CN101301673A - 一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，包括与曲轴连接的上连杆和与滑块连接的下连杆，上、下连杆之间通过外侧板用一个轴销连接，其特征在于，上连杆与轴销之间设有连杆变换机构，该连杆变换机构为一个带销小活塞的气缸结构。本发明使连杆机构在连杆断开成为两个杆和结合成为一个杆之间切换来实现工作状态和非工作状态，代替了原来的刚性离合器与制动器，从而使压力机可以在无离合器与制动器的状态下进行正常的加工操作，消除了由离合制动引起的噪声、能耗和发热。本发明将推动中小型机械压力机无离合器化进程。

Description

一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构

技术领域

本发明涉及一种机械压力机的连杆机构，具体涉及一种无离合器及制动器的压力机曲柄滑块变连杆机构。

背景技术

锻压在工业生产中占有重要的地位。采用锻压工艺生产工件具有效率高、质量好、重量轻和成本低的特点。锻压机械在机床设备中所占的比例越来越大，而机械压力机是最主要的锻压机械，约占锻压机械的80％左右。用机械压力机可以进行冲压、模锻等工艺，广泛用于汽车、农业机械、电器仪表、国防工业以及日用品等生产部门。随着工业的发展，机械压力机的品种和数量愈来愈多，质量要求愈来愈高，压力愈来愈大，因此它在机械制造工业以及其它工业的锻压生产中的作用日益显著。

传统的机械压力机是以曲柄连杆滑块为工作机构的锻压机械，带有离合器及制动器。电动机通过三角皮带把运动传给大皮带轮(飞轮)，再经大小齿轮传给曲轴。连杆上端装在曲轴上，下端与滑块连接，把曲轴的旋转运动转变为滑块的往复直线运动。上模装在滑块上，下模装在垫板上。因此当材料放在上下模之间时，即可进行冲裁或其它变形工艺，制成工件。由于生产工艺的需要，滑块有时运动，有时停止，所以在飞轮轴上装有离合器和制动器。

机械压力机一般是在曲柄转角接近下死点30°左右承受工作负荷，而其余330°左右全都是空程，所以压力机的工作是具有短时间高峰负荷的性质。这说明压力机在工作时瞬时功率很大，如果按工作瞬时功率选择电动机，则电动机容量需要很大，极不经济。为了充分利用电动机的能量而又不致电动机选得过大，且使电动机的负荷均匀，有效的利用能量，因而装有飞轮，以便在空程时飞轮加速储藏能量和工作时飞轮减速释放能量，这样电机可以按整个周期时间内的平均功率来选择，比按压力机工作瞬时功率选择的电动机大约可以减小90％以上。

飞轮是储能的零件，在压力机开动后，飞轮应该是一直不停地旋转着。但是，当压力机工作时，常常由于操作上的需要，除了滑块能做连续往复运动以便实现连续冲压外，有时需要滑块每往复一次行程后停在上死点上，以便取出制件和放进坯料。对于带飞轮传动的压力机，不可能靠关闭电动机来达到立即停止滑块运动的目的，因为飞轮惯性很大，启动和制动过程时间很长，能量消耗也大，为了实现以上的要求，需要在飞轮传动系统中设置离合器和制动器。当滑块需要运动时，通过离合器结合，飞轮使从动部分的曲柄连杆机构得到运动并传递工作时所必要的扭矩。当滑块需要在所需位置上停止时，则离合器脱开，飞轮和从动部分不发生联系，因此不再传递运动和扭矩。但由于离合器脱开后瞬时，从动部分还储有一定的动能，会使曲轴和滑块连续运动。因此滑块不可能准确停止在所需位置上。所以在离合器上必须相应设置一个制动器，用来在一个较短的时间内(相当于曲柄转角5°～15°)吸收离合器脱开后从动部分的剩余动能，并使滑块停在所需位置，由此决定了在传动系统中，离合器和制动器是保证压力机正常工作的必要部件。

由于离合器与制动器结构复杂，造价高，维修不便，故障率高，从而大大增加了设备的使用成本。尤其是气动摩擦离合器与制动器，其每分钟几十次的频繁动作，致使离合器磨擦面和制动器摩擦面不断结合和分离，不但浪费了大量的能量，而且使制动器摩擦材料发热严重，降低了制动器摩擦材料的使用寿命，并消耗了大量的摩擦材料和压缩空气，有数据表明，离合器与制动器的启动、制动所消耗能量占全部能量的20％左右，能源浪费十分严重，全国每年正在服役的30万台机械压力机由此产生的能耗达上亿元。此外，其动作过程中产生的最大排气噪声高达125dB(A)，大大超过国家标准规定的85dB(A)的要求，从而对操作工人及周围的环境造成健康危害。因此，“绿色制造”已成为当前制造业可持续发展的主要趋势。

目前，无离合器与制动器可控式压力机有在400kN曲柄压力机中设计的以六连杆机构和四杆机构的变换来代替传统的离合器与制动器的结构。如图1所示即为该种机构，这是上世纪90年代由前苏联人发明的。当E滑块也随着运动时，该六连杆机构具有两个自由度，即

DOF＝6×3-2×8＝2。        (1-1)

若让工作滑块C在平衡杆作用力的作用下处于静止状态，即C滑块停留在最上段不动，则该六杆机构就构成了只有一个自由度的连杆机构，即

DOF＝5×3-2×7＝1。        (1-2)

这样，通过机构和自由度的转换，该六杆机构就可以按给定的方式运动。

若E采用摆动机构，则连杆DE在E滑块中往复运动。显然，如要使滑块C处于往复运动的工作状态，则必须停止E滑块的往复运动而只许其摆动，从而使六杆机构依然只有一个自由度。由此就可以以这种六连杆机构和四杆机构变换来代替离合器和制动器的工作。从理论上说，这种变换没有制动时的能量损失。但图1中所示的机构由于存在处于工作机构侧面的DE杆及铰链E，使得整个工作机构占据太大空间，且机构复杂，结构惯性大，装置动作可靠性差，摩擦耗能大，仅适合400kN以下开式机械压力机，实际使用效果并不理想，这也反映了为何这种新的工作机构在前苏联人发明后20多年时间里未能在国际上推广应用的原因。

发明内容

本发明为了解决背景技术连杆机构所存在的问题，以大中型机械压力机(400kN以上)为应用对象，提供了一种新的无离合器与制动器的压力机滑块变连杆机构。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，包括与曲轴连接的上连杆和与滑块连接的下连杆，上、下连杆之间通过外侧板用一个轴销连接，其特征在于，上连杆与轴销之间设有连杆变换机构，该连杆变换机构为一个带销小活塞的气缸结构。

上述方案中，所述的带销小活塞的气缸结构包括一个设置在外侧板之间的气缸，气缸外侧设有一个中间气管和两个旁气管；气缸内设置一对相向的带销小活塞将缸体分为三个气室，小活塞相向面的气室联通气缸中间气管，小活塞背向面的两个气室分别联通两个旁气管；外侧板上开有活塞销孔，当小活塞背向运动时，活塞销刚好进入活塞销孔内，使上下连杆不能沿轴销摆动；当小活塞相向运动时，活塞销脱离活塞销孔，使上下连杆可以沿轴销摆动。所述的滑块一侧连接有平衡气缸。该平衡气缸包括缸体以及上下端盖，缸体内设置有活塞，其活塞杆通过一个连接轴与滑块连接。所述连接轴与活塞杆之间可设有一个调节活塞杆长度的装置，其包括一个与连接轴连接的调节螺钉，该调节螺钉通过一个调节螺套与活塞杆螺纹连接。

本发明使连杆机构在连杆断开成为两个杆和结合成为一个杆之间切换来实现工作状态和非工作状态，代替了原来的刚性离合器及制动器，从而使压力机可以在无离合器与制动器的状态下进行正常的加工操作，当在压力机处于非工作状态时，曲轴仍然在旋转而不需停止。所以避免了离合器与制动器产生的噪声、能耗和发热等一系列问题。这种机构具有节能、降噪等良好特性，值得在生产中推广应用。

附图说明

图1为现有的一种400KN无离合器与制动器压力机的曲柄连杆机构原理图。其中图1(a)为变连杆机构工作原理；图1(b)为采用摆动滑块的变连杆机构工作原理。

图2、图3为本发明变连杆机构结构图。其中图3为图2的侧视图。

图4为图3的B-B向剖视图，也即连杆变换机构-带销小活塞气缸结构图。

图5为图2中的平衡气缸结构图。

图6为图5平衡气缸工作原理图。

图7为图1的工作原理图。其中图7(a)为工作状态运动简图；图7(b)为非工作状态滑块不固定时运动简图，图7(c)为非工作状态滑块固定时运动简图。

图2到图6中：1-油杯，2、12-螺母，3、13-垫圈，4、14-螺柱，5-上连杆盖，6-曲轴上轴瓦，7-上连杆，8-曲轴下轴瓦，9、11-固定销，10、22、23-螺钉，15-球头调节螺杆，17-下连杆，18-右外侧板，19-内侧板，20、21-轴套，24、26、27-O型密封圈，25-活塞销，28-销轴，29-左外侧板，30-活塞销孔，31-平衡气缸，32-滑块，33-连接轴，34-调节螺钉，35-调节螺母，36-缸体，37-活塞，38-上端盖，39-下端盖，40-外端盖，41-带销小活塞，42-气缸，43、44-气管。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图2、图3所示，一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，包括与曲轴(通过轴瓦6、8)连接的上连杆7和与滑块32连接的下连杆17，上、下连杆之间通过外侧板18、29用一个轴销28连接，上连杆与轴销之间设有连杆变换机构(相当于设置在图7(a)连杆AD上的E处)，该连杆变换机构为一个带销小活塞的气缸结构。

如图4所示，所述的带销小活塞的气缸结构包括一个设置在外侧板18、29之间的气缸42，气缸外侧设有一个中间气管44和两个旁气管43；气缸内设置一对相向的带销小活塞41将缸体分为三个气室，小活塞相向面的气室联通气缸中间气管44，小活塞背向面的两个气室分别联通两个旁气管43；外侧板上开有活塞销孔30，当小活塞背向运动时，活塞销25刚好进入活塞销孔内，使上下连杆不能沿轴销摆动；当小活塞相向运动时，活塞销脱离活塞销孔，使上下连杆可以沿轴销摆动。

其连杆变换原理是：1)当机构处于工作状态时。气管44通入压缩气体，气管43泄气，两活塞销25往两边伸出，使上下连杆结合成一个杆进行工作。2)当机构处于非工作状态时。气管43通入压缩气体，气管44泄气，两活塞销25向中间缩进，使“AD”杆上的部件可绕轴销28(B处)转动，从而AD杆断开成为杆“AB”和杆“BD”(图7(b))。

如图5、图6所示，本发明在滑块一侧连接有平衡气缸31。在普通的压力机上一般都装有平衡装置，尤其是在大中型压力机上。因为压力机的滑块较重，为了防止当滑块向下运动时，因其自重而迅速下降，使传动系统中的齿轮反向受力而造成撞击和噪音，因此，在大中型压力机中都装有滑块平衡装置，常用的为气动平衡装置。其可以消除连杆与滑块间的间隙，减少受力零件的冲击和磨损，防止因制动器失灵或连杆折断时，滑块坠落而产生事故。但本发明中的平衡气缸与滑块之间的关系，不是普通机械压力机平衡缸和滑块的简单关系。该平衡气缸的结构(图5)包括缸体36以及上下端盖38、39，缸体内设置有活塞37，其活塞杆通过一个连接轴33与滑块连接。其工作原理为(图6)：1)压力机由工作状态到非工作状态时，当位移传感器(装在滑块32上)监测到滑块与上死点的距离为Δh(如5mm)时，连杆变换机构通过旁气管43向小活塞背向面的两个气室充气，这样可以在滑块到达上死点时使两个活塞销25缩进去，连杆断开成两个杆，即主连杆和副连杆，此时执行机构变成自由度DOF＝2的机构，滑块会超过上死点，一直往上走，直至活塞37和上端盖38相接触，此时平衡气缸31上端盖起到限位的作用，使滑块不能一直上移；而平衡气缸31下腔所提供的气压力托住滑块使之不能向下运动。气缸和滑块就停在这一位置，这一位置是滑块离开上死点为一特定距离(如10mm)的地方。2)压力机由非工作状态到工作状态时，在刚才平衡气缸所停止的位置处开始对气缸的下腔放气，同时连杆变换机构通过中间气管44向小活塞相向面的气室充气，这样可以在滑块到达上死点时两个活塞销25在气压的作用下伸出，使这两个连杆结合成成一个杆而使机构而进入工作状态。

本发明的平衡气缸与传统的平衡缸相比，有其自己的特点，这是由该压力机的特点所决定的。本发明中的压力机，没有离合器与制动器，在压力机处于非工作状态时，不需要离合器的离合和制动器的制动，即曲轴一直在以原来的速度转动。这对传统的机械压力机来说是不可能的。因为传统机械压力机的工作机构在工作和非工作状态时都是一样的，没有变化。但是本发明压力机的工作机构可以在工作和非工作状态之间进行切换，使得曲轴在转动的同时压力机就可以处于非工作状态。这一过程是通过前述的两套气缸来实现的。本发明平衡气缸既起到平衡缸的作用，又起到固定滑块的作用；气缸的上端盖起到限位的作用，即起到限制滑块上移的位置的作用。平衡气缸可使滑块停在某一准确位置上。这样就不会影响装卸工件，而且可以使工作机构完成由工作状态到非工作状态转换。

滑块停在上死点以上的依据：由分析可知，滑块固定在上死点时，由于机构奇点的存在，使得平衡滑块向下运动的力较大，而设计满足此要求的平衡缸比较困难，需要占用较大的空间，且存在较大的冲击，引起机身的剧烈振动，这对于压力机来说是不允许的。若滑块停在上死点之下，则成为双摇杆机构，曲柄不能成为整转副，不符合设计要求。故滑块需停在上死点以上。但是滑块若距离上死点太小：当机构由非工作状态回到工作状态时，连杆变换机构的小活塞会来不及伸出，导致连杆不能顺利地结合，这样机构不能正常地进行非工作状态到工作状态的转换。因此本发明在设计平衡气缸时，已经考虑到气缸活塞杆的长度是可调节的，若位置不合适，可以通过调整活塞杆的长度来改变滑块停止的位置。这样可保证装模高度调节前后，在非工作状态时，滑块停在上死点的位置一样。

本发明调节活塞杆长度的装置，设在连接轴33与活塞杆之间，其包括一个与连接轴连接的调节螺钉，该调节螺钉通过一个调节螺套与活塞杆螺纹连接。(图5)。调节螺套的上端的螺纹和活塞杆下端的螺纹相连接，螺纹的旋向都是左旋；调节螺套的下端的螺纹与调节螺钉34上端的螺纹相连接，螺纹的旋向都是右旋。这样，当调节螺套向不同的方向拧时，就可以使整个活塞杆的长度变化。

如图7所示，本发明变连杆机构结工作原理如下：

在图7(a)情况下，机构处于工作状态。采用结点正置的曲柄滑块机构。O点表示曲轴的旋转中心，A点表示连杆与曲柄的连接点，B点表示连杆AD的断开点，D点表示连杆与滑块的连接点，OA表示曲柄，AD表示连杆。此时机构的自由度DOF为：

DOF＝3(N-1)-2P_L＝3n-2P_L       (2-1)

式中：n——机构中活动构件数；P_L——机构中低副数。

所以此时DOF＝3n-2P_L＝3×3-2×4＝1。

此时机构的曲轴OA以角速度ω作匀速旋转运动，D点则以变速度v作直线运动。

在图7(b)情况下，机构处于非工作状态。当连杆从B点断开后该机构处于非工作状态，且位于B处的销子缩进，滑块又不固定时，此时机构已经不再是曲柄连杆机构，因为连杆AD变成了两个连杆AB和BD。

此时机构的自由度为DOF＝3n-2P_L＝3×4-2×5＝2。

在图7(c)情况下，机构处于非工作状态。当滑块停在某一点(上死点或之上)不动(在气压平衡缸的平衡力的作用下)，即滑块固定时，机构为封闭的四杆机构。

在铰链四杆机构中，如果某个转动副能成为整转副，则它所连接的两个构件中，必有一个为最短杆，并且四个构件的长度关系满足杆长之和条件，即最短杆与最长杆的长度之和必小于或等于其余两构件的长度之和。对本发明来说，当机构处于非工作状态，且滑块停在上死点时，最短杆与最长杆的长度之和等于其余两构件的长度之和，即

l_OA+l_OD＝l_AB+l_BD          (2-2)

式中：l_OA——曲轴长/mm；l_OD——机架长/mm；l_AB——主连杆长/mm；l_BD——副连杆长/mm。

当滑块停在上死点之上时，最短杆与最长杆的长度之和小于其余两构件的长度之和，即

l_OA+l_OD＜l_AB+l_BD          (2-3)

此时机构的自由度为DOF＝3n-2P_L＝3×3-2×4＝1。

Claims (5)

1、一种无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，包括与曲轴连接的上连杆和与滑块连接的下连杆，上、下连杆之间通过外侧板用一个轴销连接，其特征在于，上连杆与轴销之间设有连杆变换机构，该连杆变换机构为一个带销小活塞的气缸结构。

2、根据权利要求1所述的无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，其特征在于，所述带销小活塞的气缸结构包括一个设置在外侧板之间的气缸，气缸外侧设有一个中间气管和两个旁气管；气缸内设置一对相向的带销小活塞将缸体分为三个气室，小活塞相向面的气室联通气缸中间气管，小活塞背向面的两个气室分别联通两个旁气管；外侧板上开有活塞销孔，当小活塞背向运动时，活塞销刚好进入活塞销孔内，使上下连杆不能沿轴销摆动；当小活塞相向运动时，活塞销脱离活塞销孔，使上下连杆可以沿轴销摆动。

3、根据权利要求1或2所述的无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，其特征在于，所述滑块一侧连接有平衡气缸。

4、根据权利要求3所述的无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，其特征在于，所述平衡气缸包括缸体以及上下端盖，缸体内设置有活塞，其活塞杆通过一个连接轴与滑块连接。

5、根据权利要求4所述的无离合器及制动器的曲柄滑块变连杆机构，其特征在于，所述连接轴与活塞杆之间设有一个可调节活塞杆长度的装置，其包括一个与连接轴连接的调节螺钉，该调节螺钉通过一个调节螺套与活塞杆螺纹连接。

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