4.6.1.3 Клиновые механизмы

Клин очень широко применяется в зажимных механизмах приспособлений. Это объясняется тем, что с помощью клина достигается:

а) увеличение исходной силы, развиваемой силовым приводом;

б) перемена направления действия исходной силы;

в) повышение надежности работы зажимных механизмов при использовании самоцентрирующихся клиньев.

Если клиновой механизм применяется для перемены направления силы зажима, то угол клина обычно 45⁰, а если для увеличения силы зажима или повышения надежности, то угол клина принимается 6…15⁰ (угла самоторможения).

В зажимных механизмах приспособлений клин применяется в следующих конструктивных вариантах:

1) Плоский односкосый (рис. 4.73, а).

2) Двускосый клин или круглый – зажимает одновременно по две заготовки (рис. 4.73, б).

3) Криволинейный клин в форме эксцентрика или плоского кулачка (рис. 4.73, в). В этих конструкциях основание односкосого клина как бы навернуто на окружность диска, а наклонная его плоскость превращена в криволинейную поверхность.

4) Винтовой клин в форме торцового кулачка (рис. 4.73, г).

Здесь односкосый клин как бы свернут в цилиндр. При этом основание клина образует опору, а наклонная плоскость – винтовой профиль кулачка.

а)

б)

в)

г)

Рис. 4.73. Конструктивные варианты клиньев.

4.6.1.4 Расчет сил зажима в клиновых механизмах

1. Плоский односкосый клин.

Клин 1 силой привода заталкивается в клиновой паз корпуса 2 и зажимает заготовку 3 (рис. 4.74).

Рис. 4.74. Плоский односкосый клин.

При движении клина на его плоскостях возникают нормальные силы W и N и силы трения F₁ и F₂, причем

;

;

где φ₁ и φ₂ – угла трения;

f₁ и f₂ – коэффициенты трения.

Рассмотрим равновесие клина под действием всех приложенных к нему сил. Для этого равнодействующую R₁ сил N и F₁ разложим на две силы W и Р. Так как в зажатом состоянии клин находится в равновесии, то вертикальная составляющая по величине равна W. Горизонтальная составляющая Р равна:

P=W tg(α+φ₁).

Сумма проекций всех сил на направление силы Q равна нулю:

P+F₂ – Q=0;

или W tg(α+φ₁) + W tgφ₂=Q.

Откуда

;

В этой формуле дробь - передаточное отношение плоского односкосого клина с трением на обеих поверхностях.

Если применять клин с трением только по наклонной поверхности (цанга), то tgφ₂=0 и

.

Существенным недостатком рассмотренного механизма является низкий КПД, то есть большие потери на трение, которые резко увеличиваются с уменьшением угла клина.

Для повышения КПД клинового механизма заменяют трение скольжения по поверхностям клина трением качения, применяя опорные ролики (рис. 4.75).

Рис. 4.75. Схема действующих сил в клиновом механизме с роликами.

Рис. 4.76. Схема сил, действующих на ролик.

Схема действующих сил принципиально ничем не отличается от механизма с плоским односкосым клином без роликов, поэтому для расчета этого механизма вполне можно применить предыдущую формулу, заменив углы трения скольжения φ₁ и φ₂ на углы трения качения φ_1пр и φ_2пр:

.

Значения φ_1пр и φ_2пр можно определить, рассмотрев в отдельности равновесие роликов.

Рассмотрим равновесие нижнего ролика, приравняв нулю сумму моментов всех сил относительно оси ролика (рис. 4.76):

где Т – сила трения скольжения между роликом и осью:

T=W tgφ₂;

D – диаметр ролика;

d – диаметр цапфы (оси) ролика.

F₂=W tgφ_2пр – сила трения качения между роликом и клином.

Откуда

или

Приведенный угол трения

.

Соответственно для верхнего ролика:

.

В конструкциях с роликами потери на трение снижаются, а сила возрастает на 30…50% по сравнению с клином без роликов.