基于杠杆-铰杆增力机构的液压-机械复合传动装置

　　1 引言

　　人们习惯上往往认为,用提高液压系统压力的方法,来提高液压缸的输出力,是极为方便的事。但具体到实际工程问题时,却发现过高的系统压力,会导 致泵、阀等元件的价格及密封系统的成本急剧上扬。利用机械增力机构的力放大作用,与液压传动技术相结合,在输出力及液压缸直径一定的条件下,能显著降低系 统压力;而在输出力及系统压力一定的条件下,则能显著减小液压缸的直径。

　　创新出结构简单、力传递效率高、增力效果显著的液压-机械复合传动装置,一直是机械工程领域许多研究人员所追求的目标。基于这一目标,我们设计了一种基于杠杆-铰杆增力的液压-机械复合传动装置。下面,我们结合图样对其工作原理加以介绍,并给出其相应的力学计算公式。

　　2 工作原理

　　图1是该装置的结构原理图。在液压缸无杆活塞的中部加工有一个圆柱形的径向孔[1-3],耐磨衬套以过盈配合压入该孔内;球头杠杆的球头则以适 当间隙配合置于该衬套的内孔中。当活塞左右运动时,其球头部则在衬套内孔中滑动,从而带动球头杠杆绕固定支点摆动。球头杠杆与铰杆铰接,铰杆与力输出件铰 接。

　　当换向阀在图示左位工作时,液压缸中的无杆活塞在压力油的作用下向右运动,球头杠杆绕固定支点作逆时针方向摆动,铰杆机构的压力角A变小,使得 力输出件沿着其导向孔竖直向上运动,从而对起作用对象施加输出力F0。当换向阀切换至右位工作时,液压缸中的无杆活塞向左运动,力输出件在杠杆-铰杆机构 的作用下,向右运动完成复位。杠杆机构属于长度效应力放大机构,而铰杆机构则属于角度效应力放大机构。显而易见,力输出件的输出力F0,是作用于液压缸无 杆活塞上的轴向输入力Fi,经过长度-角度串联效应得到的。因此,我们可以通过合理设计杠杆机构动力臂与阻力臂的相对长度,以及铰杆机构的压力角A,使得 力输出件的输出力F0,从数值上远大于输入力Fi。

　　3 力学计算

　　通过建立力学模型,在不考虑摩擦损失的前提下,可得杠杆-铰杆增力机构的理论增力系数it及图1所示液压-机械复合传动装置的理论输出力Fot的计算公式分别为:

　　式中:d为液压缸活塞的直径;p为液压缸内的工作压力;L1、L2为杠杆机构动力臂与阻力臂的长度(如图1所示);A为铰杆机构的理论压力角 (如图1所示)。考虑铰杆两端摩擦损失后,杠杆-铰杆增力机构的实际增力系数ip及图1所示装置的实际输出力Fop的计算公式分别为:

　　式中:为杠杆机构的力传递效率,一般取为0.97;C为铰链副的当量摩擦角为铰杆上铰链孔的直径, l为铰杆上两铰链孔的中心距, f为铰链副的摩擦因数)[1];U为力输出件与其导向孔间的当量摩擦角,其计算公式见相关文献[4]。