基于單缸雙活塞和機械增力機構的夾緊裝置

吳冬敏 沈 銘 鐘康民

(蘇州大學，江蘇 蘇州 215021)

在液壓系統設計時，人們往往習慣上采用提高液壓系統壓力或增大液壓缸直徑的方法來提高液壓缸的輸出力。但在實際工程應用時，液壓系統壓力過高會導致油液泄漏過大，使液壓泵、閥等液壓元件的磨損加快，液壓泵、閥等元件的價格升高以及密封系統的成本急劇上升等一系列問題。而增大液壓缸的直徑會導致液壓系統結構龐大，相應的制造成本增加［1］。另外，人們習慣使用傳統的有桿活塞式液壓缸組成的液壓夾具，該夾具雖然具有作用力大、運動平穩等特點，在現代制造業中也得到了極為廣泛的應用，但也存在容易造成液壓缸軸線方向上尺寸較大、結構不緊湊、活塞桿的剛性差等不足之處。

基于上述分析，本文提出將一種雙活塞式單液壓缸和機械增力機構相結合的觀點。以雙活塞式單液壓缸作為驅動機構，具有結構緊湊、剛性好的優點;機械增力機構作為力放大機構，具有力放大效果明顯的優點。實踐證明:該夾緊裝置在輸出力及液壓缸直徑一定的條件下，能顯著降低系統壓力;在輸出力及系統壓力一定的條件下，則能顯著減小液壓缸的直徑。

1 工作原理

圖1 為單缸雙活塞驅動正交鉸桿增力機構的液壓夾緊裝置，其工作原理為:當液壓換向閥處于圖示左位狀態時，液壓油進入液壓缸中腔，左右兩個活塞在液體壓力的作用下各自分別向左邊和右邊運動，左右兩個活塞桿分別帶動正交鉸桿機構擺動，并使得正交鉸桿機構的壓力角變小，通過這一角度效應正好將作用于左右活塞端面上的力經正交鉸桿機構放大后傳遞給壓頭，壓頭在導軌內向下運動從而壓緊工件。當工件加工完畢后，液壓換向閥切換至右邊工作，在彈簧力的作用下，左右兩個活塞各自分別向中心方向運動，液壓缸中的液壓油回流到油箱，同時左右兩個活塞桿通過正交鉸桿機構帶動壓頭在導軌內作向上運動，從而松開工件，完成一次裝夾循環。

圖2 是在圖1 基礎上增加了一個杠桿壓板機構，實現了正交鉸桿-杠桿機構二次串聯的增力作用。其工作原理為:作用于左右活塞端面上的力經正交鉸桿機構的角度效應進行一次力放大后，將力繼續傳遞給杠桿機構，通過杠桿機構的長度效應將力經二次放大后直接作用在工件上進行夾緊。該機構可以通過調整工件的位置、杠桿支點和作用點O 的位置，來調整杠桿力臂長度，得到不同的輸出力。

2 力學計算

對圖1 和圖2 所示的夾緊裝置建立力學模型，不考慮摩擦時，該系統的實際輸出力分別為F1和F2:

式中:D 為液壓缸活塞直徑;p 為液壓系統工作壓力;l1、l2為杠桿式壓板主動臂、被動臂的長度，如圖2 所示;η1為杠桿的傳動效率，通常取0.97［2］;η2為液壓缸的傳遞效率，一般取0.85［3］;α1、α2為一次和二次鉸桿的理論壓力角，如圖1 所示;β1、β2為一次和二次鉸桿副的當量摩擦角，即β=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 為鉸鏈副的摩擦系數［2］。

則夾緊裝置1 和夾緊裝置2 的力放大系數為:

由上述公式可以看出，夾緊裝置1 和夾緊裝置2的實際輸出力和力放大系數之間相差一個杠桿的主動臂與從動臂比值。當杠桿的主動臂大于從動臂時，夾緊裝置2 比夾緊裝置1 產生更大的夾緊力。

3 應用舉例

一般認為鉸桿機構的理論壓力角越小越好，在工程實際中，一般取αmin=3°～5°。如取α1=α2=5°，r=5 mm，l=100 mm，f=0.1，則β1=β2=0.57°。l1:l2=2，D=100 mm，p=5 MPa。代入上述公式，得到夾緊裝置1 和2 的實際輸出力和力放大系數分別為F1=1 718 kN，F2=3 435 kN 和i1=25.74 mm，i2=51.48 mm。

根據該計算結果進行反求，假設在液壓缸直徑D=100 mm 不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1和2 的實際輸出力，經計算系統壓力必須高達p1=218 MPa 和p2=437 MPa。假設在液壓系統工作壓力為p=5 MPa 不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1 和2 的實際輸出力，如采用傳統的液壓缸活塞直接進行力的輸出方式，經計算所需液壓缸直徑必須為D1=661 mm 和D2=935 mm。

由以上計算結果可知，本文設計的夾緊裝置1 和2 經機械增力機構作用后，輸出力增大效果非常顯著。如采用普通液壓夾具來實現此輸出力，不僅所需要的液壓系統工作壓力極高，而且液壓缸直經也極大，這不符合目前所提倡的綠色化設計要求。

如用綠色動力源——氣源來替代夾緊裝置1 和2中的液壓油，其他參數不變，氣源壓力p=0.6 MPa，則計算得實際輸出力為F1=206 kN 和F2=412 kN，增力效果同樣很明顯。假設在氣源壓力不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1 和2 的實際輸出力，如果采用氣缸直接作用，經計算可得氣缸的直徑為D1=661 mm和D2=935 mm，而本文采用的單缸雙活塞的缸徑僅為100 mm。由此可見，該夾緊裝置還適合需要輸出力較大且結構尺寸受限制的場合。

4 結語

(1)鉸桿、鉸桿-杠桿機械增力機構具有力放大效果明顯的優點，單缸雙活塞具有結構緊湊、剛性好的優點，本文組合設計的基于單缸雙活塞的機械增力機構的夾緊裝置所產生的力學性能明顯要高于傳統的液壓技術，既適用于壓力機、油壓機、液壓機及大型機床的夾具中，也適用于所需輸出力較大且結構尺寸受限制的場合。

(2)將本文的液壓傳動部分采用氣壓傳動來代替，力放大效果同樣明顯。此基于單缸雙活塞的機械增力機構的氣動夾緊裝置是一種綠色環保無污染的夾具。能克服氣壓傳動輸出力小、液壓傳動系統能源利用率低和容易產生污染的缺點。

(3)本文將單缸雙活塞與鉸桿、鉸桿-杠桿進行組合，取得了良好的使用效果，在實際工程應用中還可以嘗試其他類型或組合的增力機構。

［1］蘇東寧，鐘康民.基于無桿活塞缸的對稱雙鉸桿增力液壓夾具［J］.液壓與氣動，2006(4):45 -46.

［2］林文煥，陳本通.機床夾具設計［M］.北京:國防工業出版社，1987.

［3］宋學義.袖珍液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，1995.