ， 快速地 、 并行地进行产品开发。 虚拟 工厂 、虚拟制造 、动态企业联盟将成 为 C AD技术在 电子商务时代继续发 展的一个重要方 向。目前 ， 一些大型公司正在考虑利用信息技术 ， 通 过专业化的协作 ，实现世界级 的制造和供 应网络 ， 虚拟工厂的实现成为可能。 2 3 并 行 设计( C o n c u r

16、r e n t De s i g n ) 所 谓并行设计 就是指在产 品开发 的设计 阶段 就综合考虑产品整个生命周期( 从概念设计到产品 报废 ) 中的所 有因素 ， 包括市场需求 、 制造 、 装配 、 维 护 、 环境 保护等 ， 通过各环节的并行集成 ， 缩短产品 的开发时间 ， 降低产 品成本 ， 提高产品质量。 并行设计 的技 术核心是基 于分布式并行 处理 的协同求解 ，基 本特征是信息集成发 展为过 程集 成。信息集成主要是对企业在 设计 、 管理和加工制 造过程中需要和产生的大量数据进行统一管理 ， 解 决 大量的 自动化孤 岛问题 ， 达到正确 、 高效的数据 交换 和共享

17、。 过程集成的 目的是要达到优化和重组 经建模分析 ， 不难得 出 ， 该夹具的 自锁条件为 ： a 1 3 + ( p 。 当满足此条件时 ， 该夹具能够 自锁 。 但在工 程设计上为安全可靠起见 ， 一般取 d B 。 这样 ， 在要 求长时问保持作用力的场合 ， 可 以让液压泵卸荷或 停止运转 以便节能。 参 考 文 1 E d wa r d G Ho ff ma n J i g a n d I ：U r C D嘶 F o u r t h E Al b a n y US A：Ddma r Pu bl i s h c m 1 9 9 6 2 Zh on g K l g mi n， Gu o P e i q ma 0l t Ib a 艇j n 南咖t mo r h a nll m a n d h y d r a u l i c d ri ve I n ： PI oc 卤n 簟 ma t h wo dd c o n g r e s s t h e t h e o r y ma c h i m,a n d Mc d- a ( X o L S ) Ou k h F inl a n d ：O I 1 1 ) 1 U n i v c n l t y P l 1 9 9 9 维普资讯