一种快速连接机构的设计与分析*

2018-06-04薛萌萌梅瑞麟曹煜晖王中任

机械工程与自动化 2018年3期

晏涛,薛萌萌,梅瑞麟，曹煜晖，王中任

(1.湖北文理学院机械工程学院,湖北襄阳 441053; 2.航宇救生装备有限公司,湖北襄阳 441003)

0 引言

运输机、直升机、装甲运兵车等现代装备作为通用运输平台时，往往需要根据不同的执行任务快速加装机载设备，如运输机上加装救护担架，直升机上加装医疗挂架，装甲运兵车辆上加装防雷座椅等设备，这些加装任务都要求加装设备可在5 min～15 min内完成加装和拆卸，且要求设备连接安全可靠并可承受4g～20g的加速度过载[1-2]。

目前机载设备往往通过快卸销、快卸螺栓、联动夹紧机构等实现快速连接，但是这些传统的快速连接方式往往需要在连接件与被连接件上设计专门的单耳或双耳接头，如快卸销的使用，或者配备专用的拆装工具，且承载力有限，安装一致性差，安装后容易卡滞导致拆装费时费力[3]。为解决机载设备的快速安装和拆卸，本文设计了一种快速连接机构，该机构克服了现有技术的缺陷，连接和拆卸时无需操作工具，使用方便、连接可靠、承载能力强。该快速连接机构可适用于机床夹具的安装与拆卸、工件与工装的快速连接等场合，并可单个使用或成组使用，单个使用时连接件可相对于被连接件自由旋转。

1 快速连接机构结构与工作原理

1.1 快速连接机构结构

快速连接机构包括连接头1和锁定组件2，如图1所示，有松开和锁定两种工作状态，如图2所示。连接头包括相互连接的连接板1和锁定头3，锁定头为圆柱状，其侧壁设置有C形环槽。锁定组件包括定位球4、锁定环5、限位环6、固定块7和外套8；外套为一圆柱形金属套，外套的上口为半开放结构，上口的中间位置设置有刚好供锁定头3通过的通孔，下口开放并在下口内侧缘设置有定位槽；固定块7固定在外套8底部，包括底部的定位面和凸起的固定环形面，定位面的边缘与定位槽相配合，固定环卡接在外套内部。

锁定环5设置于固定块7的上方，锁定环5与设置于外套8外部的锁定手柄11连接，锁定手柄11可带动锁定环5在外套8内上下移动，限位环6设置于锁定环5和固定块7包合而成的空腔内，限位环与固定块之间设置有弹簧9，限位环的顶部外侧缘设置有半球面，半球面、锁定环上缘和外套上口的内壁之间组成的空间内设置有一圈定位球4。连接板与连接件相连，固定块与被连接件连接。

1-连接头；2-锁定组件；3-被连接件；4-连接件

1.2 工作原理

快速连接机构使用时先将连接板1与连接件相连，固定块7与被连接件连接，然后将锁定头3插入锁定组件的上口，锁定头3下压后将定位球4向两侧挤压，并使限位环6向下移动；此时再转动锁定手柄11使锁定环5向上移动，锁定环的上缘插入定位球4与外套8的内壁之间，使定位球4挤压在锁定头3侧壁的C形环槽和锁定环5之间，C形环槽、锁定环5和外套8内壁对定位球4形成较大的挤压力，同时也给锁定头3提供强大的锁紧力[4]，将锁定头牢固地固定在锁定组件中；当需要分离连接机构时，首先转动锁定手柄11使锁定环5向下移动，撤去锁定环5上缘对定位球4的挤压力，再将锁定头3从锁定组件中退出，此时由于锁定头3对限位环6的压力撤去，限位环6在弹簧9回弹力的作用下向上运动至定位球下方，使定位球4可以固定在半球面、锁定环5上缘和外套8上口的内壁之间组成的空间内。

2 关键设计与特点分析

2.1 关键设计

当连接件和被连接件需要频繁安装拆卸时，直接将锁定组件和连接头分别固定在连接件和被连接件上，并将连接头放入锁定组件的空腔内，旋转锁定手柄时锁定环将定位球挤压至锁定头的C形环槽内，环槽与定位球配合来实现连接头和锁定组件之间的轴向锁定，因此连接时手动操作即可，无需使用操作工具，拆卸时同样通过旋转锁定手柄即可完成连接头和锁定组件之间的分离，连接、拆卸快速方便。

为了实现手动锁定，在外套的侧壁上设置有通透的传动杆导槽G(外套剖视图如图3所示)，锁定环的外侧壁上设置有凹槽K(锁定环结构示意图如图4所示)，外套的外部设置有环形的锁定手柄，锁定环和锁定手柄通过穿过导槽G的传动杆相互连接，即传动杆一端固定在锁定手柄中，另一端穿过导槽G后卡接在凹槽K中；导槽G的起点在外套侧壁上的高度低于终点，起点和终点的高度差等于锁定环可在外套内部上下移动的最大距离。

1-连接板；2-内六角螺钉；3-锁定头；4-定位球；5-锁定环；6-限位环；7-固定块；8-外套；9-压缩弹簧；10-传动杆；11-锁定手柄

在转动手柄的过程中锁定环的L斜面被固定块(如图5所示)上的凸缘Q沿斜面顶起，将锁定环的转动位移分解转换为轴向直线位移，此时锁定环上的锥面M将定位球挤压至锁定头的C形环槽内，外套、C形环槽、定位球、锁定环四个零件相互配合来实现连接头和锁定组件之间的轴向锁定。

H-凸台二；J-定位槽；G-传动杆导槽K-转动杆凹槽；L-斜面；M-锥面 P-弹簧导向柱；Q-凸缘；R-定位面

2.2 特点分析

该快速连接机构具有以下特点：

(1) 当连接件和被连接件快速安装与拆卸时仅需手动操作即可，无需使用操作工具，连接、拆卸快速方便。

(2) 限位环上的半球面和压缩弹簧配合来防止定位球掉落，未设置定位球防磨套，使定位球可以自由运动，减小了摩擦，使锁定手柄旋转更省力。

(3) 锁定头的环槽处布置了一圈定位球，提供了强大的锁紧力，且载荷分布很均匀；定位球与外套、限位槽、锁定头接触受力的三点近似于一个等边三角形，受力分布良好，使三点力均匀分布，避免了应力集中。

(4) 该机构体积小、重量轻，可单个使用或成组使用，单个使用时仅限定轴向位移，锁定头可自由旋转，可任意方向装入锁定组件并实现锁定，极大地提高了安装效率，连接件可相对于被连接件自由旋转，该使用方案已在某型潜艇座椅上使用，实现了座椅的旋转功能。多个快速连接机构成组使用情形如图6所示，该方案可应用在各种需要快速连接的结构中。