绿色自动化工具

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摘 要：自动工具在生产、生活等各个行业中都具有广泛的需求与应用，文章介绍一种新型自动工具，该装置绿色无污染，只需要施加较小的力就能实现持续的大扭力输出。

关键词：自动工具；力扩大；位移放大

引言

电动工具是一种常见的工具，如论是在生活还是在工作中，具有广泛的用途，但电动工具都需要外接额外电源，达到驱动效果，这无疑会受到使用场地，环境等因素的影响。随着世界能源的紧张，倡导绿色生活，人们也在不断研究绿色自动工具。文章介绍一种采用力放大和位移放大原理的绿色自动工具。

1 设计思路

要实现自动的扭力输出，必须实现把使用人所提供的较小、较短时间的瞬时力转化成持续的大扭力输出，而且这种输出扭力必须是可调的。要实现这一功能就需要用到力放大装置使人所提供的力扩大到实际生活与生产所需要用到的力。而要实现持续的力输出，就必须使人在施加压力所提供的瞬时位移扩大到较长的位移变量，再把位移变化转化成扭力的输出，这样就能实现持续的一段时间的扭力输出。

2 工作原理

通过杠杆的压力角，圆角的斜切力或者其他方式放大输出力，再通过气缸&油压缸或者柔性铰链位移放大机构来实现位移放大，最后通过改变力传输的运动方式既直线运动转换为旋转运动来实现扭力输出要求。

2.1 力放大机构

工作原理图如下：其中图1为铰链杠杆增力机构，两侧1/2 Fi为输入力，F0为最终的输出力，增力系数：i=1/（tanα・tanβ・tanγ）

由于制造精度等原因，压力角的取值不可能很少，一般最少压力角为5度，加上摩擦，其压力角为6度左右，通常实际为10度左右，此时的i=1/tan10°=5.6，按照图1的3级串联机构力增大系数为175倍左右。按照人手的握紧力1N计算，F0的输出力为175N。

其中图2为铰链-斜锲的二次增力机构，其工作原理是在滑块上施加一个作用力Fi，滑块便推动铰链的上端向下移动。使角α减小，产生一次增力效果，铰链一端的滚轮在铰杆的作用下向两侧移动，滚轮与斜锲形成二次增力，同时对输出工件输出一个向下的作用力，当外力消失时在复位弹簧的作用下完成复位。

实际工程问题中，弹簧作用力极小，在具体计算时可以忽略不计，当不考虑摩擦力时，其增力系数：i=1+1/（tanα・tanβ），当α，β为10度时计算得i=33。

额定输出力的确定：只要通过控制图1中的压力角或者图2中的斜锲角度变更来改变输入力的变更来实现最终输出力的变更。

2.2 位移扩大机构

图3为内循环油压缸机构，当F0为输入力时，推动推动板，油压缸的顶杆会顶出。当移除输出力时，阁板会在复位弹簧的作用下复位。

输出位移比计算：π（1/2D）2・H=π（1/2d）2・hh=（D/d）2・H，既当D与d之比为10时，位移扩大系数为100；既当输入1cm时，最终能输出1m的实际长度。输出速度计算：当输入速度为V0时，顶杆的输出速度为Vi，基于空间体积一致，所以V0*π（1/2D）2=Vi*π（1/2d）2 计算得出V0：Vi=（d/D）2，既当D与d之比为10时，速度能增加100倍，满足输出时的高速输出要求。

通过位移放大可以实现增加旋转输出的持续时间。

2.3 改变运动方式

通过滚珠螺杆等结构形式，改变此装置的运动方式，把上下运动，改变为旋转运动。

此装置的工作原理：带螺旋导轨的顶杆上下运动带动滚珠在导轨做旋转运动从而带动套筒做旋转运动，而且套筒在旋转过程中还保持上下位置不变。

3 结束语

此装置节能环保，无需额外设备，有效利用场地，提供可调扭力大小，能满足超大扭力输出，适用场所广泛，满足户外施工需要。但在施加外力的过程中，由于压力角会不断变小，会造成输入力的逐渐扩大，要实现稳定力输出还需要增加额外的互补机构来实现。还需要不断的改善。

参考文献

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