襄职院+破障钳设计说明书.doc

襄樊职业技术学院
编号
鄂创新---10---

2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛
暨第四届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛

破障钳
设计说明书

参赛学生： 苗典武、张春善、贾岚奎

指导教师： 张国豪、 张晓红

襄樊职业技术学院
二0一0年四月
2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第四届
全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛作品报名表
参赛作品名称
破障钳
作品类别
救援、破障类、逃生、避难类□
是否属慧鱼组：是□/否
所在学校
襄樊职业技术学院
邮政编码
441050
参赛学校领队老师
张晓红
通讯地址
襄樊职业技术学院机械电子信息工程学院机械教研室
领队电话
13972064868
手机
13972064868
Email
549175073@
参赛学生
序号
姓名
性别
专业班级
联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一个同学的即可）
1
苗典武
男
机制0802
苗典武
襄樊职业技术学院机械电子信息工程学院机械设计与制造0802 Tel:[phone]
Email :1241972850@
2
张春善
男
机制0802
3
贾岚奎
男
机制0802
指导教师
序号
姓名
性别
职称
联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一位老师的即可）
1
张国豪
男
讲师
张晓红:13972064868
2
张晓红
女
副教授
作品内容简介
（限200字以内）
经过大量调研，发现消防队使用的大型破障器材（如液压剪扩器）过于沉重、不易单人携带且在特殊环境（如高空等）内不易操作；小型的破障器材（如绝缘剪）剪切力小，不能直接扩张等缺点。在此情况下设计了多功能破障钳。
本作品采用直齿圆锥齿轮减速增力机构放大手摇力，并通过丝杠螺母机构的螺母沿丝杠轴线移动实现钳口的剪切与破障的功能。
经计算钳口的最大张力为0.8吨，最大张口为200mm，距中心销40月牙形剪口处最大剪力为2.2吨.可以剪断材料为Q235 =12圆柱型钢筋。
此破障器主要针对复杂环境下的破障救援，如地震、车祸现场和狭小的作业环境等大型的液压破障器材使用受限的情况下，发挥它小巧轻便的优势，实施快速救援。
目 录

设计背景 1
一 主要功能及工作原理 2
二 设计方案 4
三 方案对比 7
四 运动轨迹分析 7
五 创新点 8
六 作品市场前景和运用价值 8
七 参数计算 10
八 设计心得与体会 26
九 设计参考文献 27

襄樊职业技术学院
设计背景
随着环境不断恶化和机动车保有量持续增长，近几年自然灾害和道路交通事故频发。
场景1：高速公路上，两辆车相撞。车体严重变形，人员被困，其中有人出血较多，有人报警，等待救援。此时若车上备有专业设备剪开汽车变形蒙皮或破开车门，将人员救出，由其它车辆送往医院，将最大程度的节省时间，挽救生命。
场景2：一高楼失火，人员被困。消防队员通过绳索爬到着火事故的门前，但苦于没有合适工具而无法撬开房门。消防队员被迫由窗户进入房间，但防盗窗有一定强度，随身携带的绝缘剪不能将其快速有效剪断，因此耽搁不少宝贵的救援时间。
场景3：汶川地震，很多人被困在废墟下面，虽然断裂的预制板钢筋已经暴露出来，但是藕断丝连的钢筋却令被困者由于没有剪切或扩张器材而无计可施。外面的人同样苦于没有合适的工具而无法将被困人员快速救起。
在这些灾害现场，如果有一些方便携带而又承载能力大的破障器材，就可以在最短的时间内为保障人身生命以及财产安全起到极为有力的作用，最大限度减小损失。因此以消防队为突破口进行调研。在调研中发现对于破障器材的使用存在这样一个问题：
1.大型破障器材（如液压剪扩器）过于沉重、不易单人携带、高空随身携带更为困难、另外，像液压剪扩器等大型破障器材属于专业器材，价钱昂贵普及率极低，不能更好的在发生灾害时扩大救援主体。

a. 液压剪扩器 b. 液压剪扩器动力
液压剪扩器
2.小型的破障器材（如绝缘剪）又存在剪切力小、不能扩张等缺点，另外高空使用需要寻找支点，不易操作且对人员体力消耗大。

绝缘剪
以这些问题为切入点设计了简单轻便、成本低，可以大量普及的破障钳。
一 主要功能及工作原理
1 主要功能：
1）张开破障：钳口前端的破障点可分开或破开障碍物（如汽车框架结构、防盗窗等），最大可提供8KN的破障力
2） 闭合剪切：钳口闭合可以剪断钢筋防护栏杆、汽车、火车车厢等金属或非金属结构，距离钳口40毫米的月牙形剪口处最大剪切力为22KN，即最大可以剪断的建筑用钢筋。
图1 破障钳结构简图
1--刃口 2—钳口；3—连杆；4—丝杠螺母 ；5丝杠 ；6—大直齿圆锥齿轮； 7—小直齿圆锥齿轮； 8—中心销；
2 工作原理：
当手摇动摇臂时齿轮减速增力机构首次放大手摇力，丝杠螺母机构再次放大手摇力，被放大的手摇力借助丝杠螺母的轴向位移通过连杆作用于钳口，使钳口绕中心销转动，当螺母远离中心销时钳口张开，实现扩张功能，当螺母靠近中心销时，钳口闭合，实现剪切功能，通过改变手柄旋转方向即可实现破障钳扩张与剪切功能。
二 设计方案
针对在消防队的调研情况设计了四套方案
1 方案一
采用液压式千斤顶的液压缸直接和钳口相连，以减少费力传动杆件的使用，达到扩大剪切与扩张力减轻重量缩小体积降低生产成本的效果。如图1所示：

图1 以液压千斤顶为增力装置的破障钳
2 方案二
采用机械式千斤顶的齿条部分与连杆相连接，以达到在无电气、液压泵的条件下也能实现剪切与扩张，如图2所示：

图2 以减速器为增力装置的破障钳
3 方案三
采用双曲柄机构，通过连杆把与齿轮相连曲柄的旋转运动传到与双向螺母相连的曲柄达到剪切与扩张功能。如图2所示：

图3 以减速器和双曲柄机构为增力装置的破障钳
4 方案四
采用滑动螺旋传动和齿轮减速机构两次放大手摇力，并通过轴向位移的螺母推动连杆实现钳口剪切与扩张功能。如图4所示：
图4 采用滑动螺旋转传动和减速锥齿轮为增力装置的破障钳
齿轮减速机构放大手摇力，曲柄滑块机构中滑块（丝杠螺母）作为主动件通过连杆驱动曲柄（钳身），实现钳口的剪切与破障的功能互换。该破障钳设计小巧，操作简单轻便，不需要液压电气等动力源，单人就可操作。适用于无电气等动力源、 操作环境狭小、人员紧缺、又急需破障的场合。该破障钳构造简洁紧凑，制造成本低，宜于广泛推广。该破障钳可在灾难降临的第一时间实施自救或临近人员就此施救，而不会由于缺少救援工具等待专业救援而延误或错失最佳时机。当发生火灾，交通事故，地震等灾害时，该产品可快速有效地剪断防盗门窗、钢筋防护栏杆、汽车、火车车厢等金属或非金属结构，来救护被困于受限环境中的受害人或抢救处于危险环境中的受害物，达到救护或救灾的目的。是消防队、交警队、工矿企业以及其他救灾抢险部门必备的破拆工具。
三 方案对比
1 方案一有如下缺点：
1）液压千斤顶的使用受方向性限制，如不能倒置使用。
2）对液压缸的刚性要求较高。
3）对小角度范围内的障碍物无法进行张开破障操作。
2 方案二有如下缺点：
1）机械式齿条千斤顶使用的齿轮减速机构复杂且制造成本较高。
2）需要小而精密的部件，另外效率不高。如，当摇杆转动四转，齿条轴向位移仅为15mm。
3 方案三有如下缺点：
1）双曲柄机构结构制造复杂安装精度要求高。
2）与螺母相配合的曲柄运动和钳口发生干涉。
4 方案四有以下特点：
1）采用滑动螺旋传动与齿轮减速机构两次放大手摇力使钳口剪切与扩张更加有力，传递效率适中钳身整体刚性好，部件较少，结构简洁紧凑。
2）产品的设计从实用性、制造成本、传递效率等因素考虑，方案四可操作性和实用性、制造成本都优于前三个方案，考虑到我们设计产品的创新点实现，方案四更加可行。
四 运动轨迹分析
机构的运动简图如下图所示C（手柄）为齿轮机构的主动件，其运动轨迹是以F为圆心C为半径的圆，当C顺时针转动时，齿轮转动滑块B在丝杠做上下运动，此时钳口在B的带动下绕O（销钉）转动，使钳口张开或闭合，当B滑到B1的时候D1与D2的距离为最大破障尺寸200mm（即钳口的最大开口）。

图5 机构传动及运动轨迹简图
五 创新点
1、采用齿轮减速机构和丝杠螺母机构两次放大手摇力实现强力剪切扩张功能，达到救援目的。
2、 一钳多用，钳口前端的大圆弧刃口用于剪开板材，钳口后端月牙形刃口用来剪断棒材，四方形钳口部分用来扩张。
3、钳口设计中的刃口采用防滑设计防止圆钢滑脱，刃口楔角既保证了足够强度又保证了锋利程度。
六 作品市场前景和运用价值
目前市场上大型的液压器材属于专业性器材普及率低，需要专人使用，如消防队员，在发生灾害的需要救援的情况下只有等消防队到达进行救援，不能实施自救。小型的破障器材虽然普及但是人力难以产生很大的剪切力。我们的优势是：
1.该破障钳设计小巧，操作简单轻便，制造成本低，维护简单，不需要液压电气等动力源，单人就可操作。
2.最大手摇力仅为10Kg，可广泛推广，扩大潜在救援主体，在发生灾害的情况下可直接实施自救和临近非专业人员施救，最大限度节省救援时间保障人身财产安全；
3. 是消防队、交警队、工矿企业以及其他救灾抢险部门必备的破拆工具。

七 参数计算
项目
计算公式
结果
1.丝杠及其附件的设计计算

3.齿轮设计计算

4.销钉部分的计算

5.轴的设计计算

键的设计计算

（1） 受力示意图

当时

当时

（2）螺旋传动螺杆中直径
F---轴向载荷（N） 滑动螺旋副的许用压强 Mpa
梯形螺纹 =7.5～13 Mpa
整体螺母 =1.2～2.5
取（3）螺母高度H：

(4)旋合圈数Z：

(5)螺纹工作高度h：

(6)工作压强P：
=7.5~13Mpa
(7)螺纹升角：

(8)当量应力：

螺杆材料的许用应力
T—螺杆传递扭矩

=60~120Mpa
(9)驱动转矩：
为螺纹力矩N·M 为轴承摩擦力矩N·M 取1

(10)螺纹牙底宽度：

（11）螺杆的剪切强度：
Mpa

（12）螺杆的弯曲强度：

（13）螺母的剪切强度：

（14）螺母的弯曲强度:

（15）临界载荷：
因为
L—螺杆的最大工作长度
—长度系数
故采用 （未淬火钢）

满足使用条件故不用增加
（16）轴向载荷使导程产生的变形：

=2.7
钢
（17）转矩使导程产生的变形 ：

G螺杆材料的切变模量，对于钢
（18）导程的总变形量：

(19)当轴向载荷与运动方向相反时取“+”号

(20)效率：
轴向载荷与运动方向相反时取“+”

即该螺旋传动的效率为28%，符合螺旋传动的效率较低，一般在20%~50%的取值范围
（21）螺杆材料及选用
材料
热处理
应用
45、50
Y40Mn

轻载、低速、转动不高的传动
45
正火
170—200HBS；调质220—250HBS
中等精度的传动
由于该处螺旋传动的丝杠虽传动精度不高，但受力面积较大，故采用45#正火+调质钢。
（1）齿形角、齿高系数、齿高系数顶隙系数
根据渐开线圆锥齿轮的常用齿形制可知直齿圆锥齿轮的参数
齿形角
齿高系数
顶隙系数=0.2
假设手摇转速为（即小齿轮转速），大齿轮转速，小齿轮转速的转矩轴交，均采用表面淬火。
工况系数，由工况系数表得
接触强度的齿向载荷分布系数由齿向载荷分布系数表可得
（2）齿数比
初定小齿轮大端分度圆直径
初定小齿轮分度圆直径
（3）小齿轮齿数

确定小齿大端模数
确定小齿轮直径复算小齿轮分度圆直径
（4）分锥角：
°

（5）锥距R：

齿宽系数

齿宽b:
取齿宽系数
所以取b=15mm
（6）平均分度圆直径

（7）中锥距：

（8）平均模数

（9）齿顶高:

（10）齿根高：

（11）齿根角

（12）齿顶角

（13）顶锥角

（14）根据锥角：

（15）齿顶圆直径

（16）大端分度圆齿厚：

（17）大端分度圆弦齿厚：

（18）大端分度圆弦齿高：

（19）当量齿数

(20)变位系数

(21)标准圆锥齿轮传动的最小齿数

即不产生根切，可以不变位 即
分度圆上的圆周：

(22)动载系数
（5级系数）

(23)齿轮受到的径向力：

(24)齿轮受的轴向力：

(25)齿根弯曲强度校核：

调质钢表面淬火52HRC

（1）销钉部分（连接连杆的部分）
销钉选择45#钢
许用剪切应力
许用挤压应力
令
即半径

令
即

所以取 即
（2）中心销的强度计算：

（3）对中心销的受力分析
当为最大值时

即中心销剪力
已知中心销为45#钢
令

令

所以取
（1）选择轴的材料
破障器功率不大，又无特殊要求，故选用45号钢并正火处理。由轴的材料及其主要理学性能表可知 又 由轴的许用弯曲应力表可得
（2）按转矩 做轴的最小直径，由做轴的直径 由轴常用材料的的值和C值得C=118
又轴的标准直径（GB/T2822-1981）由于两个轴上有键槽，应加大5% 取

(3)校核强度
①计算齿轮作用力
圆周力
径向力
轴向力=36.365N
②计算垂直面内的约束反力和并做出垂直面内的

③计算垂直面内的约束反力和，水平面内的弯矩

④计算合成弯矩并作出合成弯矩M

计算转矩作出转矩T根据查轴的常用材料的
故得

⑤计算当量弯矩，当量弯矩

⑥校核轴的危险截面处的轴径

所以的最小截面处为13mm，取为15。
(1)键与键连接计算

采用平键连接
键的公称尺寸
每120mm质量（㎏）
键槽尺寸
轴径d
b
h
c\r
L
轴槽深t
毂槽深
圆角半径r
公称尺寸
偏差
公称尺寸
偏差
min
max
> 12-17
5
5
0.25-0.4
14-56
0.02
3.0
+0.10
2.3
+0.10
0.16
0.25
> 17-22
6
6
0.25-0.4
14-70
0.028
3.5
+0.10
2.8
+0.10
0.16
0.25

(2)键的强度计算：

经验证键的设计满足使用要求

F的最大值为15.69KN最小值为10.46KN

取螺杆传动螺杆中直径

取螺母高度H=42mm

取螺母旋合圈数Z=10.5mm

取螺母旋合高度h=2mm

螺纹工作压强=11.33Mpa

螺纹升角当量摩擦角

螺杆材料选择45#钢

螺纹力矩

取螺纹牙底宽度2.6mm

螺杆承受的剪切强度满足使用要求

螺纹承受的剪切强度满足使用要求

螺纹承受的弯曲强度满足使用要求

螺杆承受的载荷满足使用要求

初定小齿轮直径为

小齿轮齿数

大齿轮齿数

分锥角：=26.565°和=63.435°

锥距R=44.7327

平均分度圆直径

中锥距

平均模数

齿顶高

齿根角

齿顶角

顶锥角和

根据锥角 和

齿顶圆直径 和

大端分度圆齿厚

大端分度圆弦齿厚

大端分度圆弦齿高

当量齿数=18.18068和44.7727

变位系数=0.335

标准圆锥齿轮传动的最小齿数=15

动载系数

齿轮受到的径向力=289.735N和144.867N

齿轮受的轴向力=144.867N和289.735N

齿根弯曲强度校核=94.569Mpa<

=57.2846Mpa<

确定连杆销钉直径为8mm

确定中心销最大受力为13.5KN

确定R=5mm

材料为45#钢

直径=12mm

确定齿轮圆周力为179.1N
径向力66.47N
轴向力为36.365N

确定约束反力=37.5N
=29N
=2400N·mm
=1856N·mm

=89.6N
=5734.4mm
八 设计心得与体会
通过参加此次机械创新设计大赛，不仅使我们收获很多，明白很多，更加使我们懂得很多。收获了许多课本以外的很多知识，明白什么叫温故而知新，懂得什么叫团队，什么叫坚持。
1、在设计过程中，我们将所学的知识重新提炼并运用到真正的实践中，明白学以致用的真谛，并掌握了机械设计技能和要求。
2、我们体会了设计者的艰辛，了解设计过程中遇到的种种困难，因为这也是我们设计过程中所遇到的，而在面对艰辛与困难，我们要做的不是逃避而是勇敢的去面对，有勇气做到坚持到底，千万不能行百步而止于九十步，我们懂得做事一定要有团队精神，因为真正的团队是紧紧抱在一起的，否则那只能称作人群不叫团队。
九 设计参考文献
［1］张晓红·《机械设计基础》.武汉：华中师范大学出版社。
[2] 杨晓辉·《简明机械实用手册》.科学出版社。
[3] 张黎骅·郑严·《新编机械设计手册》.人民邮电出版社。
[4] 周开勤·《机械零件手册》.高等教育出版社。
[5] 王少怀·《机械设计师手册》.电子工业出版社。
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