曲柄滑块机构的工业应用设计

张 磊

（天津工业大学 机械电子学院，天津 300160）

随着工业的发展，不同规格的曲柄滑块机构被应用到了更多的机械设备中，在机械制造工业以及其他工业的生产中的作用愈来愈显著，例如在汽车、农业机械、电子、医疗机械、国防、航空航天以及日用品等工业部门，都有广泛的应用。因而提高机械的自动化程度，降低工人的劳动强度，改善劳动条件，都离不开对曲柄滑块机构的研究。曲柄滑块机构在压力机内是重要的主机构。19世纪末才出现相当规模的曲柄压力机。前期20世纪末，由于汽车工业的兴起，曲柄压力机得到了迅速的发展。

1 曲柄压力机的工作原理及结构

曲轴压力机传动系统如图1所示。电动机1带动皮带轮系统2，将动力传到小齿轮3，通过小齿轮3与大齿轮4的啮合，将动力传到曲柄轴上，再利用曲轴的旋转转动，转化为滑块7的往复直线运动。

图1 曲轴压力机传动系统

制动器与离合器都安装在曲柄轴上，在电动机不切断电源的情况下，滑块的动与停是通过操纵开关控制离合器和制动器来实现的。当制动器松闸，离合器结合时，将传动系统与曲柄连杆机构连通，动力输入，滑块运动；当需要滑块停止运动时，将离合器分离，将传动系统与曲柄连杆机构脱开，同时运动惯性被制动器有效地制动，使滑块运动及时停止。

2 机身结构设计

2.1 分类及设计要求

机身是压力机的一个基本部件。所有零部件均安装在机身上，工作时要求受全部工作变形力。机身在变形力的作用下引起的弹性变形，会影响到冲压件的品质及模具的寿命。另外，运动部分的速度及受力的变化，会引起振动，将部分地由机身吸收。机身的特点是质量大，约占整个机身质量的50%～60%，结构复杂，加工量大，约占整个压力机加工量的20%～30%。因此，机身的合理设计，对减轻压力机自重、提高刚度，减少制造工时，改善外观，提高冲压件品质都有直接影响。

开式压力机是三面敞开，便于操作。但刚度较差，受力后在喉口处要产生角变形，直接影响冲压件的品质及模具寿命。所以限制了开式压力机的公称压力，只能适应于中小规格的压力机。为弥补开式压力机的缺陷，出现了在机身正面加二根拉杆的结构。但这样会影响压力机的适用范围，只适用于装有带料或卷料的自动送料压力机上。

开式压力机的机身，改变结构形式，就能组成不同类型的开式压力机。根据工作台后侧是否敞开，可分为单柱和双柱两种形式；根据工作台的结构型式不同，可分为固定台、活动台、柱形台、可倾式等。

双柱压力机便于后出料，有利于机械化及自动化。活动台压力机可以在较大范围内改变装模高度。适应工艺范围较广。柱形台压力机机身由于工作台为一柱形体，适用于在环形或筒形件上的冲孔或成形。

2.2 机身结构设计要求

机身结构设计，应满足如下要求：

（1）机身在满足强度、刚度的条件下，力求自重量，节约金属材料。

（2）结构力求简单，并使装上的所有零部件容易安装、调整、修理和更换。

（3）结构设计应便于铸造、焊接和机械加工。

（4）必须有足够的底面积，保证压力机的稳定性。

（5）结构设计应力求外形美观。

机身结构分为铸造和焊接两种。铸造结构一般用灰铸铁。材料比较容易供应，消振性能好。但净质量较大，刚度较差，适用于成批生产。焊接结构一般用Q235-A钢板，净质量较小，刚度较好，外形美观，但消振性能较差，适用于单件小批生产。对于采用铸造还是焊接结构，视各厂条件而定，随着工业水平的发展，焊接结构必然会更广泛的被采用。

2.3 铸造机身的设计

铸造机构机身一般采用HT200灰铸铁。灰铸铁的抗拉强度大，为本身抗拉强度的3～4倍，消振能力比钢材质大10倍，弹性模数较低，可获得比铸钢更薄而复杂的铸件，铸件中残余内应力及翘曲变形较铸钢小。对冷却速度敏感性大，因此截面容易形成疏松。故灰铸铁件当壁厚超过其临界值时，随着壁厚的增加，其机械性能反而显著下降；流动性能好，表面光洁，因而加工余量比铸钢小。在不同截面上性能较均匀，所以适合于制造要求高而截面不一的较为厚的大型铸件。

在焊接机身中，最常用的材料为Q235-A钢板。有时候亦用16 Mn钢板。Q235-A钢板在普通条件下可焊接，可焊性好。当环境温度低于-5℃、板厚大于20 mm且结构刚度大时，需预热并在焊后做消除内应力热处理。

钢板的化学成分，直接影响到焊缝的机械性能，碳的含量增高时，焊缝强度高，但塑性下降；锰是焊缝中一种非常有利的元素，提高锰的含量后，可以使焊缝处金属机械性能提高，除了强度提高外，其塑性也增大，但同时提高锰和碳的含量不合适的，通常希望焊缝中Mn的含为0.6%～0.9%。

焊接前钢板需经整平，对厚钢板则要加热整平。气割下料后再经坡口加工，对厚钢板，为防止焊后产生裂缝，焊前必须预热，预热温度为100～150℃，如钢板为中碳钢，则预热温度为200～300℃。

3 传动系统的配置

传动系统的作用，是把电动机的能量传递给曲柄滑块机构，并对电动机的转速进行减速，使其获得所需要的滑块行程次数。设计传动系统时，必须使压力机结构紧凑，维修方便，性能良好，外观美观。

传动系统设置在压力机工作台之上的为上传动，在工作台之下的为下传动。现有的通用压力机，大多采用上传动机构。虽然下传动结构亦有不少优点，例如：机械重心低，传动平稳，振动噪声小、压力机地面的高度低，滑块导向长度大等。但由于压力机平面尺寸大，机器总质量比上传动大10%～20%，由于传动系统在地坑中，基础造价高，维修不便，所以只有特殊要求时才采用。

开式及闭式传动的比较。开式及闭式传动系统，指传动齿轮安装在机身外还是机身之内，开式传动齿轮工作条件较差、外形不美观。但安装维修方便，而闭式传动齿轮工作条件较好，外形美观。如将齿轮浸入油池中，则大大降低了齿轮传动的噪声，但安装维修较困难，一般均采用单边传动。对大规格开式压力机，且曲轴采用平行于压力机正面的，有采用双边传动的结构形式。所谓双边传动就是在1根轴上有2个齿轮共同传达扭矩。对曲轴横放的开式双点压力机，也采用双边传动。

压力机的传动级数，与电动机的转速和滑块每分钟行程次数有关。行程次数低，则总速比大，传动级数就应多些，否则每级的速比过大，结构不紧凑。反之行程次数高，总速比小，传动级数可小些。现有开式压力机传动级数，一般不超过3级。行程次数在80次/min以上的，用单级传动。

在选取电动机转速时，电机转速越低，可以减少总速比和传动级数。但电机尺寸越大，价格越贵，电机效率也低，不一定适合。通常对二级和三级传动系统，采用同步转速为1 500 r/min，对一级传动采用同步转速1 000 r/min。在各级传动速比的分配要恰当，通常三角皮带传动速比不超过7～9。减速比分配时，要保证飞轮有适当的转速，也要注意布置得尽可能紧凑、美观和长、宽、高尺寸比例恰当。对通用压力机的飞轮转速，一般取380～450 r/min。因为转速太低，会使飞轮作用力消弱；转速太高，会使飞轮轴上的离合器发热严重，造成离合器和轴承的损坏。

4 离合器和制动器的选择

对单级传动压力机的离合器和制动器，只能安装在曲轴上；采用刚性离合器的压力机，离合器应装在轴上，而曲轴转速较低，所以应装在曲轴上，制动器必然也装在曲轴上。

采用摩擦离合器时，从压力机能量消耗来看，当离合器装在低速轴上，加速压力机从动部分所需功和离合器接合时消耗的摩擦功都较小，能量消耗也小。从离合器工作条件看，低速轴上的离合器磨损系数小。故离合器工作条件好，但低速轴上离合器需要传递较大的扭矩，离合器结构尺寸大。此外，从传动系统来看，现代压力机传动系统大多采用封闭在机身内，离合器不便装在曲轴上。另外亦为了缩小离合器尺寸，降低制造成本，一般都置于转速较高的飞轮轴上，制动器位置随离合器位置而定。因高速轴上制动力矩小，可缩小制动器结构尺寸。

5 结束语

随着工业的发展，不同规格的曲柄滑块机构被应用到了更多的机械中。它在机械制造工业以及其它工业的生产中的作用愈来愈显著，在汽车、农业机械、电子、医疗机械、国防、航空航天以及日用品等工业部门都有广泛的应用。因而提高机械的自动化程度，降低工人的劳动强度，改善劳动条件都离不开对曲柄滑块机构的研究。

[1]常 勇，李延平.关于曲柄滑块机构固定铰链点的位置问题[J].机械设计，2005，（9）：37-39.

[2]刘长荣，郑玉才.机械设计基础[M].北京：中国农业科技出版社，2003.