曲柄滑塊機構的工業應用設計

張 磊

（天津工業大學 機械電子學院，天津 300160）

隨著工業的發展，不同規格的曲柄滑塊機構被應用到了更多的機械設備中，在機械制造工業以及其他工業的生產中的作用愈來愈顯著，例如在汽車、農業機械、電子、醫療機械、國防、航空航天以及日用品等工業部門，都有廣泛的應用。因而提高機械的自動化程度，降低工人的勞動強度，改善勞動條件，都離不開對曲柄滑塊機構的研究。曲柄滑塊機構在壓力機內是重要的主機構。19世紀末才出現相當規模的曲柄壓力機。前期20世紀末，由于汽車工業的興起，曲柄壓力機得到了迅速的發展。

1 曲柄壓力機的工作原理及結構

曲軸壓力機傳動系統如圖1所示。電動機1帶動皮帶輪系統2，將動力傳到小齒輪3，通過小齒輪3與大齒輪4的嚙合，將動力傳到曲柄軸上，再利用曲軸的旋轉轉動，轉化為滑塊7的往復直線運動。

圖1 曲軸壓力機傳動系統

制動器與離合器都安裝在曲柄軸上，在電動機不切斷電源的情況下，滑塊的動與停是通過操縱開關控制離合器和制動器來實現的。當制動器松閘，離合器結合時，將傳動系統與曲柄連桿機構連通，動力輸入，滑塊運動；當需要滑塊停止運動時，將離合器分離，將傳動系統與曲柄連桿機構脫開，同時運動慣性被制動器有效地制動，使滑塊運動及時停止。

2 機身結構設計

2.1 分類及設計要求

機身是壓力機的一個基本部件。所有零部件均安裝在機身上，工作時要求受全部工作變形力。機身在變形力的作用下引起的彈性變形，會影響到沖壓件的品質及模具的壽命。另外，運動部分的速度及受力的變化，會引起振動，將部分地由機身吸收。機身的特點是質量大，約占整個機身質量的50%～60%，結構復雜，加工量大，約占整個壓力機加工量的20%～30%。因此，機身的合理設計，對減輕壓力機自重、提高剛度，減少制造工時，改善外觀，提高沖壓件品質都有直接影響。

開式壓力機是三面敞開，便于操作。但剛度較差，受力后在喉口處要產生角變形，直接影響沖壓件的品質及模具壽命。所以限制了開式壓力機的公稱壓力，只能適應于中小規格的壓力機。為彌補開式壓力機的缺陷，出現了在機身正面加二根拉桿的結構。但這樣會影響壓力機的適用范圍，只適用于裝有帶料或卷料的自動送料壓力機上。

開式壓力機的機身，改變結構形式，就能組成不同類型的開式壓力機。根據工作臺后側是否敞開，可分為單柱和雙柱兩種形式；根據工作臺的結構型式不同，可分為固定臺、活動臺、柱形臺、可傾式等。

雙柱壓力機便于后出料，有利于機械化及自動化。活動臺壓力機可以在較大范圍內改變裝模高度。適應工藝范圍較廣。柱形臺壓力機機身由于工作臺為一柱形體，適用于在環形或筒形件上的沖孔或成形。

2.2 機身結構設計要求

機身結構設計，應滿足如下要求：

（1）機身在滿足強度、剛度的條件下，力求自重量，節約金屬材料。

（2）結構力求簡單，并使裝上的所有零部件容易安裝、調整、修理和更換。

（3）結構設計應便于鑄造、焊接和機械加工。

（4）必須有足夠的底面積，保證壓力機的穩定性。

（5）結構設計應力求外形美觀。

機身結構分為鑄造和焊接兩種。鑄造結構一般用灰鑄鐵。材料比較容易供應，消振性能好。但凈質量較大，剛度較差，適用于成批生產。焊接結構一般用Q235-A鋼板，凈質量較小，剛度較好，外形美觀，但消振性能較差，適用于單件小批生產。對于采用鑄造還是焊接結構，視各廠條件而定，隨著工業水平的發展，焊接結構必然會更廣泛的被采用。

2.3 鑄造機身的設計

鑄造機構機身一般采用HT200灰鑄鐵。灰鑄鐵的抗拉強度大，為本身抗拉強度的3～4倍，消振能力比鋼材質大10倍，彈性模數較低，可獲得比鑄鋼更薄而復雜的鑄件，鑄件中殘余內應力及翹曲變形較鑄鋼小。對冷卻速度敏感性大，因此截面容易形成疏松。故灰鑄鐵件當壁厚超過其臨界值時，隨著壁厚的增加，其機械性能反而顯著下降；流動性能好，表面光潔，因而加工余量比鑄鋼小。在不同截面上性能較均勻，所以適合于制造要求高而截面不一的較為厚的大型鑄件。

在焊接機身中，最常用的材料為Q235-A鋼板。有時候亦用16 Mn鋼板。Q235-A鋼板在普通條件下可焊接，可焊性好。當環境溫度低于-5℃、板厚大于20 mm且結構剛度大時，需預熱并在焊后做消除內應力熱處理。

鋼板的化學成分，直接影響到焊縫的機械性能，碳的含量增高時，焊縫強度高，但塑性下降；錳是焊縫中一種非常有利的元素，提高錳的含量后，可以使焊縫處金屬機械性能提高，除了強度提高外，其塑性也增大，但同時提高錳和碳的含量不合適的，通常希望焊縫中Mn的含為0.6%～0.9%。

焊接前鋼板需經整平，對厚鋼板則要加熱整平。氣割下料后再經坡口加工，對厚鋼板，為防止焊后產生裂縫，焊前必須預熱，預熱溫度為100～150℃，如鋼板為中碳鋼，則預熱溫度為200～300℃。

3 傳動系統的配置

傳動系統的作用，是把電動機的能量傳遞給曲柄滑塊機構，并對電動機的轉速進行減速，使其獲得所需要的滑塊行程次數。設計傳動系統時，必須使壓力機結構緊湊，維修方便，性能良好，外觀美觀。

傳動系統設置在壓力機工作臺之上的為上傳動，在工作臺之下的為下傳動。現有的通用壓力機，大多采用上傳動機構。雖然下傳動結構亦有不少優點，例如：機械重心低，傳動平穩，振動噪聲小、壓力機地面的高度低，滑塊導向長度大等。但由于壓力機平面尺寸大，機器總質量比上傳動大10%～20%，由于傳動系統在地坑中，基礎造價高，維修不便，所以只有特殊要求時才采用。

開式及閉式傳動的比較。開式及閉式傳動系統，指傳動齒輪安裝在機身外還是機身之內，開式傳動齒輪工作條件較差、外形不美觀。但安裝維修方便，而閉式傳動齒輪工作條件較好，外形美觀。如將齒輪浸入油池中，則大大降低了齒輪傳動的噪聲，但安裝維修較困難，一般均采用單邊傳動。對大規格開式壓力機，且曲軸采用平行于壓力機正面的，有采用雙邊傳動的結構形式。所謂雙邊傳動就是在1根軸上有2個齒輪共同傳達扭矩。對曲軸橫放的開式雙點壓力機，也采用雙邊傳動。

壓力機的傳動級數，與電動機的轉速和滑塊每分鐘行程次數有關。行程次數低，則總速比大，傳動級數就應多些，否則每級的速比過大，結構不緊湊。反之行程次數高，總速比小，傳動級數可小些。現有開式壓力機傳動級數，一般不超過3級。行程次數在80次/min以上的，用單級傳動。

在選取電動機轉速時，電機轉速越低，可以減少總速比和傳動級數。但電機尺寸越大，價格越貴，電機效率也低，不一定適合。通常對二級和三級傳動系統，采用同步轉速為1 500 r/min，對一級傳動采用同步轉速1 000 r/min。在各級傳動速比的分配要恰當，通常三角皮帶傳動速比不超過7～9。減速比分配時，要保證飛輪有適當的轉速，也要注意布置得盡可能緊湊、美觀和長、寬、高尺寸比例恰當。對通用壓力機的飛輪轉速，一般取380～450 r/min。因為轉速太低，會使飛輪作用力消弱；轉速太高，會使飛輪軸上的離合器發熱嚴重，造成離合器和軸承的損壞。

4 離合器和制動器的選擇

對單級傳動壓力機的離合器和制動器，只能安裝在曲軸上；采用剛性離合器的壓力機，離合器應裝在軸上，而曲軸轉速較低，所以應裝在曲軸上，制動器必然也裝在曲軸上。

采用摩擦離合器時，從壓力機能量消耗來看，當離合器裝在低速軸上，加速壓力機從動部分所需功和離合器接合時消耗的摩擦功都較小，能量消耗也小。從離合器工作條件看，低速軸上的離合器磨損系數小。故離合器工作條件好，但低速軸上離合器需要傳遞較大的扭矩，離合器結構尺寸大。此外，從傳動系統來看，現代壓力機傳動系統大多采用封閉在機身內，離合器不便裝在曲軸上。另外亦為了縮小離合器尺寸，降低制造成本，一般都置于轉速較高的飛輪軸上，制動器位置隨離合器位置而定。因高速軸上制動力矩小，可縮小制動器結構尺寸。

5 結束語

隨著工業的發展，不同規格的曲柄滑塊機構被應用到了更多的機械中。它在機械制造工業以及其它工業的生產中的作用愈來愈顯著，在汽車、農業機械、電子、醫療機械、國防、航空航天以及日用品等工業部門都有廣泛的應用。因而提高機械的自動化程度，降低工人的勞動強度，改善勞動條件都離不開對曲柄滑塊機構的研究。

[1]常 勇，李延平.關于曲柄滑塊機構固定鉸鏈點的位置問題[J].機械設計，2005，（9）：37-39.

[2]劉長榮，鄭玉才.機械設計基礎[M].北京：中國農業科技出版社，2003.