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斜楔机构的分析及双楔角斜楔机构的设计南通工学院1997,13(2)JournalofNantongInstituteofTe一斜楔机构的分析及双楔角斜楔机构的设计罗新华花国然_———～-———一(南通工学院机械工程系,南通226007)l17.7f7~0,3摘要通过对斜楔机掏的运动分析和受力分析,提出对双模角斜楔机构设计的具体方法.关键词斜楔机构;夹具段计姐法分类号%职楔角斟楔乱构.亩if,夹靓丰勺斜楔是夹具夹紧机构的基本形式之一,它具有结构简单,能产生增力作用等特点,机床结构中一些工作部件的夹紧装置也常用到但单斜楔夹紧机构的夹紧行程和增力作用受斜楔角取值影响很大其应用受到限制.本文在对斜楔机构的参数作较详细分析的基础上,提出了双楔角斜楔机构设计的具体方法.1斜楔机构的分析斜楔机构最典型的应用是斜楔夹紧机构,利用斜楔可以使夹紧机构实现所施夹紧力方向改变,产生增力作用,并在满足一定条件时实现夹紧机构的自锁.图1a为斜楔推动顶柱的夹紧机构简图,现对这一类斜楔机构的运动和受力情况进行分析.夹紧机构外施力P与机构产生的夹紧力Q垂直,机构受力分析见图1b.夹紧力Q为:Q=P?式中:0为斜楔底面与支承面间摩擦角}0.为斜楔斜面与顶柱间摩擦角;0.为顶柱与导向面间的摩擦角;现令夹紧力Q和外施力P之比为斜楔机构的增力比i.图1a夹紧机构增力比:Q=㈨斜楔机构通过楔面实现斜楔的水平运动转换为顶柱的垂直运动,两者之间的运动关系有:Y—x?tga(见图le).定义顶柱位移Ay与斜楔水平位移△X之比为斜楔机构运动换向的行程比i..i一Ay/△x=ta(2)斜楔夹紧机构除需考虑增力比i外,还应有适当的行程比i.以及在某些情况下所需的自tI-J●I第2期罗新华花国然:斜楔机构的分析及取楔角斜楔机构的设计'15'yIdR2xp图1锁要求,以图1a斜楔夹紧机构为倒,对斜楔机构的增力比,行程比以及自锁条件等作一讨论.(1)自锁条件对图1斜楔夹紧机构,当斜楔能自锁,夹紧元件也不会出现松动.应满足夹紧自锁的条件为:.l+.2≥a(3)一般钢与钢或钢与铸铁的摩擦系数f--0.1～O.15,相应..:5.7.～8.5.,因此≤11.～17.为保证夹紧机构自镇可靠,可取6.～8.,由式(2)可知,此时夹紧行程比i大为减小.(2)斜楔机构的增力比i,行程比及传动效率1若不考虑斜楔机构各元件接触面间的摩擦时,斜楔机构的增力比称为理想增力比i',根据式(1),(2)可以得出i.=1/i定义斜楔机构的实际增力比与理想增力比的比值为斜楔机构的传动效率:=ip/ip.一ip?g4)i,1均为楔角a的函数图1斜楔机构的i,1与口角关系分别见图2中的曲线A和曲线a,对常用的单楔角斜楔机构分析可以看出,当≤1O.时,斜楔机构可取得较大增力比i,.但此时行程比i.很小,传动效率低,因此楔角小的单楔角斜楔机构用于需自锁的手动夹紧机构,且夹紧行程小,夹紧机构的设计受到诸多条件的限制.当≥35.时.行程比i增大,传动效率提高,但无增力作用(I≤1),因此大楔角斜楔机构一般没有实用价值.当在1O.～3O.时,行程比明显高于小楔角的情况,传动效率提高,增力比较小(1～2倍),在相同夹紧力的情况下,要求夹紧机构外施力P大,且不能自锁,一般机动夹紧的斜楔机构楔角在此范围内取值,但取值越大.增力比i越小.(3)带滚子的斜楔夹紧机构如果将图1a斜楔机构中顶柱与斜楔接触面间的滑动摩擦改为滚动摩擦,即将顶柱与斜楔的接触改为滚子接触时,可在一定范围内提高增力比i,改用滚子接触的当量摩擦角0'有:,d…go百'tgBb16南通工学院\It{8hL//l\1\l\=======,—,f——:=:l01020-]0405Otg~J=t9由2:t9cp8O.Id/D=0-5图2式中:d为滚子销轴直径.D为滚子外径通常d/D一0.5带滚子单楔角斜楔机构的增力比i仍用式(1)计算式中啦,0-应用当量摩擦角0',0t 代替.自锁条件按式(3)确定,同样.,.应改用.',0.图1中顶柱与斜楔面改用滚动摩擦的带滚子斜楔机构的增力比,传动效率与楔角a的关系可见图2中的曲线B和b.与图1斜楔机构相比,在楔角a较小时,增力比i传动效率有明显提高,但当a较大时,两者差别很小,并且带滚子斜楔机构需自锁时,楔角a更小,使行程比变得更小.2双楔角斜楔夹紧机构以上分析说明,单楔角斜楔机构的增力比i,与行程比i.是一对相互矛盾的参数.设计单楔角斜楔机构时.楔角a的选取,不能同时满足夹紧机构对ii的要求,采用双楔角的斜楔夹紧机构可解决这一问题现就双楔角斜楔机构的设计作一分析图3所示的双楔角斜楔机构中.通过大楔角可取得较大行程比,使斜楔推动夹紧元件快速趋近工件}通过小楔角可提高增力比,并且顶柱与斜楔面的接触采用带滚子形式.使夹紧机构得到较大的夹紧力对图3斜楔机构,其增力比i可参照式(1)有:1一tgoa?tg(a2+0{)…一顶柱在a,楔面移动,其垂直,水平位移与a,角的关系如图3所示从图中可得:x.tg~0一(x0--X2)t】+XZtga2将x:一y2/g42,x.一如/t.代入,有!二!g!.塑一旦一tgal—tgq?tgq.Y.0862Z眦z第2期罗新华花国然:斜楔机构的分析及双楔角斜楔机掏的设计'17'a.=署H-r,r1,\\//,,l,.Iy.1/fx.lI,,,,,,///////,/图3P式中:tga.双楔角斜楔夹紧机构的当量行程比.tgai..一Y o/x.,其中xo为斜楔水平移动行程.,y.夹紧机构的夹紧总行程.Y2由楔角a决定的夹紧行程.Y的确定应考虑夹紧过程的具体情况,一般应有y2≥S+S+△(8)S夹紧机构夹紧时的弹性变形S一顶柱由a-楔面移到a.楔面,在Y.方向的升程备量.△一工件在夹压方向上的尺寸误差.Y按式(8)确定后,Y2/y.值越小,夹紧总行程Y.越大,央紧机构尺寸变大,因此Y.大小应当满足工件在夹具上装卸方便所要求的尺寸条件.一般情况下,Y.取(5～1O)y..由式(7)分析,当a角增大,i也增大,但a决定了夹紧机构的增力比i,当夹具增力比要求大时,a应取小值,i..减小,在y/y.取值受限制条件下取值过小,i减小程度使得斜楔机构采用双楔角形式的实用价值不大,因此夹具设计的增力比要求应取适当值.当a 取～1O.时(tga一O.∞～O.18),图3斜楔机构增力比i≈3～4倍.而按y2/y.的取值条件可取Y2/y.≈tga.,为简化(7)式计算,则:tgal,,tg.一I_0双楔角斜楔机构的传动效率可根据单楔角斜楔机构的传动效率等效确定.由于夹紧力Q是在小楔角a斜面上产生,因此if=iptga=i?tga2(1o)双楔角斜楔机构的设计可按下列步骤进行:(1)应根据夹紧机构的增力比要求选择小楔角a;(2)根据式(8)及夹具的结构尺寸要求确定Y和y/y.;(3)按式(7)或(9)选择a以取得适当的当量行程比i…在行程比相同的条件下,双楔角斜楔机构与单楔角斜楔机构相比,可得到更大的增力比18南通工学院3结束语以上分析说明,双楔角斜楔机构在一定范围内可以解决单楔角斜楔机构设计中增力比,行程比要求互相矛盾的问题.双楔角斜楔夹紧机构设计时,应注意以下几个问题: (1)双楔角斜楔机构的楔面接触形式可采用滚子形式(图3),也可以用不带滚子的滑动摩擦形式.后者在楔角a取前述推荐值范围时可使夹紧机构实现自锁(i按照式1计算),但增力比i减小.固此斜楔面接触形式的选择,应根据夹紧机构是否要求自锁和增力比i 的设计要求决定.(2)楔角需根据夹紧机构增力比i选择,小,增力比i大.但当量行程比i减小.固此在满足夹紧机构增力比的条件下不宜取得过小.(3)楔角a越大,当量行程比i大.但带顶柱的斜楔机构在楔角a取得过大时,顶柱将受到较大的力矩,可能会在导向孔中卡住.固此a取值以35.～40.为宜.(4)进行双楔角斜楔面的结构设计时.应将q,a楔角交换处表面改用适当的圆弧面形状,以避免顶柱的运动在该部位出现冲击现象.参考文献1哈尔滨工业大学等,机床走具设计:幂二版.上海:上海科技出版社,l9892袁长良.机械制造工艺装奋设计手册.北京中国计量出敝社1992 ANANALYSISOFTHEWEDGEMECHANISMSANDTHEDESIGN0FAWEDGEMECHANISMWITHDUPLEXWEDGEANGLES LUOXinghuaHuaGuora~(MechanicalEngineeringDepartment?NantongInstituteofTechnology) AbstractThispaperanalysesthemovementandtheforceconditionsofthewedgemechan~m andpre—sentsamethodforthedesigningofthewedgemechanuismwithduplexwedgeangles. KeywordsWedgeMechau~sm?JgandFixtureDesign(上接第41页)ATENTATIVEPR0BEINT0THEENR0LMENTLSSUEoF LoCALENGINEERINGC0LLEGESUNDERTHE"UNIFIEDENROLMENTSYSTE M"LingJinshenWangYuxia(Dean~Offlce,NantongInstituteofTechnology) AbstractThispaperanalyzesboththesubjectiveandtheobjectivefactorsrelatingtothediffic ultyofstudentenrollmentiarecentyears￡0【localeggineer[~gcolleges{italsoproposesa(ewpossibleremediesf0r theissueinthisquestion.KeywordsdifficultyofStudentenrolment,reasontcountermeasure。
常见夹紧机构夹紧机构的种类很多，这里只简单介绍其中一些典型装置。
（1）斜楔夹紧机构图 4.52所示是一些斜楔夹紧实例。
斜楔夹紧机构是利用斜面的楔紧作用，将外力传递给工件，完成工件的夹紧。
当楔块的升角α 在 6 0 ~10 0 时具有自锁性能。
但自锁的稳定性较差，主要用于夹紧机构中来改变力的方向。
（ 2）螺旋夹紧机构螺旋夹紧机构结构简单、容易制造，而且螺旋相当于一个斜楔缠绕在圆柱体的表面形成的；由于其升角小（ 3 0 左右）则螺旋机构具有较好的自锁性能，获得的夹紧力大，是应用最广泛的一种夹紧机构。
如图 4.53、4.56所示1）单个螺旋夹紧机构如图4.53（a）（b）中直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构。
螺钉头部直接压在工件表面上，可能会损伤工件或带动工件旋转。
为克服这一缺点在其头部加装浮动压块，以增加接触面积，减少损伤。
如图4.54所示夹紧动作慢使这一机构的另一缺点。
通常采用一些快速结构，如快卸垫圈、快换螺母、快速机构等，如图 4.55所示。
2）螺旋压板夹紧机构图4.56是螺旋压板夹紧机构的几种典型结构，其在夹紧机构中广泛的使用。
3）钩形压板夹紧机构图4.57是螺旋钩形压板夹紧机构的一些结构，其特点是结构紧凑，使用灵活、方便。
（3）偏心夹紧机构它是利用偏心间直接或间接夹紧工件的机构。
偏心夹紧分圆偏心和曲线偏心两种，其特点是结构简单、操作方便、夹紧迅速，缺点是夹紧力小，夹紧行程短，用于振动小、切削力不大的场合。
图 4.58是几种典型的偏心夹紧机构的实例，图4.59是圆偏心轮的几种结构。
（4）联动夹紧机构是利用机构的组合完成单件或多件的多点、多向同时夹紧的机构。
它可以实现多件加工、减少辅助时间、提高生产效率、减轻工人的劳动强度等。
1）单件联动夹紧机构利用夹紧机构实现工件的多向、多点夹紧。
如图4.60所示机构实现二力垂直夹紧。
2）多件联动夹紧机构一般有平行式多件联动夹紧机构和连续式多件联动夹紧机构。
