一種可實現重型工裝輕便移動的機構

孫立華，宋志才，王憲科，牟宗偉，鄭春

(山東凱帝斯工業系統有限公司，山東德州 253000)

0 引言

在重型設備上，往往存在著重型工裝，而且重型工裝一般都需要吊裝工具來進行移動，但在一些場合，比如試驗室、面積較小的空間，吊裝工具無法安裝以及進入室內，那么這時候，如果還要用人來搬動工裝，實現有些困難。基于這種情況，利用凸輪的原理，作者設計了一種可以很輕便地移動工裝的機構——偏心圓凸輪機構。

這種機構的優點在于：工裝不需要移動的時候，穩如泰山；當需要移動的時候，用手輕輕一推就可以移動，非常方便。經過不斷地實踐，已經多次應用到循環球轉向器性能試驗設備上。

1 偏心圓凸輪機構簡介

偏心圓凸輪機構是指圓心在一條直線上，互不重疊，相互形成嵌套的一組圓形。偏心圓凸輪機構結構廣泛應用于工程設計領域，其優勢在于利用其圓心的非重疊性和非對稱性，產生重心的偏轉和傾斜，在系統工程設計中可以有效地轉移不必要的壓力，從而令系統的起始端或末端等具有非對稱性特征的部分更加穩定。

2 偏心圓凸輪機構受力運動原理

機構的受力運動特性如圖1所示。

圖1 機構的受力運動原理

機構的受力特征與機構的壓力角有直接的關系，壓力角越小，受力特性越好；反之，壓力角越大，受力特性越差。因此可以通過分析該機構運動過程中壓力角的變化來分析該機構運動過程中的受力特性。

圖1為偏心圓凸輪機構的運動示意圖，當凸輪從圖示位置開始轉動β角，相當于從動桿反向轉動β角運動到圖示虛線位置，過凸輪幾何中心O2作反轉后從動桿方向的垂線O2C，經推導：

O2C=ecosβ

(1)

如圖1所示，當從動桿反向轉動β角到達圖示虛線位置時，從動桿所實現的位移為s，其數值可以用下式求得：

(2)

其中:R1為基圓半徑，R1=R-e。

對式(2)求導，可得出速度v和加速度a的表達式：

(3)

(4)

3 偏心圓凸輪機構的應用

以如圖2所示的循環球轉向器工裝為例，具體應用情況如圖3—圖6所示。

圖2 循環球轉向器工裝簡圖

圖3 處于固定狀態下的偏心圓機構示意圖 圖4 處于移動狀態下的偏心圓機構示意圖

圖5 把手所處的位置圖(一) 圖6 把手所處的位置圖(二)

此機構很好地運用了偏心圓機構的運動原理及自鎖特點。當工裝夾具處于固定狀態時，偏心圓機構處于偏心圓柱的最頂端，即如圖3所示，此時深溝球軸承處于升起狀態，不與設備平板接觸，此時把手的位置如圖5所示，夾具的4個偏心機構處于相同的狀態，將內六角平端螺釘緊固；當工裝夾具處于可移動狀態時，偏心圓機構處于偏心圓柱的最底端，即如圖4所示，此時深溝球軸承處于下降狀態，處于最低端即偏心圓柱處于自鎖的最佳位置，軸承與設備平板接觸，此時把手的位置如圖6所示。把手由圖5所示的位置扳到圖6所示的位置所用的力遠遠小于夾具的自重。將夾具的4個偏心機構處于相同的狀態，將內六角平端螺釘緊固，此時夾具被可移動軸承支起實現輕松的移動。圖7所示為此機構的真實應用狀態圖。

圖7 此機構的真實應用狀態

3.1 手動力的計算

循環球轉向器總重力為F=mg；根據對偏心圓機構力的分析可得：

得:

可得手動扳動擺臂所用的力為：

圖8 手柄受力圖

3.2 偏心圓的自鎖性能

圓偏心夾緊頂起工裝時，要可靠地保證自鎖，其頂起點(轉角位ω)處的升角(α)必須滿足下式：

上式經化簡整理后可得出圓偏心機構的自鎖條件：

式中：μ(β)為偏心輪與頂起表面的摩擦因數(摩擦角)；ε為保證自鎖允許的最大偏心率。表1為偏心輪工作面上幾個特殊位置處的ε值(按tanβ=μ=0.1計算)。

表1 ε與ω的對應值

ε值表明在偏心輪工作面上各位置的自鎖性能是不同的，在90°-β的位置，ε值為最小，即是自鎖性能最差的位置，在180°-β的位置自鎖最穩定，即處于移動狀態下的偏心圓機構(如圖4所示)。

4 結束語

設計該機構時充分考慮了人機工程學的各項要素，產品與人體的尺寸、形狀及用力是否適合，產品是否順手和方便使用，各操作單元是否實用，是否能防止使用者操作時意外的傷害和錯用時產生的危險。經過設備生產中的實踐和用戶現場的使用，該機構穩定可靠，使用方便且省力，大大減少了人的體力勞動，得到了使用人員的一致好評。