基于曲柄滑塊機構(gòu)的省力鉗的設(shè)計

趙 軒，王 為

（湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

人類使用手鉗的歷史由來已久，手鉗從發(fā)明到如今的廣泛應(yīng)用，無論外觀有多大的改變，但始終未變的是其杠桿機構(gòu)。事實上，杠桿機構(gòu)并非手鉗的最佳適用機構(gòu)。本設(shè)計摒棄了傳統(tǒng)手鉗的剪式杠桿機構(gòu)，將更為合適的曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)用于手鉗上。

1 傳統(tǒng)手鉗的設(shè)計

1.1 剪式杠桿機構(gòu)的應(yīng)用

傳統(tǒng)手鉗采用的是剪式杠桿機構(gòu)（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)手鉗的剪式杠桿機構(gòu)

由杠桿平衡條件可知，作用在杠桿上的兩個力矩大小相等時，杠桿處于平衡，即

式中：F1表示動力；L1表示動力臂；F2表示阻力；L2表示阻力臂。而傳統(tǒng)手鉗設(shè)計的動力臂遠(yuǎn)大于阻力臂，即L1L2，故F1F2，所以使用鋼絲鉗很容易剪斷硬度較大的鋼絲。

1.2 剪式杠桿機構(gòu)應(yīng)用的弊端

手鉗剪切鋼絲時，受力如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)手鉗剪切鋼絲時受力分析

圓柱狀的鋼絲在剪切過程中除受到上下刃口對其的壓力FA、FB外，同時還有沿刃口方向的摩擦力fa、fb。對于硬度不大的鋼絲，可以在靠近銷軸處切斷，此時的阻力臂L2較短，故動力較小。而對于硬度較大的鋼絲，在剪切時，當(dāng)刃口張角α較大時，沿刃口方向的摩擦力不足以平衡上下刃口對其產(chǎn)生的刃口外向推力F，此時鋼絲會沿刃口外向滑出，直至摩擦力平衡外向推力，刃口才能將鋼絲剪斷（圖3）。

圖3 傳統(tǒng)手鉗剪切硬質(zhì)鋼絲時滑移分析

由于鋼絲向外滑出，鋼絲離銷軸距離L增大為L′，即阻力臂L2增大，故所需動力較大。而此時越硬的鋼絲剪切起來越費力，弊端尤為明顯。

2 新型省力鉗的設(shè)計

2.1 曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用

新型省力鉗采用的是曲柄滑塊機構(gòu)［1］，機構(gòu)原理如圖4所示，結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖4 曲柄滑塊機構(gòu)原理圖

圖5 新型省力鉗的結(jié)構(gòu)主視圖

圖6 新型省力鉗的結(jié)構(gòu)左視剖面圖

新型省力鉗由鉗身構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)。固定刃口通過螺釘固定在鉗身前部，凸導(dǎo)軌通過緊定螺釘固定在鉗身上，活動刃口通過螺釘固定在凹導(dǎo)軌上。凹導(dǎo)軌為活動導(dǎo)軌，可以在固定的凸導(dǎo)軌上直線滑動。壓力手柄通過銷釘和限位環(huán)以轉(zhuǎn)動副的形式連接在連桿上，前端連桿的另一端通過銷釘以轉(zhuǎn)動副的形式連接在凹導(dǎo)軌上，后端連桿的另一端通過銷釘以轉(zhuǎn)動副的形式連接在鉗身尾部。彈簧通過緊定螺釘卡在連桿和鉗身之間，保持活動刃口使用后回歸到張開位置?？郗h(huán)手柄包裹著鉗身的中部，起到防滑、絕緣和增加手握舒適感的作用。

2.2 曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)勢

新型省力鉗剪切鋼絲時，受力如圖7所示。

圖7 新型省力鉗剪切鋼絲時受力分析

由于新型省力鉗采用了平行刃口，在剪切過程中，固定刃口和活動刃口始終保持平行，所以鋼絲只受刃口切向大小相等、方向相反的一對力FC與FD。無論鋼絲的粗細(xì)、硬度如何改變，這一對力的方向始終不變，故不會存在因為偏角的改變而引起施力大小變化的問題。同時，曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用也改變了手動施力的方式［2］（圖8）。

圖8 新型省力鉗剪切鋼絲時施力分析

此時的施力點由傳統(tǒng)的鉗柄轉(zhuǎn)換到了兩連桿的鉸接處。手動施力FT經(jīng)過連桿傳遞到活動刃口上的分力為FD。初始設(shè)計保證了連桿在工作過程中始終與鉗身保持較小的夾角θ。由力的分解可算得FD＝ （0.5cotθ）FT，當(dāng)θ＜5°時，F(xiàn)D＞5.7FT，其工作過程至少是5.7倍以上增力；當(dāng)θ＝2°時，F(xiàn)D＝14.3FT，其增力達(dá)到14.3倍，剪切效果十分明顯。

其次，曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)手鉗的剪式杠桿機構(gòu)中動力與阻力的線性關(guān)系。此時的施力與受力是非線性關(guān)系，這個特性剛好與硬質(zhì)鋼絲剪切過程中剪切擠壓導(dǎo)致金屬的內(nèi)部組織改變，硬度異常高的特性相符合。硬質(zhì)鋼絲臨近剪斷時，即使出現(xiàn)硬度異常高的現(xiàn)象，由于此時連桿與鉗身的夾角θ極小，通過曲柄滑塊機構(gòu)產(chǎn)生的增力極大，所以也很容易將鋼絲剪斷。

與傳統(tǒng)手鉗的剪式杠桿機構(gòu)相比，新型省力鉗采用的曲柄滑塊機構(gòu)還有一個明顯的優(yōu)勢，就是節(jié)省人力做的功。其工作過程如圖9所示。

圖9 新型省力鉗的工作過程

傳統(tǒng)手鉗的省力杠桿機構(gòu)在省力的同時浪費了施力距離，這樣就浪費了人力做的功。而新型省力鉗采用的曲柄滑塊機構(gòu)，工作時刃口行程LD與施力距離S不成線性關(guān)系［3］，所以可以在保證省力的同時也不浪費施力距離，做到既省力又省功。

3 結(jié)束語

手鉗作為工業(yè)生產(chǎn)中工人直接持用的工具，很大程度上能夠影響其工作效率?；谇瑝K機構(gòu)設(shè)計的省力鉗正好解決了目前傳統(tǒng)剪式杠桿機構(gòu)手鉗存在的諸多弊端，大大提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 魏 兵，熊禾根.機械原理［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007：77－78.

［2］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)Ⅰ［M］.第七版.北京：高等教育出版社，2009：199－212.

［3］ 華大年，華志宏.連桿機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：47－48.