CN102179778A - 快速台虎钳 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速台虎钳，其包括：装夹系统、传动系统、驱动系统，该传动系统采用齿轮齿条结构，使工件的装夹效率比传统的台虎钳有较大幅度的提高；此外，该台虎钳的驱动锁紧装置可以实现对夹持力的瞬时锁死，防止被夹工件松动，并能瞬时解除锁死状态，快速松开被夹工件。

Description

快速台虎钳

技术领域

本发明属于机械领域，涉及可应用于加工、生产及维修领域中，对工件进行装夹的器具，尤其是台虎钳结构。

背景技术

目前市场上使用的台虎钳，全部是通过螺纹丝杆传动，并依靠螺纹丝杆和螺母对台虎钳的夹持力进行锁紧。图1为一种传统台虎钳示意图，传统台虎钳依靠旋转螺纹丝杆的方法使移动钳身前进或后退，丝杆每旋转一周，移动钳身的移动距离为丝杆的一个螺距(2.5～5mm)，因此移动压块前进或后退的移动速度相对较慢，在需要快速进行装夹或更换装夹厚度的情况下，工作效率比较低。已有的部分快速台虎钳，也仅仅是在传动螺纹丝杆和锁紧螺母上进行改进，使得台虎钳移动压块的进退速度有所提高，但需要用手将移动钳身推进或拉出，操作不方便。

发明内容

本发明目的在于提供一种快速高效的台虎钳，通过齿轮齿条传动，使工件的装夹效率比传统的台虎钳有较大幅度的提高；此外，该台虎钳的驱动锁紧装置可以实现对夹持力的瞬时锁死，防止被夹工件松动，并能瞬时解除锁死状态，快速松开被夹工件。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种齿轮传动式快速高效台虎钳，包括：装夹系统、传动系统、驱动系统，该传动系统采用齿轮齿条结构。

进一步，该驱动系统包含手柄杆头，该齿轮齿条结构包含齿轮轴，台虎钳上所获得的夹紧力的计算公式为：F2＝F1*(L/R)

其中：F2为台虎钳上钳口所获得的夹紧力；F1为手柄杆头上切向驱动力；

L为驱动力臂长度；R为齿轮轴的分度圆半径。

该装夹系统包含移动钳身，该驱动系统包含手柄杆头，该齿轮齿条结构包含齿轮轴，装夹速度的计算公式为：

v＝h/t＝(∫(R*sinθ))/t

其中：v为移动钳身的移动速度；h为移动钳身的移动距离；R为齿轮轴的分度圆半径；θ为手柄旋转的角度；t为手柄旋转θ角度所需的时间。

该驱动系统包含弹性轴、花键、滚柱、驱爪、制动盘，设定：制动盘与滚柱之间的摩擦系数为ξ，设定因弹性轴变形而通过花键施加在单个滚柱上的力为F，设定滚柱在楔形止点位置时，受力角为x°，即力F与垂直连接滚柱中心线与制动盘中心线的夹角为x°，力F通过滚柱作用在制动盘的受力点，分解为径向分力F1和切向分力F2，则：

F1＝F*cos x°

F2＝F*sin x°

滚柱与制动盘之间的摩擦力f＝ξ*F1＝ξ*F*cos x°

当f≥F2时，即ξ*F*cos x°≥F*sin x°，ξ*cos x°≥sin x°，简化后为ξ≥tgx°；滚柱即处于自然锁死状态，在没有其他外力作用的情况下，滚柱将无法延顺时针方向移动，花键也就因滚柱处于锁死状态而无法顺时针方向回转。

此时只要顺时针方向转动驱爪，驱爪作用在滚柱上的力为F3，当F3+F2＞f时，滚柱便可以离开楔形止点位置，迅速解除这种锁死状态。因此解除锁死状态的充分条件为：

F3＞f-F2，即F3＞F(ξ*cos x°-sin x°)

在设计制造时，选择合适的摩擦系数ξ及受力角度x°，可以使驱动锁紧装置瞬时锁死，同时可以通过在手柄上施加外力F3，瞬时解除驱动锁紧装置的锁死状态。

选择制动盘与滚柱的材质及加工精度，确定对应的制动盘与滚柱之间的摩擦系数ξ，由上面的计算公式可知，可以使f-F2足够小，也就是可以通过设计使得解除锁死状态的力F3足够小。

该装夹系统包括钳口、移动钳身、固定钳身，二个钳口分别用沉头螺钉固定在移动钳身和固定钳身上，移动钳身下部插入固定钳身的导向槽中，导向槽用于对移动钳身前后移动进行导向及定位。

该传动系统包括移动钳身、齿条、沉头螺钉、齿轮轴、弹性轴，轴套，齿条通过沉头螺钉固定在移动钳身的底部，齿轮轴采用间隙配合插入轴套，轴套插入固定钳身的轴孔，齿轮轴与齿条啮合，转动齿轮轴，可以驱动移动钳身前后移动。

该驱动系统包括驱动锁紧装置，该驱动锁紧装置包括弹性轴、第一轴键、第二轴键、花键、驱动锁紧装置弹簧、顶针、滚柱、驱爪、制动盘，通过螺钉固定在固定钳身上；弹性轴插入齿轮轴中，其小径端通过第一轴键固定在齿轮轴上，花键通过第二轴键固定在弹性轴的大径端；驱动锁紧装置弹簧和顶针安装在花键的孔中，花键和驱爪安装在制动盘中，滚柱设置于花键与制动盘所形成的楔形空间中，在驱动锁紧装置弹簧的弹力作用下，与顶针保持接触。

该驱动系统还包括手柄装置，该手柄装置包括手柄弹簧、带肩螺钉、孔挡圈、手柄头、手柄杆、手柄杆头，该手柄头通过弹簧、带肩螺钉固定在驱爪上，带肩螺钉穿过手柄弹簧，将手柄装配在驱爪上，手柄头与驱爪通过齿啮合，将手柄杆头上手动施加的力矩传递到驱爪上。

该带肩螺钉与手柄弹簧及手柄头之间设置有一段长度作为自由行程。

由于采用了上述方案，本发明的有益效果是：通过齿轮传动取代传统的丝杆传动，其工作效率可达现有技术的22倍以上；本发明中的驱动锁紧装置，既可以自动对夹持力进行瞬时锁死，又可以迅速解除锁死状态；本发明通过侧边的手柄，使台虎钳的操作使用更加简便。

附图说明

图1是传统台虎钳示意图。

图2是本发明一种实施例的整体结构图。

图3是图2所示实施例组成结构示意图

图4是本发明图2所示实施例的快速装夹传动系统部分的组成示意图。

图5是图2所示实施例的驱动锁紧装置示意图。

图6是图5所示的驱动锁紧装置组成结构示意图

图7是图5所示的驱动锁紧装置锁死及解除锁死力学原理图

图8是图2所示实施例的手柄自由调节结构示意图。

图9是图8所示手柄的剖面图。

1-移动钳身，11-钳口，12-A沉头螺钉，2-齿条，21-B沉头螺钉，3-盖板，31-盖板螺钉，4-固定钳身，41-固定钳身导向槽，42-固定钳身轴孔，5-齿轮轴，6-弹性轴，61-第一轴键，62-第二轴键，63-轴套，7-驱动锁紧装置，71-花键，72-驱动锁紧装置弹簧，73-顶针，74-滚柱，75-驱爪，76-制动盘，77-螺钉，8-手柄，81-手柄弹簧，82-带肩螺钉，83-孔挡圈，84-手柄头，85-手柄杆，86-手柄杆头。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的齿轮传动式快速高效台虎钳，整体结构请参阅图2，组成及结构请参阅图3。

一种齿轮传动式快速高效台虎钳，包括：装夹系统、传动系统、驱动系统，该传动系统采用齿轮齿条结构，驱动锁紧装置可以快速驱动、瞬时锁死以及瞬时解除锁死状态，可以根据操作状态任意调节操作角度。

该装夹系统包括压移动钳身1、钳口11、固定钳身4，二个钳口11分别用A沉头螺钉12固定在移动钳身1和固定钳身上4，移动钳身下部插入固定钳身导向槽41中，固定钳身导向槽41用于对移动钳身1前后移动进行导向及定位。

该传动系统包括移动钳身1、齿条2、B沉头螺钉21、齿轮轴5、弹性轴6，齿条2通过B沉头螺钉21固定在移动钳身1的底部，齿轮轴5采用间隙配合插入轴套63，轴套63插入固定钳身轴孔42，齿轮轴5与齿条2啮合，转动齿轮轴5，可以驱动移动钳身1在固定钳身导向槽41中前后移动。

该传动系统由于采用齿轮齿条的传动方式，其传动速度和效率，大大高于丝杆螺母的传动方式。

该驱动系统包括驱动锁紧装置，该驱动锁紧装置7包括弹性轴6、第一轴键61、第二轴键62、花键71、驱动锁紧装置弹簧72、顶针73、滚柱74、驱爪75、制动盘76，通过螺钉77固定在固定钳身4上。

如图3所示，弹性轴6插入齿轮轴5中，其小径端通过第一轴键61固定在齿轮轴5上，花键71通过第二轴键62固定在弹性轴6的大径端。

如图5和图6所示，驱动锁紧装置弹簧72和顶针73安装在花键71的孔中，花键71和驱爪75安装在制动盘76中，滚柱74设置于花键71与制动盘76所形成的楔形空间中，在驱动锁紧装置弹簧72的弹力作用下，与顶针73保持接触。

该驱动锁紧装置可以及时将驱动力矩传递给齿轮轴5，一旦被装夹的工件被夹住，即可以瞬时将夹持力锁死，确保被装夹的工件不松弛。同时当手柄反向旋转时，可以瞬时解除锁死状态，快速松开被装夹的工件。

该驱动系统包括手柄8，该手柄8包括手柄弹簧81、带肩螺钉82、孔挡圈83、手柄头84、手柄杆85、手柄杆头86，手柄8通过弹簧81、带肩螺钉82固定在驱爪75上。

如图9所示，带肩螺钉82穿过手柄弹簧81，将手柄8装配在驱爪75上，手柄头84与驱爪75通过齿啮合，将手柄杆头86上手动施加的力矩传递到驱爪75上，带肩螺钉82与手柄弹簧81及手柄头84之间的自由行程，可以保证将手柄头84从驱爪75上拔出而脱离与驱爪的齿啮合，将手柄8旋转任意角度后，松开手柄头84，手柄弹簧81的弹力作用即可将手柄头84压向驱爪75，恢复手柄头84与驱爪75之间的齿啮合状态。

该手柄可以自由调节任意施力角度，在装夹不同厚度的工件时，便于操作人员根据装夹工件的厚度，将手柄调整到最适合操作的位置。

齿轮传动式快速高效台虎钳对工件的装夹过程：

旋转手柄8，在手柄8的手动端手柄杆头86上施加切向F1，上抬手柄杆85，通过手柄头84与驱动锁紧装置驱爪75之间的啮合齿，将驱动力矩传递给驱动锁紧装置7；

驱动锁紧装置7通过第二轴键62，将驱动力矩传递给弹性轴6；弹性轴6通过第一轴键61，将驱动力矩传递给齿轮轴5；

如图4所示，齿轮轴5与齿条2由于是啮合关系，驱动力矩通过齿轮轴5传递给齿条2，齿条2带动移动钳身1前行，将被装夹的工件(简化起见，图中未画出)夹紧在钳口11之间。夹紧力的计算公式为：

F2＝F1*(L/R)

F2---台虎钳上所获得的夹紧力

F1---手动施加在手柄杆头86上的切向力

L ---手柄长度(手柄杆头86中心与齿轮轴5的轴线之间的直线距离)

R ---齿轮轴5的分度圆半径

在本发明实施例中，如果设定L/R的值大于25，因此夹紧力F2是手动施加的下压力F1的25倍以上。当F1＝50Kgf时，本发明的夹紧力F2大于1250Kgf。

行程(装夹厚度)的快速装夹调节原理：

如图4所示，传动系统的主要部件包括移动钳身1、齿条2、齿轮轴5、弹性轴6、驱动锁紧装置7、手柄8等，

齿轮轴5与齿条2之间通过齿轮齿条的方式传动。设定齿轮轴5的齿数为n，分度圆半径为R，由齿轮齿条传动计算方法，可以得出当手柄每旋转角度为θ，齿条2移动的距离h为：

h＝∫(R x sinθ)

h-齿条2的移动距离

R-齿轮轴5的分度圆半径

θ-手柄8旋转的角度

手柄8旋转一周，对应齿条2的的移动距离为2πR，如果本发明实施例中R的最小设计值为13mm，即对应手柄8旋转一周，齿条2带动移动钳身1的移动距离为81.64mm。

对比现有技术的台虎钳，其台虎钳手柄旋转一周，移动钳身前进的距离为丝杆的一个螺距值，通常台虎钳丝杆螺纹的螺距为2.5～5mm。由此可以算出：

81.64/2.5＝32.656

81.64/5＝16.328

因此可以得出结论：本发明的装夹速度在该实施例中是现有技术的16～32倍以上，可以显著地提高工作效率。

夹紧力的瞬时锁死及松开原理：

被夹持工件被移动钳身1和固定钳身2之间的钳口11夹紧后，要保证施加在手柄杆头86的力松开后，夹紧力仍然保持不变，即F1＝0后，F2的值不变。该功能通过驱动锁紧装置7和弹性轴6之间的联动关系来实现。

弹性轴6的小径端通过第一轴键61固定在齿轮轴5上，如图6所示，大径端通过第二轴键62固定在驱动锁紧装置内部的花键71上。

如图7所示，周向均布的三个滚柱74分别处于花键71与制动盘76所形成的三个楔形空间，在手柄8的驱动下，花键71可以带着弹性轴6自由地顺时针转动。当夹住工件后，弹性轴6不能继续自由顺时针转动，当夹紧工件的夹紧力足够后，弹性轴6形成相应的变形量，此时松开手柄后，花键上的周向均布的三个滚柱74，分别被三个周向均布的弹簧72和三个周向均布的顶针73的弹性推力作用，顶住滚柱74，将滚柱74卡在花键与制动盘76的楔形止点位置。

如图7所示：

设定制动盘76与滚柱74之间的摩擦系数为ξ

设定考虑滚柱74在楔形止点位置时，受力角如图7所示为x°

因弹性轴6变形而通过花键71施加在单个滚柱74上的力为F

力F通过滚柱74作用在制动盘76的受力点，分解为径向分力F1和切向分力F2

F1＝F*cos x°

F2＝F*sin x°

滚柱74与制动盘76之间的摩擦力f＝ξ*F1＝ξ*F*cos x°

当f≥F2时，滚柱74即处于自然锁死状态，在没有其他外力作用的情况下，滚柱74将无法延逆时针方向移动，花键71也就因滚柱74处于锁死状态而无法逆时针方向回转。

此时只要逆时针方向转动驱爪75，驱爪75作用在滚柱74上的力为F3，当F3+F2≥f时，滚柱74便可以离开楔形止点位置，迅速解除这种锁死状态。

根据以上原理，就能够根据设计的驱动装置7尺寸，选择合适的材料，确定出合适的摩擦系数ξ，然后根据摩擦系数ξ计算设计出花键71合适的受力角x。

例如：制动盘76、花键71及滚柱74全部选用轴承钢GCr15，在有油润滑的状况下，花键71与滚柱74之间的摩擦系数ξ＝0.012，花键71的外径取值φ50h7，制动盘76内径取值φ50H7，滚柱74的直径取值φ8h7。设定滚柱74作用在制动盘76上的力F＝1000N，由以上的原理及公式可知，自然锁死状态的充分条件为：

f≥F2

＝＞ξ*F*cos x°≥F*sin x

＝＞ξ≥tg x°

当取ξ＝0.012时，可以算出x≤0.6875°

如图7所示，设计时取花键71的受力角(即力F与垂直连接滚柱中心线与制动盘中心线的夹角)为x°≤0.6875°时，即可达到瞬时锁死状态。

实际设计加工时取x°＝0.67°，可计算出：

摩擦力f＝ξ*F*cos x°＝0.012*1000*cos 0.67°＝11.999N

切向分力F2＝F*sin x°＝1000*sin 0.67°＝11.693N

此时f-F2＝0.306N，满足锁死状态条件。

由于驱动锁紧装置弹簧72通过顶针73施加在滚柱74上的力很小，只有10N左右，因此只要驱爪75作用在滚柱74上的力F3大于10.306N，即可瞬时解除锁死状态。

在没有外力干涉解除滚柱74锁死角的情况下，从图7可以看出，花键71始终只能逆时针方向旋转，无法顺时针方向旋转。这样就保证了作用在手柄杆头86上力的手松开后，移动钳身1和固定钳身2之间的钳口11夹紧力能保持瞬时锁死状态。

夹紧力的瞬时松开原理：

如图6所示，下压手柄8的手动端手柄杆头86，通过手柄头84与驱动锁紧装置7的驱爪75之间的啮合齿，将驱动力矩传递给驱动锁紧装置7的驱爪75，驱爪75克服弹簧72和顶针73的弹力和滚柱74与花键71及制动盘76之间的摩擦力，推动滚柱74脱离花键71与制动盘76之间的止点，锁死机构被解除。继续下压手柄8的手动端手柄杆头86，驱爪75推动滚柱74和花键71，通过传动系统，使移动钳身1迅速脱离固定钳身4，实现被装夹的工件被瞬时松开。

实现手柄操作角度自由调节的结构原理：

确定装夹厚度后，旋转手柄8，将移动钳身1与固定钳身4之间的钳口11拉开至适当的距离，然后反向旋转手柄8，时钳口11将工件夹持住，这时手柄杆85所处的位置不一定适合操作人员进行加力锁紧。如果手柄杆85所处的角度位置不便于操作人员施力锁紧，此时可以将手柄头84从驱动锁紧装置7的驱爪75上拔出，将手柄8旋转到最适合操作的位置，然后松开，手柄头84将在弹簧81和带肩螺钉82的作用下，自动回复到驱爪75上。

如图8和图9所示，手柄8通过弹簧81和带肩螺钉82固定在锁紧驱动装置的驱爪75上，手柄8上安装了一个孔挡圈83为防止带肩螺钉82松动。自由状态下，弹簧81将手柄头84压向驱爪75，使手柄头84与驱爪75相互啮合。如需调整手柄8的角度位置，只需将手柄头84拔出，使相互啮合的齿脱离，而带肩螺钉82的自由长度设计，不用松动带肩螺钉82，正好符合啮合齿脱离所需的移动距离。然后任意旋转手柄头84，直至到达符合操作人员的操作习惯位置即可。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速台虎钳，包括：装夹系统、传动系统、驱动系统，其特征在于：该传动系统采用齿轮齿条结构。

2.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该驱动系统包含手柄杆头，该齿轮齿条结构包含齿轮轴，设定：F2为台虎钳上钳口所获得的夹紧力，F1为手柄杆头上切向驱动力，L为驱动力臂长度，R为齿轮轴的分度圆半径，则所述要素相互间的关系式为：F2＝F1*(L/R)。

3.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该装夹系统包含移动钳身，该驱动系统包含手柄，该齿轮齿条结构包含齿轮轴，设定：v为移动钳身的移动速度；h为移动钳身的移动距离；R为齿轮轴的分度圆半径；θ为手柄旋转的角度；t为手柄旋转θ角度所需的时间，则所述要素相互间的关系式为：

v＝h/t＝(∫(R*sinθ))/t。

4.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该驱动系统包含弹性轴、花键、滚柱、驱爪、制动盘，设定：制动盘与花键之间的摩擦系数为ξ，设定因弹性轴变形而通过花键施加在单个滚柱上的力为F，设定滚柱在楔形止点位置时，受力角为x°，即力F与垂直连接滚柱中心线与制动盘中心线的夹角为x°，力F通过滚柱作用在制动盘的受力点，分解为径向分力F1和切向分力F2；逆时针方向转动驱爪，驱爪作用在滚柱上的力为F3，则：

F1＝F*cos x°

F2＝F*sin x°

滚柱与制动盘之间的摩擦力f＝ξ*F1＝ξ*F*cos x°

滚柱处于自然锁死状态所要求的条件是：f≥F2，即ξ≥tgx°；

则解除锁死状态的充分条件是：F3+F2＞f，即：

F3＞F(ξ*cos x°-sin x°)。 

5.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该装夹系统包括钳口、移动钳身、固定钳身，二个钳口分别用沉头螺钉固定在移动钳身和固定钳身上，移动钳身下部插入固定钳身的导向槽中。

6.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该传动系统包括移动钳身、齿条、沉头螺钉、齿轮轴、弹性轴，轴套，齿条通过沉头螺钉固定在移动钳身的底部，齿轮轴采用间隙配合插入轴套，轴套插入固定钳身的轴孔，齿轮轴与齿条啮合。

7.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该驱动系统包括驱动锁紧装置，该驱动锁紧装置包括弹性轴、第一轴键、第二轴键、花键、驱动锁紧装置弹簧、顶针、滚柱、驱爪、制动盘，通过螺钉固定在固定钳身上；弹性轴插入齿轮轴中，其小径端通过第一轴键固定在齿轮轴上，花键通过第二轴键固定在弹性轴的大径端；驱动锁紧装置弹簧和顶针安装在花键的孔中，花键和驱爪安装在制动盘中，滚柱设置于花键与制动盘所形成的楔形空间中并与顶针保持接触。

8.根据权利要求1所述的快速台虎钳，其特征在于：该驱动系统还包括手柄装置，该手柄装置包括手柄弹簧、带肩螺钉、孔挡圈、手柄头、手柄杆、手柄杆头，该手柄头通过弹簧、带肩螺钉固定在驱爪上，带肩螺钉穿过手柄弹簧，将手柄装配在驱爪上，手柄头与驱爪通过齿啮合。

9.根据权利要求8所述的快速台虎钳，其特征在于：该带肩螺钉与手柄弹簧及手柄头之间设置有一段长度作为自由行程。 

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