楔形锁紧装置的设计
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北京：机械工业出版社，２００６． ［２］ 机械设计手册编委会．机械设计手册［Ｍ］． 北京：机械
工业出版社，２００４． ［３］ 陈立平，张云清，任卫群，等． 机械系统动力学分析及
ＡＤＡＭＳ 应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ［４］ 张英会，刘辉航，王德成． 弹簧手册［Ｍ］．北京：机械工
参考图 图８ 图９ 图 １０ 图 １１
— ４４ —
图 8 弹簧压力 图 9 弹簧变形
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
工程机械
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
设 计
计 算
·
图 10 夹紧臂摆角
开，在动楔块完全进入卡紧槽后，由于弹簧对夹紧臂 施加压力，使夹紧臂斜面对动楔块的斜面产生附加的 夹紧力，此时不需要对动楔块施力即可将其锁紧。在 图 １１ 中存在锯齿形冲击曲线，这是由于锁紧或解锁 动作较快，压缩弹簧引起自身振动所致。
（８）
式（８）中 xｓ可以通过调节弹簧座来调节，为求 γ
各配合参数设定如表 １。
表 1 配合参数
·
计
计 算
也将其看作定值。
项目
参数
对（８）式利用求导方法求得：当 γ＝４５°时，Fｓ 取
动楔块
插入角度 ／ °
８１
最大值 Fｓｍａｘ＝２kxｓ，这也是解锁时的拉出力，与弹簧的 刚度及变形量相关。
锁紧角度 ／ ° 插入角度 ／ °
中，考虑零件结构特征及工艺性要求，设定 α=
81.47° ， β =81° 进 行 设 计 验 证 ， 此 时 插 入 力
Fｉ＝０．６０２kxｉ。
在图 ２ 中，随着动楔块向内插入，夹紧臂摆角加
大，在图示位置时摆角达到最大值，压缩弹簧的压力
也达到最大值 Fｓｍａｘ，此时由力矩平衡知：
Fｓｍａｘ×d２＝Fｍａｘ×d１，而 Fｓｍａｘ＝kxｍａｘ
夹紧臂组成的斜面卡槽中，为了起到省力的目的，动
楔块的头部夹角 β（０＜β＜１８０°）和两夹紧臂组成
的夹角 α（０＜α＜１０８°）应保持 β＜α 的关系。压缩
弹簧施加压力 Fｉ２，控制动楔块与夹紧臂接触，动楔
块与夹紧臂之间存在摩擦力，取摩擦系数 f＝０．１５，其
受力计算如下：
Fｉ
=2Fｉ（１ ｓｉｎ
β ２
在动楔块插入过程中同时存在直线运动、斜面接触
运动，其插入力 Fｉ 变化较复杂，有待经过设计仿真
计算得出。
在锁紧位置：
Fｉ
=2Fｉ（１ ｓｉｎ
γ ２
＋
f
ｃｏｓ
γ ２
）
（５）
Fｉ２
=2Fｉ１′（ｃｏｓ
γ ２
＋
f
ｓｉｎ
γ ２
）
（６）
Fｉ２ ＝kxｉ
（７）
式中：Fｓ 为动楔块锁紧力，Ｎ；Fｓ１＝Fｓ１′为接触压力，
４５ ８１．４７
综上计算可得，动楔块及加紧臂的关键参数设
夹紧臂
锁紧角度 ／ °
４５
定为 α=81.47 °，β＝８１° ，γ＝４５°，锁紧力大于插入力。
插入角度 ／ °
０～２０
工作压力范围 ／Ｎ
０～８００
２ 结构设计
压缩弹簧 行程位移 ／ｍｍ
０～３０
将楔形锁紧装置在 Ｐｒｏ／Ｅ Ｗｉｌｄｆｉｒｅ ２．０ 中进行结 构建模，总装配效果见图 ４。
备注 旋转轴 相对平移 固定 接触运动 压缩弹簧 运动设定 夹紧臂摆角 动楔块位移 弹簧压力变化 动楔块轴向力 弹簧位移变化
图 7 仿真过程截图 表 3 参数分析结果
序号
零件 ／ 参数
１ 压缩弹簧
压力 ／ Ｎ 位移 ／ｍｍ
２ 夹紧臂 摆角 ／ （°）
３
动楔块 ／ 轴向力 ／Ｎ
结果 ７７．９～７７８．４ １～－２４．０２ ９９．５～１１９．８ －７２５～２ １３２
β） α）
（４）
由 （４） 式可看出，xｉ 可以通过调节弹簧座来调 节，为求 α、β 可将其看作定值。当 α 一定时，β= 8.53°时 Fｉ 取最大值，这不是所需要的；当 β 一定时， α=81.47°时 Fｉ 取最小值，此时插入力最小，且与弹簧
图 3 锁紧状态
的刚度及变形量相关；又由于 β＜α ，在本装置设计
０～１ ５００ ２ ０００ ８２０ １ ５００
２０８×１５０×８０ 底板，螺栓固定
６．３９
１．活动轴 ２．销轴 ３．动楔块 ４．压缩弹簧 ５．弹簧座轴 ６．上夹板 ７．下夹板 ８ ．摆臂轴 ９．限位销轴 １０．锁片 １１．螺栓 １２．弹簧外座 １３．弹簧内座 １４．夹紧臂
图 4 楔形锁紧装置建模图
３ 运动仿真分析
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·
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
设 计
计 算
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
图 5 ADAMS 简化模型
图 6 前置参数设定
序号 １ ２ ３ ４ ５ ６
７
约束类型 Ｊｏｉｎｔ：Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｊｏｉｎｔ：Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｉｎｔ：Ｆｉｘｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｐｒｉｎｇ ｄａｍｐｅｒ Ｐｏｉｎｔ ｍｏｔｉｏｎ
摘 要：为了更好地解决固定部件和移动部件之间的锁紧问题，设计了一种新型楔形锁紧装置，其工作 原理是依靠楔形块之间的静摩擦力来约束两个具有相对运动部件之间的运动。对装置的动楔块、夹紧臂等关 键部件进行理论力学计算分析，优化关键参数。将楔形锁紧装置在 Ｐｒｏ／Ｅ 中进行结构建模，设定工作参数后 在 ＡＤＡＭＳ 中进行运动仿真分析，验证楔形锁紧装置设计的可行性，获得模拟样机数据，提高了样机试制精 确度，缩短实验周期，有效解决了工程机械领域设备中快速锁紧问题，保证设备安全及使用可靠。
Ａｎｇｌｅ Ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｐｏｉｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｆｏｒｃｅ
Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
表 2 装置约束参数设定 施加体 夹板－外弹簧座、夹紧臂－内弹簧座夹紧臂－夹板 动楔块－夹板 上夹板、下夹板、内弹簧座－夹紧臂 动楔块－夹紧臂 内弹簧座－外弹簧座 动楔块 夹紧臂－夹板 动楔块－夹板 压缩弹簧 动楔块 压缩弹簧
５ 结论
通过对楔形锁紧装置进行结构建模设计，设定
图 11 插入力
工作参数后在 ＡＤＡＭＳ 中进行运动仿真分析，验证 楔形锁紧装置设计的可行性，获得模拟样机数据，提 高了样机试制精确度，缩短了试验周期，有效解决了 工程机械领域设备中快速锁紧问题，保证设备安全 及使用可靠。
参考文献 ［１］ 范成建．虚拟样机软件 ＭＳＣＡＤＡＭＳ 应用与提高［Ｍ］．
＋
f
ｃｏｓ
β ２
）
（１）
Fｉ２
=Fｉ１′（ｃｏｓ
α ２
＋f
ｓｉｎ
α ２
）
（２）
Fｉ２ ＝kxｉ
（３）
式中：Fｉ 为动楔块插入力，Ｎ；Fｉ１＝Fｉ１′为接触压力， Ｎ；Fｉ２ 为弹簧力，Ｎ；k 为弹簧刚度，Ｎ／ｍｍ；xｉ 为弹簧压 缩变化量，ｍｍ。
联立（１）、（２）、（３）式可求得：
Fｉ
＝２kxｉ
sin（81.47°+ sin（8.53°＋
１ 工作原理
楔形锁紧装置主要利用楔形块之间的静摩擦力 来约束两个具有相对运动部件之间的运动，其工作 原理如图 １～图 ３ 所示。动楔块 １ 固定在移动部件 上，夹紧臂 ２ 和弹簧 ３ 组合成静楔块架并固定在非 移动部件上，工作时，在移动部件带动动楔块 １ 插入 到静楔块架过程中，楔块架的两夹紧臂 ２ 被来自于
式中：Fｓｍａｘ 为弹簧最大压力，Ｎ；Fｍａｘ 为最大接触压力，
Ｎ；k 为 弹 簧 刚 度 ，Ｎ／ｍｍ；xｍａｘ 为 弹 簧 最 大 压 缩 量 ，
ｍｍ。
在图 ３ 中，动楔块完全插入到位，实现了锁紧，
设锁紧夹角为 γ，其锁紧力 Fｓ 大于初始插入力 Fｉ，但
小于动楔块在插入过程中的最大插入力 Fｉｍａｘ，由于
通过以上分析，对比设计要求，可以得出：弹簧、 夹紧臂、动楔块的结构设计达到功能要求，压缩弹 簧、锁紧力的设计也符合要求。
４ 安装和应用要求
在实际试制应用中，其固定接口应根据具体的 设备进行设计，不应局限于螺栓连接，可以采用焊接 结构、整体结构等形式；其锁紧力可以根据具体的锁 紧要求，采用更换压缩弹簧、调整弹簧压缩长度等办 法来实现。本锁紧装置也适用于大型设备之间的锁 紧，只要重新按结构样式进行放大设计即可。
施加上述设定后，进行仿真分析，可以观察到动
楔块从插入到锁紧和装置解锁的整个模拟动画过程 （图 ７），根据实际工作状态，得出以下几个参数的分 析结果见表 ３。
图 ８ 曲线表示弹簧压力变化，图 ９ 曲线表示弹簧 变形位移，两曲线的变化趋势成反比例，随着动楔块 的插入，弹簧压缩，压力升高，当动楔块开始卡入夹紧 臂后，弹簧压缩夹紧臂夹紧动楔块，弹簧变形减小，压 力减小。图 １０ 显示了夹紧臂的张开、夹紧过程中的夹 角变化趋势。图 １１ 表达了插入力的变化趋势，在插入 开始阶段，需要对动楔块施加压力方能使夹紧臂张
Ｎ；Fｓ２ 为弹簧力，Ｎ；k 为弹簧刚度，Ｎ／ｍｍ；x 为锁紧时
弹簧压缩量，ｍｍ。
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联立（５）、（６）、（７）式可求得：
之间的位移约束。
设
Fｓ＝２kxｓ
sin（81.47°+ γ） sin（8.53°＋ γ）
夹紧臂 ２ 分开，动楔块 １ 插入；当动楔块 １ 的上端肩
部斜面到达夹紧臂 ２ 的 γ 角斜面时，弹簧 ３ 压缩夹
紧臂 ２ 将动楔块 １ 夹紧，实现锁紧的功能；解锁时，
各件反向动作。这样，在不改变部件之间相对移动的
前提下，仅在接口部位安装此装置即可轻易实现锁
紧与解锁。
在图 １ 中，动楔块依靠外力 Fｉ 沿直线插入到两
本装置建模后，经过简化模型，去除弹簧和不 必 要 的 螺 栓 、螺 母 、垫 圈 、锁 片 和 开 口 销 等 零 散 部 件，然后使用转换工具 ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ／Ｐｒｏ ２００５，将其 导入到 ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ ＭＤ Ｒ２ 中进行运动仿真分析 （图 ５）。
在 ＡＤＡＭＳ 中对整个装置进行约束、参数设定 （图 ６），具体如表 ２。
关键词：楔形；锁紧装置；Pro/E；ADAMS
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
在工程机械领域，考虑安全性及使用可靠性要 求，有很多设备部件需要进行锁紧。当前普遍采用的 螺栓联接，在实际应用中存在安装、拆卸不方便的缺 点，尤其在紧急情况下需要立即投入工作状态的装 置，用螺栓联接时不能实现快速解锁及锁紧，严重影 响了工作效率，可能导致发生意外。为了更好地解决 固定部件和移动部件之间的锁紧问题，设计开发了 楔形锁紧装置，该锁紧装置依据锁紧楔面之间的角 度差和由弹簧压缩产生的摩擦力进行锁紧，能满足 固定部件和动作部件之间的快速解锁及锁紧需要， 作业稳定性好，结构简单，使用方便，成本低。
整体采用夹板式双压缩弹簧夹紧臂结构模式， 上下夹板起框架作用，夹紧臂、弹簧内外座及固定装 置安装在两夹板之间。压缩弹簧压紧夹紧臂，依靠夹 紧臂斜面与动楔块斜面之间的摩擦力实现运动部件
压力可调范围 ／Ｎ
轴向最大锁紧力 ／Ｎ
动作力
插入轴力 ／Ｎ 解锁轴力 ／Ｎ
外形（长×宽×高）／ｍｍ
安装接口
装配质量 ／ｋｇ
业出版社，２００２．
通信地址：山东省泰安市省庄镇文化路 泰安泰山工程机械 股份有限公司技术中心（271039） （收稿日期：２００８－０５－０７）
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｖｏｌ． ３9 Ｎｏ． 10
Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｉｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
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改进设计后，在实际使用中效果很好。
［２］ ＪＧ／Ｔ５１１７－１９９９ 液压挖掘机工作装置用销轴［Ｓ］．
设
［３］ ＪＧ／Ｔ５１１８－１９９９ 液压挖掘机工作装置用销套［Ｓ］．
计
参考文献
计
［１］ 杜文靖，王国强，崔国华 ，等．液压挖掘机工作装置铰点 通信地址：包头市 内蒙古北方重型汽车股份有限公司技术
１．动楔块 ２．夹紧臂 ３．压缩弹簧（下同） 图 1 初始插入状态
作者简介：赵殿华（１９７７－），男，山东德州人，工程师，主要从事机械设计工作。
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Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
设 计
计 算
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
·
图 2 最大卡紧状态（单侧）
动楔块 １ 的侧向分力推动而压缩两侧的弹簧 ３，两
算
轴和轴套间隙计算模型［Ｊ］．农业机械学报，２００７（０８）．
中心（014030）
（收稿日期：２００８－０５－２２）
·
!!!!!!"
楔形锁紧装置的设计
!!!!!!"
赵殿华 １，赵泽超 １，李兰英２ （１．泰安泰山工程机械股份有限公司；２． 泰安航天特种车有限公司）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
工业出版社，２００４． ［３］ 陈立平，张云清，任卫群，等． 机械系统动力学分析及
ＡＤＡＭＳ 应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ［４］ 张英会，刘辉航，王德成． 弹簧手册［Ｍ］．北京：机械工
参考图 图８ 图９ 图 １０ 图 １１
— ４４ —
图 8 弹簧压力 图 9 弹簧变形
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
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计 算
·
图 10 夹紧臂摆角
开，在动楔块完全进入卡紧槽后，由于弹簧对夹紧臂 施加压力，使夹紧臂斜面对动楔块的斜面产生附加的 夹紧力，此时不需要对动楔块施力即可将其锁紧。在 图 １１ 中存在锯齿形冲击曲线，这是由于锁紧或解锁 动作较快，压缩弹簧引起自身振动所致。
（８）
式（８）中 xｓ可以通过调节弹簧座来调节，为求 γ
各配合参数设定如表 １。
表 1 配合参数
·
计
计 算
也将其看作定值。
项目
参数
对（８）式利用求导方法求得：当 γ＝４５°时，Fｓ 取
动楔块
插入角度 ／ °
８１
最大值 Fｓｍａｘ＝２kxｓ，这也是解锁时的拉出力，与弹簧的 刚度及变形量相关。
锁紧角度 ／ ° 插入角度 ／ °
中，考虑零件结构特征及工艺性要求，设定 α=
81.47° ， β =81° 进 行 设 计 验 证 ， 此 时 插 入 力
Fｉ＝０．６０２kxｉ。
在图 ２ 中，随着动楔块向内插入，夹紧臂摆角加
大，在图示位置时摆角达到最大值，压缩弹簧的压力
也达到最大值 Fｓｍａｘ，此时由力矩平衡知：
Fｓｍａｘ×d２＝Fｍａｘ×d１，而 Fｓｍａｘ＝kxｍａｘ
夹紧臂组成的斜面卡槽中，为了起到省力的目的，动
楔块的头部夹角 β（０＜β＜１８０°）和两夹紧臂组成
的夹角 α（０＜α＜１０８°）应保持 β＜α 的关系。压缩
弹簧施加压力 Fｉ２，控制动楔块与夹紧臂接触，动楔
块与夹紧臂之间存在摩擦力，取摩擦系数 f＝０．１５，其
受力计算如下：
Fｉ
=2Fｉ（１ ｓｉｎ
β ２
在动楔块插入过程中同时存在直线运动、斜面接触
运动，其插入力 Fｉ 变化较复杂，有待经过设计仿真
计算得出。
在锁紧位置：
Fｉ
=2Fｉ（１ ｓｉｎ
γ ２
＋
f
ｃｏｓ
γ ２
）
（５）
Fｉ２
=2Fｉ１′（ｃｏｓ
γ ２
＋
f
ｓｉｎ
γ ２
）
（６）
Fｉ２ ＝kxｉ
（７）
式中：Fｓ 为动楔块锁紧力，Ｎ；Fｓ１＝Fｓ１′为接触压力，
４５ ８１．４７
综上计算可得，动楔块及加紧臂的关键参数设
夹紧臂
锁紧角度 ／ °
４５
定为 α=81.47 °，β＝８１° ，γ＝４５°，锁紧力大于插入力。
插入角度 ／ °
０～２０
工作压力范围 ／Ｎ
０～８００
２ 结构设计
压缩弹簧 行程位移 ／ｍｍ
０～３０
将楔形锁紧装置在 Ｐｒｏ／Ｅ Ｗｉｌｄｆｉｒｅ ２．０ 中进行结 构建模，总装配效果见图 ４。
备注 旋转轴 相对平移 固定 接触运动 压缩弹簧 运动设定 夹紧臂摆角 动楔块位移 弹簧压力变化 动楔块轴向力 弹簧位移变化
图 7 仿真过程截图 表 3 参数分析结果
序号
零件 ／ 参数
１ 压缩弹簧
压力 ／ Ｎ 位移 ／ｍｍ
２ 夹紧臂 摆角 ／ （°）
３
动楔块 ／ 轴向力 ／Ｎ
结果 ７７．９～７７８．４ １～－２４．０２ ９９．５～１１９．８ －７２５～２ １３２
β） α）
（４）
由 （４） 式可看出，xｉ 可以通过调节弹簧座来调 节，为求 α、β 可将其看作定值。当 α 一定时，β= 8.53°时 Fｉ 取最大值，这不是所需要的；当 β 一定时， α=81.47°时 Fｉ 取最小值，此时插入力最小，且与弹簧
图 3 锁紧状态
的刚度及变形量相关；又由于 β＜α ，在本装置设计
０～１ ５００ ２ ０００ ８２０ １ ５００
２０８×１５０×８０ 底板，螺栓固定
６．３９
１．活动轴 ２．销轴 ３．动楔块 ４．压缩弹簧 ５．弹簧座轴 ６．上夹板 ７．下夹板 ８ ．摆臂轴 ９．限位销轴 １０．锁片 １１．螺栓 １２．弹簧外座 １３．弹簧内座 １４．夹紧臂
图 4 楔形锁紧装置建模图
３ 运动仿真分析
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设 计
计 算
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图 5 ADAMS 简化模型
图 6 前置参数设定
序号 １ ２ ３ ４ ５ ６
７
约束类型 Ｊｏｉｎｔ：Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｊｏｉｎｔ：Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｉｎｔ：Ｆｉｘｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｐｒｉｎｇ ｄａｍｐｅｒ Ｐｏｉｎｔ ｍｏｔｉｏｎ
摘 要：为了更好地解决固定部件和移动部件之间的锁紧问题，设计了一种新型楔形锁紧装置，其工作 原理是依靠楔形块之间的静摩擦力来约束两个具有相对运动部件之间的运动。对装置的动楔块、夹紧臂等关 键部件进行理论力学计算分析，优化关键参数。将楔形锁紧装置在 Ｐｒｏ／Ｅ 中进行结构建模，设定工作参数后 在 ＡＤＡＭＳ 中进行运动仿真分析，验证楔形锁紧装置设计的可行性，获得模拟样机数据，提高了样机试制精 确度，缩短实验周期，有效解决了工程机械领域设备中快速锁紧问题，保证设备安全及使用可靠。
Ａｎｇｌｅ Ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｐｏｉｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｆｏｒｃｅ
Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
表 2 装置约束参数设定 施加体 夹板－外弹簧座、夹紧臂－内弹簧座夹紧臂－夹板 动楔块－夹板 上夹板、下夹板、内弹簧座－夹紧臂 动楔块－夹紧臂 内弹簧座－外弹簧座 动楔块 夹紧臂－夹板 动楔块－夹板 压缩弹簧 动楔块 压缩弹簧
５ 结论
通过对楔形锁紧装置进行结构建模设计，设定
图 11 插入力
工作参数后在 ＡＤＡＭＳ 中进行运动仿真分析，验证 楔形锁紧装置设计的可行性，获得模拟样机数据，提 高了样机试制精确度，缩短了试验周期，有效解决了 工程机械领域设备中快速锁紧问题，保证设备安全 及使用可靠。
参考文献 ［１］ 范成建．虚拟样机软件 ＭＳＣＡＤＡＭＳ 应用与提高［Ｍ］．
＋
f
ｃｏｓ
β ２
）
（１）
Fｉ２
=Fｉ１′（ｃｏｓ
α ２
＋f
ｓｉｎ
α ２
）
（２）
Fｉ２ ＝kxｉ
（３）
式中：Fｉ 为动楔块插入力，Ｎ；Fｉ１＝Fｉ１′为接触压力， Ｎ；Fｉ２ 为弹簧力，Ｎ；k 为弹簧刚度，Ｎ／ｍｍ；xｉ 为弹簧压 缩变化量，ｍｍ。
联立（１）、（２）、（３）式可求得：
Fｉ
＝２kxｉ
sin（81.47°+ sin（8.53°＋
１ 工作原理
楔形锁紧装置主要利用楔形块之间的静摩擦力 来约束两个具有相对运动部件之间的运动，其工作 原理如图 １～图 ３ 所示。动楔块 １ 固定在移动部件 上，夹紧臂 ２ 和弹簧 ３ 组合成静楔块架并固定在非 移动部件上，工作时，在移动部件带动动楔块 １ 插入 到静楔块架过程中，楔块架的两夹紧臂 ２ 被来自于
式中：Fｓｍａｘ 为弹簧最大压力，Ｎ；Fｍａｘ 为最大接触压力，
Ｎ；k 为 弹 簧 刚 度 ，Ｎ／ｍｍ；xｍａｘ 为 弹 簧 最 大 压 缩 量 ，
ｍｍ。
在图 ３ 中，动楔块完全插入到位，实现了锁紧，
设锁紧夹角为 γ，其锁紧力 Fｓ 大于初始插入力 Fｉ，但
小于动楔块在插入过程中的最大插入力 Fｉｍａｘ，由于
通过以上分析，对比设计要求，可以得出：弹簧、 夹紧臂、动楔块的结构设计达到功能要求，压缩弹 簧、锁紧力的设计也符合要求。
４ 安装和应用要求
在实际试制应用中，其固定接口应根据具体的 设备进行设计，不应局限于螺栓连接，可以采用焊接 结构、整体结构等形式；其锁紧力可以根据具体的锁 紧要求，采用更换压缩弹簧、调整弹簧压缩长度等办 法来实现。本锁紧装置也适用于大型设备之间的锁 紧，只要重新按结构样式进行放大设计即可。
施加上述设定后，进行仿真分析，可以观察到动
楔块从插入到锁紧和装置解锁的整个模拟动画过程 （图 ７），根据实际工作状态，得出以下几个参数的分 析结果见表 ３。
图 ８ 曲线表示弹簧压力变化，图 ９ 曲线表示弹簧 变形位移，两曲线的变化趋势成反比例，随着动楔块 的插入，弹簧压缩，压力升高，当动楔块开始卡入夹紧 臂后，弹簧压缩夹紧臂夹紧动楔块，弹簧变形减小，压 力减小。图 １０ 显示了夹紧臂的张开、夹紧过程中的夹 角变化趋势。图 １１ 表达了插入力的变化趋势，在插入 开始阶段，需要对动楔块施加压力方能使夹紧臂张
Ｎ；Fｓ２ 为弹簧力，Ｎ；k 为弹簧刚度，Ｎ／ｍｍ；x 为锁紧时
弹簧压缩量，ｍｍ。
— ４２ —
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
工程机械
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
联立（５）、（６）、（７）式可求得：
之间的位移约束。
设
Fｓ＝２kxｓ
sin（81.47°+ γ） sin（8.53°＋ γ）
夹紧臂 ２ 分开，动楔块 １ 插入；当动楔块 １ 的上端肩
部斜面到达夹紧臂 ２ 的 γ 角斜面时，弹簧 ３ 压缩夹
紧臂 ２ 将动楔块 １ 夹紧，实现锁紧的功能；解锁时，
各件反向动作。这样，在不改变部件之间相对移动的
前提下，仅在接口部位安装此装置即可轻易实现锁
紧与解锁。
在图 １ 中，动楔块依靠外力 Fｉ 沿直线插入到两
本装置建模后，经过简化模型，去除弹簧和不 必 要 的 螺 栓 、螺 母 、垫 圈 、锁 片 和 开 口 销 等 零 散 部 件，然后使用转换工具 ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ／Ｐｒｏ ２００５，将其 导入到 ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ ＭＤ Ｒ２ 中进行运动仿真分析 （图 ５）。
在 ＡＤＡＭＳ 中对整个装置进行约束、参数设定 （图 ６），具体如表 ２。
关键词：楔形；锁紧装置；Pro/E；ADAMS
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在工程机械领域，考虑安全性及使用可靠性要 求，有很多设备部件需要进行锁紧。当前普遍采用的 螺栓联接，在实际应用中存在安装、拆卸不方便的缺 点，尤其在紧急情况下需要立即投入工作状态的装 置，用螺栓联接时不能实现快速解锁及锁紧，严重影 响了工作效率，可能导致发生意外。为了更好地解决 固定部件和移动部件之间的锁紧问题，设计开发了 楔形锁紧装置，该锁紧装置依据锁紧楔面之间的角 度差和由弹簧压缩产生的摩擦力进行锁紧，能满足 固定部件和动作部件之间的快速解锁及锁紧需要， 作业稳定性好，结构简单，使用方便，成本低。
整体采用夹板式双压缩弹簧夹紧臂结构模式， 上下夹板起框架作用，夹紧臂、弹簧内外座及固定装 置安装在两夹板之间。压缩弹簧压紧夹紧臂，依靠夹 紧臂斜面与动楔块斜面之间的摩擦力实现运动部件
压力可调范围 ／Ｎ
轴向最大锁紧力 ／Ｎ
动作力
插入轴力 ／Ｎ 解锁轴力 ／Ｎ
外形（长×宽×高）／ｍｍ
安装接口
装配质量 ／ｋｇ
业出版社，２００２．
通信地址：山东省泰安市省庄镇文化路 泰安泰山工程机械 股份有限公司技术中心（271039） （收稿日期：２００８－０５－０７）
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
Ｖｏｌ． ３9 Ｎｏ． 10
Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｉｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
工程机械
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
改进设计后，在实际使用中效果很好。
［２］ ＪＧ／Ｔ５１１７－１９９９ 液压挖掘机工作装置用销轴［Ｓ］．
设
［３］ ＪＧ／Ｔ５１１８－１９９９ 液压挖掘机工作装置用销套［Ｓ］．
计
参考文献
计
［１］ 杜文靖，王国强，崔国华 ，等．液压挖掘机工作装置铰点 通信地址：包头市 内蒙古北方重型汽车股份有限公司技术
１．动楔块 ２．夹紧臂 ３．压缩弹簧（下同） 图 1 初始插入状态
作者简介：赵殿华（１９７７－），男，山东德州人，工程师，主要从事机械设计工作。
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Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
设 计
计 算
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 １０ 月
·
图 2 最大卡紧状态（单侧）
动楔块 １ 的侧向分力推动而压缩两侧的弹簧 ３，两
算
轴和轴套间隙计算模型［Ｊ］．农业机械学报，２００７（０８）．
中心（014030）
（收稿日期：２００８－０５－２２）
·
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楔形锁紧装置的设计
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赵殿华 １，赵泽超 １，李兰英２ （１．泰安泰山工程机械股份有限公司；２． 泰安航天特种车有限公司）
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