基于曲柄滑块机构的省力钳的设计

赵 轩，王 为

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068）

人类使用手钳的历史由来已久，手钳从发明到如今的广泛应用，无论外观有多大的改变，但始终未变的是其杠杆机构。事实上，杠杆机构并非手钳的最佳适用机构。本设计摒弃了传统手钳的剪式杠杆机构，将更为合适的曲柄滑块机构应用于手钳上。

1 传统手钳的设计

1.1 剪式杠杆机构的应用

传统手钳采用的是剪式杠杆机构（图1）。

图1 传统手钳的剪式杠杆机构

由杠杆平衡条件可知，作用在杠杆上的两个力矩大小相等时，杠杆处于平衡，即

式中：F1表示动力；L1表示动力臂；F2表示阻力；L2表示阻力臂。而传统手钳设计的动力臂远大于阻力臂，即L1L2，故F1F2，所以使用钢丝钳很容易剪断硬度较大的钢丝。

1.2 剪式杠杆机构应用的弊端

手钳剪切钢丝时，受力如图2所示。

图2 传统手钳剪切钢丝时受力分析

圆柱状的钢丝在剪切过程中除受到上下刃口对其的压力FA、FB外，同时还有沿刃口方向的摩擦力fa、fb。对于硬度不大的钢丝，可以在靠近销轴处切断，此时的阻力臂L2较短，故动力较小。而对于硬度较大的钢丝，在剪切时，当刃口张角α较大时，沿刃口方向的摩擦力不足以平衡上下刃口对其产生的刃口外向推力F，此时钢丝会沿刃口外向滑出，直至摩擦力平衡外向推力，刃口才能将钢丝剪断（图3）。

图3 传统手钳剪切硬质钢丝时滑移分析

由于钢丝向外滑出，钢丝离销轴距离L增大为L′，即阻力臂L2增大，故所需动力较大。而此时越硬的钢丝剪切起来越费力，弊端尤为明显。

2 新型省力钳的设计

2.1 曲柄滑块机构的应用

新型省力钳采用的是曲柄滑块机构［1］，机构原理如图4所示，结构如图5、图6所示。

图4 曲柄滑块机构原理图

图5 新型省力钳的结构主视图

图6 新型省力钳的结构左视剖面图

新型省力钳由钳身构成主体结构。固定刃口通过螺钉固定在钳身前部，凸导轨通过紧定螺钉固定在钳身上，活动刃口通过螺钉固定在凹导轨上。凹导轨为活动导轨，可以在固定的凸导轨上直线滑动。压力手柄通过销钉和限位环以转动副的形式连接在连杆上，前端连杆的另一端通过销钉以转动副的形式连接在凹导轨上，后端连杆的另一端通过销钉以转动副的形式连接在钳身尾部。弹簧通过紧定螺钉卡在连杆和钳身之间，保持活动刃口使用后回归到张开位置。扣环手柄包裹着钳身的中部，起到防滑、绝缘和增加手握舒适感的作用。

2.2 曲柄滑块机构应用的优势

新型省力钳剪切钢丝时，受力如图7所示。

图7 新型省力钳剪切钢丝时受力分析

由于新型省力钳采用了平行刃口，在剪切过程中，固定刃口和活动刃口始终保持平行，所以钢丝只受刃口切向大小相等、方向相反的一对力FC与FD。无论钢丝的粗细、硬度如何改变，这一对力的方向始终不变，故不会存在因为偏角的改变而引起施力大小变化的问题。同时，曲柄滑块机构的应用也改变了手动施力的方式［2］（图8）。

图8 新型省力钳剪切钢丝时施力分析

此时的施力点由传统的钳柄转换到了两连杆的铰接处。手动施力FT经过连杆传递到活动刃口上的分力为FD。初始设计保证了连杆在工作过程中始终与钳身保持较小的夹角θ。由力的分解可算得FD＝ （0.5cotθ）FT，当θ＜5°时，FD＞5.7FT，其工作过程至少是5.7倍以上增力；当θ＝2°时，FD＝14.3FT，其增力达到14.3倍，剪切效果十分明显。

其次，曲柄滑块机构的应用改变了传统手钳的剪式杠杆机构中动力与阻力的线性关系。此时的施力与受力是非线性关系，这个特性刚好与硬质钢丝剪切过程中剪切挤压导致金属的内部组织改变，硬度异常高的特性相符合。硬质钢丝临近剪断时，即使出现硬度异常高的现象，由于此时连杆与钳身的夹角θ极小，通过曲柄滑块机构产生的增力极大，所以也很容易将钢丝剪断。

与传统手钳的剪式杠杆机构相比，新型省力钳采用的曲柄滑块机构还有一个明显的优势，就是节省人力做的功。其工作过程如图9所示。

图9 新型省力钳的工作过程

传统手钳的省力杠杆机构在省力的同时浪费了施力距离，这样就浪费了人力做的功。而新型省力钳采用的曲柄滑块机构，工作时刃口行程LD与施力距离S不成线性关系［3］，所以可以在保证省力的同时也不浪费施力距离，做到既省力又省功。

3 结束语

手钳作为工业生产中工人直接持用的工具，很大程度上能够影响其工作效率。基于曲柄滑块机构设计的省力钳正好解决了目前传统剪式杠杆机构手钳存在的诸多弊端，大大提高了生产效率。

［1］ 魏 兵，熊禾根.机械原理［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007：77－78.

［2］ 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学Ⅰ［M］.第七版.北京：高等教育出版社，2009：199－212.

［3］ 华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新［M］.北京：机械工业出版社，2008：47－48.