夹紧组件 【技术领域】
本发明主要涉及一种夹紧组件，用于夹紧一接头，以连接多段管子，特别是一种包括致动器组件和夹紧环的夹紧组件。
背景技术
夹紧或挤压式接头通常为包含密封件的管套。接头沿径向受压以与管端接合。接头在管端之间形成防漏连接点。该连接点具有较大的机械强度并能自承重。夹紧工具及夹紧组件用于夹紧该接头。夹紧组件可包括受夹紧工具驱动的卡爪，用于直接夹紧该接头。另一种选择是，对于较大的接头，该夹紧组件可为具有臂的致动器组件，驱动夹紧环以夹紧接头。
参见图1，其中示出了根据现有技术的典型夹紧工具10、致动器组件18及夹紧环50的部件。可以看到，夹紧工具10及致动器组件18某些部分没有装配，这样可以显示相关细节。夹紧组件10包括一液压缸12，一液压活塞14，以及一接合件16，例如具有辊子17的支架。致动器组件18通过根据现有技术的公知方式连接到夹紧工具10上。致动器组件18包括第一和第二致动器臂20a及20b，第一和第二侧板40且其中一个未示出，以及枢销44。
每一致动器臂20a和20b包括一凸轮端22及一夹紧端24。凸轮端22包括一表面23，用于接触连接到液压活塞14的一端地接合件16中的一个辊子17。根据现有技术的表面23在用于不同的接头时，不能控制辊子17施加在其上的输入力与活塞14的位移之间的关系曲线。通常，现有技术的表面23包括一个由半径确定的部分，并包括一个由直线确定的部分。在本例中，臂20a和20b的夹紧端24连接到夹紧环50，以夹紧更大的接头。
夹紧环50具有多个环形部分，在本例中，夹紧环50具有两个部分52a和52b。每个上面都具有一凹口54，用于容纳臂20b和20b的夹紧端24。部分52a和52b通过销56枢接在一起。臂20a和20b的夹紧端24分别连接到部分52a和52b上。
在现有技术中，每个致动器臂20a和20b都设有凹槽34，最好如臂20b的剖面所示。凹槽34具有两个侧壁36，其一在臂20b的剖面中未示出。两个侧壁36分别确定一凹口36。致动器组件18包括一扭簧30和一销32。销32设置在扭簧30内。弹簧30和销32设置在臂20a和20b之间的凹槽34内。销32装入侧壁36上的凹口38中，以支持和固定弹簧30。弹簧30将夹紧端24偏压到一起，这样在放置到接头上时便于控制组件18和夹紧环50。
操作时，液压泵(未示出)在液压缸体12中产生液压力，使活塞14移动，并对着臂20a和20b压下接合件16的辊子17。辊子17与臂20a和20b的表面23接合，使臂20a和20b转动。根据辊子17在表面23上的压入角度，在夹紧结合中心线处可以测量到能够产生大约100kN的夹紧力。通常，夹紧时间大约为4秒，并且，从夹紧工具10的活塞14输出的液压力约为32kN，对夹紧组件18产生输入力。
当臂20a和20b受到与液压活塞14相连的接合件16的位移的驱动时，夹紧端24一起移动，以驱动夹紧环50。逐渐增加的夹紧力使部分52a和52b相对接头闭合。在一些实施例中，夹紧环50可以在夹紧端24上枢转，使操作者能够在某些障碍位置或可接近性受到限制的位置夹紧接头。
就象前面所说的一样，根据现有技术的夹紧组件的寿命和失效方式是令人难以接受的。致动器臂在夹紧时承受剧烈的力并会失效，这并非是所希望的。在现有技术中，夹紧组件具有连接到臂上的皮带，从而在它们失效时能保留在组件上。
另外，根据现有技术的夹紧组件并非总能在接头上实现理想的或接近理想的夹紧。换句话说，现有夹紧组件不能通过活塞位移对接头均匀施加夹紧力。而且，当用各种大小、材料或公差的接头，特别是当用直径更大的直到4英寸的接头时，现有技术的夹紧组件中受力与位移的关系曲线不可能稳定不变。
参见图2A-F，受力曲线图60a-f是利用现用技术中的致动器组件驱动通常的夹紧环夹紧各种尺寸的接头进行测试的结果中得到。在图2A-F中，对照与致动器组件接合的液压活塞的活塞位移(英寸)，绘出了施加在活塞14上的输入力。每个受力曲线图60a-f都包括三个夹紧操作的曲线。
受力曲线图60a-f分别示出利用现有技术的致动器组件驱动典型的现有技术夹紧环，在K型铜管上夹紧一2.5英寸的接头，在M型铜管材上夹紧一2.5英寸的接头，在K型铜管材上夹紧一3英寸的接头，在M型铜管材上夹紧一3英寸的接头，在K型铜管材上夹紧一4英寸的接头，在M型铜管材上夹紧一4英寸的接头的测试结果。在所有这些情况下，铜管的材料和几何结构都由用于无缝铜水管的标准规范ASTM B88进行规定。对于受力曲线图60a-f，0英寸处活塞位移对应于辊子16刚与臂20a和20b的表面23接触时的位置，同时夹紧环50接触未变形的接头。为间隙和开启致动器组件，可以知道通常在辊子16与表面23接触之前具有额外的2-3毫米的活塞位移。
每一受力曲线图60a-f包括一初始部62，一保持部64，及一倾斜部66。某些受力曲线图60a-f要求较大量的行程以完成保持部64。例如，图2A中的受力曲线图60a在达到20kN之前要求约0.6英寸的位移。图2B中的受力曲线图60b在达到20kN之前要求约0.7英寸的位移。当夹紧各种直径的接头时，某些受力曲线图60a-f在受力通常突破高于理想期望值处具有最大峰值。例如，图2D中的受力曲线图60d在约0.9英寸位移处包括一几乎达到30kN的最大值。当夹紧各种直径的接头时，某些受力曲线图60a-f的保持部64具有一比理想期望值通常更高的受力。例如，在图2C中的受力曲线图60c中，在26-28kN之间获得一水平部分。
在受力曲线图60a-f中，当夹紧各种直径的接头时，总行程(即液压活塞的位移)比理想期望值延伸更长的位移。现有技术的致动器组件和夹紧环要求过多的行程总量，近似超过1.4英寸，以夹紧2.5、3、4英寸的较大接头。与较小尺寸组件所用的行程量相比，如1/2英寸卡爪组件采用0.5英寸行程，2英寸的卡爪组件采用1.2英寸行程，这种超过1.4英寸的行程长度是多余的。
与通常的夹紧工具中所用的行程量相比，超过1.4英寸的行程长度也是过多的。例如，通常的夹紧工具的总的有用行程约为40毫米或1.57英寸，约36毫米或1.42英寸的行程可用于正常设计中适应制造公差并允许辊子和致动器臂之间有间隙。要求超过1.4英寸以上的行程长度，现有技术夹紧组件位于接近有用的行程限度。
除此之外，现有技术中用于夹紧3英寸接头的致动器组件和夹紧环在达到32kN的最终力之前表现出一种趋向过高峰值65的倾向。如图2D所示，峰值接近30kN。如果过早的峰值引发设定为32kN的卸压阀，该过早的峰值可能引起夹紧工具在用致动器组件和夹紧环形成一个完成的夹紧之前关闭。可以理解，根据所用的特定夹紧工具或夹紧工具的类型，并根据其它可变值中的一个可变数值，例如电压值，公差，以及温度影响，设定为32kN的卸压阀可在一个范围内变化。
本发明目的在于克服或至少减少上述的一个或更多问题。
【发明内容】
在本发明的一个方面，公开了一种改进的装置，应用一可移动件以驱动该装置。该装置包括一臂，可枢转地设置在该装置内，并具有一边缘。一轮廓，在所述边缘上确定，能够与所述可移动件接合。所述轮廓包括：一第一部，确定所述边缘的径向轮廓，一第二部，与该第一部邻接，并确定该边缘的一曲线轮廓，以及一第三部，与所述第二部邻接，并确定该边缘的一直线轮廓。
在本发明的另一方面，公开了一种臂，应用一可移动件以驱动该臂。该臂包括一第一端和与所述第一端邻接的一边缘。一轮廓，在该边缘上确定，并能够与所述可移动件接合。所述轮廓的至少一部分是由所述边缘的一非线性、非径向轮廓确定。在另一方面，所述的轮廓包括：一第一部，与所述第一端直接邻接，并由一半径确定，一第二部，与所述第一部邻接，并由一非线性、非径向轮廓确定，以及一第三部，与所述第二部邻接，并由一线性函数确定。
在本发明另一方面，公开了一种组件，应用一可移动件以驱动该组件。该组件包括一板、一销和一臂。该板确定一第一孔，该板具有一第一硬度。该销设置在该第一孔内，并具有一第二硬度。该板的第二硬度等于或大于第一硬度。该臂与所述板邻接设置，并确定一第一枢孔，用于该销。该臂可转动地设置在该销上，能够可转动地与所述可移动件接合。所述的臂具有一第三硬度，该第三硬度大于该第一硬度。该臂包括一最大截面高度，位于所述第一枢孔处。该板具有一边缘，确定一应力集中部，该应用集中部邻近该第一孔。所述的第一硬度约为洛氏硬度30-35Rc，所述的第三硬度约为洛氏硬度56-59Rc。
而在本发明的再一方面，公开了一种组件，应用一可移动件以驱动该组件。该组件包括一第一臂，设置在该组件内，一第二臂，设置在该组件内，以及一偏压件，设置在该组件内。该第一臂具有一第一端和与该第一端邻接的一第一侧部，所述第二臂具有一第二端以及一与该第二端邻接的第二侧部。所述偏压件设置在所述的臂之间。该偏压件具有一第一部，与所述第一侧部邻接，以及一第二部，与该第二侧部邻接。一第一销，设置在所述第一侧部上确定的一第一孔内。该第一销与所述第一部接合，以将所述偏压件固定在该臂之间。该第二侧部上的一第二销也设置在所述第二侧部上确定的一第二孔内，并能与该第二部接合，以将该偏压件固定在该臂之间。该偏压件为一片簧。
前述内容并非为了总结此处所公开的本发明的每一种可能的实施例或所有的方面。
【附图说明】
以下，通过对本发明具体实施例的详细说明并结合附图来更好地理解本发明的前述概要、优选实施例以及其它特征，其中：
图1示出根据现有技术的夹紧工具的部件，致动器组件和夹紧环；
图2A-F示出用曲线图表示的根据现有技术的致动器组件和夹紧环的受力与位移之间的关系的测试结果；
图3示出“理想”受力曲线图以及本发明的接近理想的受力曲线图；
图4示出本发明的致动器组件的一个实施例的分解视图；
图5A-B示出图4中的致动器组件的一个臂的不同视图；
图6A-C示出用曲线图表示的本发明的致动器组件的受力与位移关系的测试结果；
图7示出根据本发明的夹紧环的一个实施例的分解视图；
图8示出与根据现有技术的致动器臂相比，本发明的致动器臂的详细结构；
图9A-B示出图4中的致动器组件的侧板的不同视图。
虽然本发明允许各种修改和可选形式，但在附图中以实例示出了特定的实施例，并且在此将进行详细描述。然而，可以知道，本发明不受所公开的特定形式的限制。而且，本发明覆盖在附属权利要求所限定的本发明的范围内的各种变型，等同及备选方案。
【具体实施方式】
参见图3，图中示出了“理想”受力曲线以及本发明的近似理想的受力曲线。“理想”受力曲线70包括一初始段72，一保持部74，以及一终止段76。初始段72以最小的工具位移量达到夹紧力。保持部74约为关闭受力的75％，并且持续发生于机器位移的过程中。终止段76迅速达到夹紧工具的关闭受力，通常为32kN。通常，“理想”受力曲线70要求以小的行程或位移来完成夹紧。
本发明的近似理想的受力曲线80试图接近该“理想”受力曲线70。该近似理想的受力曲线80比该“理想”受力曲线80有较长的行程，因为该近似理想的受力曲线80要用更多的位移来完成相同的工作量以夹紧接头。然而可以理解，“理想”受力曲线70与本发明的近似理想受力曲线80之间存在的差别是由于许多变量引起的，包括部件偏差；公差的不同，温度影响，接头、致动器臂和夹紧环的材料，以及由金属塑性变形决定的因素。
本发明的近似理想受力曲线80包括一第一初始部82，一第二保持部84，以及一第三倾斜部86。初始部82由接头变形和工具偏差的即时变动决定。初始部82在达到保持部84的完全稳定的受力前最好要求很小的行程长度。倾斜部86最好迅速达到关闭受力。
为完成与图3中的近似理想受力曲线80相似的受力曲线，并提高夹紧组件的寿命，本发明在现有技术基础上作了许多改进。参见图4，以分解视图的形式示出了本发明的致动器组件100的一个实施例。在本实施例中，致动器组件100驱动一夹紧环(未示出)，如下面参照图7所要说明的夹紧环。尽管致动器组件100的该实施例是为了驱动夹紧环，本领域的普通技术人员可以理解，本发明的教导也可用于其它夹紧组件，例如，包括用以直接夹紧接头的卡爪组件。
致动器组件100包括致动器臂110，侧板130，枢销140，以及一偏压件150。致动器臂110基本上相同，每一致动器臂110包括一第一端或凸轮端112，一第二端或夹紧端114，以及一侧部119。每个臂110上还确定一穿过该臂的枢孔116，大致上垂直于臂100的纵向尺寸。致动器臂110设置在致动器组件100内，致动器臂的侧部119彼此邻接。偏压件或片簧150设置在致动器臂110之间并与侧部119邻接。
本发明的致动器臂110与弹簧150一起，在侧部119上确定孔118。固定销160设置在该孔118内，使弹簧150保持在臂110之间。用在侧部119内形成的台阶、肩部、或凹槽来保持弹簧是不必要的。象在现有技术中，台阶、肩部或凹槽会在臂110中产生一个大的应力集中点，导致过早断裂。
侧板130基本上相同，并彼此平行设置在臂110的两侧。每一侧板130上形成有枢孔132和134，并包括一个用于将组件100连接到一夹紧工具(未示出)的部分136。侧板130的相关细节在下文参考图9A-B进行讨论。枢销140设置穿过侧板130上的孔132和134，并穿过臂110上的孔116。挡圈142和144设置在枢销140的端部，将装置100固定在一起。
如上所述，夹紧工具中的可换接合件(未示出)中的辊子与致动器臂110的凸轮端112接触，使致动器臂110分别绕设在其枢孔116中的枢销140转动。一夹紧力产生并施加到与夹紧端114连接的夹紧环(未示出)上。与上面讨论的根据现有技术的致动器组件相比较，本发明的致动器臂110包括凸轮轮廓120，由它来控制相对于夹紧工具中的接合件的位移由在臂110上的夹紧工具施加的输入力。凸轮轮廓120能在许多不同尺寸的接头和夹紧环上产生一种比现有技术更加均一或稳定的受力曲线。因此，本发明的凸轮轮廓120能够在可移动接合件的位移上完全和均一地施加输出力。
致动器臂110的凸轮轮廓120确定了在活塞的给定位移处在臂110上大致上所要求的输入力。进而，凸轮轮廓120决定了夹紧环产生的最终输出力。为使受力曲线与图3中的“理想”和近似理想受力曲线70和80相似，致动器组件100的凸轮轮廓120被设计以提供了一种非常特别的输入力与位移的对应曲线。所需对通过凸轮轮廓120的输入力施加的约束如下所述。
首先，凸轮轮廓120最好使夹紧不同大小的接头，如2.5、3和4英寸的接头所需的位移或行程最小。第二，凸轮轮廓120最好去除或限制受力曲线在达到机器关闭受力如32kN之前产生任何峰值。第三，凸轮轮廓120最好从夹紧开始直到行程最末端尽可能降低所要求的或保持的输入力。例如，本发明的凸轮轮廓120尽可能从夹紧开始到行程最末端都努力降低所要求的受力。保持力最好是出现在大约80％的行程，且在剩余20％行程内，该力快速倾斜升高至关闭受力。第四，凸轮轮廓120最好对所有这三种大小的接头都完成上述三种约束，而不会对任何一种尺寸产生不利影响。最后，凸轮轮廓120最好满足夹紧工具的尺寸限制，例如辊子直径，活塞行程，以及枢销位置。
为开发一种凸轮轮廓模型以满足这些约束，可以利用一种已有的致动器组件来进行测试，以了解夹紧环上所需的夹紧力。人们开发了凸轮轮廓模型的一种算法，以进行计算。系统偏差的计算算法，如相对于臂的夹紧端的定位和凸轮端上的角度变化的现有组件中的侧板和臂的偏差。可利用一种电子数据表进行这种计算。
首先，相对现有致动器组件对一种普遍的夹紧环受力曲线进行了分析，如上文参照图1和2所作的描述。为测试该算法，将根据现有技术的现有致动器组件的尺寸信息和夹紧环受力数据一起输入该算法。产生一条致动器输入力与位移的对应关系曲线，其与用现有的致动器组件实际记录下来测试数据进行对比。通过对比，可以确定在其它差别中由于摩擦和形式上的微小差别而存在的差别。然后利用实验得到的修正因数对凸轮轮廓模型稍加修改，以与实际数据相一致。
然后，该凸轮轮廓模型和数据用于设计一种能够控制接合件的输入力与位移相互关系的致动器组件的致动器臂的凸轮轮廓。采用迭代法在臂的凸轮端上的凸轮轮廓每间隔0.040"产生点；然而，这些点可能已经以任何小的增量产生。这些点是基于所须的输入力和从模型输入的其他信息。通过这些数据，信息转换为如下面参照图5A-B所描述的本发明的凸轮轮廓120。
参见图5A-B，本发明的致动器臂110的一个实施例分别示于一侧视图及一详细放大图中。图5A-B中具有一参考坐标系(X，Y)。该坐标系包括正交的X轴和Y轴，用于描述致动器臂110的该实施例和凸轮轮廓120的典型尺寸。X、Y轴具有原点O，位于枢孔116的圆心，臂110绕该枢孔圆心转动。
总的来说，本实施例的致动器臂110沿纵向的X轴的长度约为166.76毫米(6.565英寸)，沿侧向的Y轴的高度约为75.95毫米(2.990英寸)，和沿共同的正交轴的厚度约为20毫米(0.787英寸)。夹紧端114包括一顶部，其半径约为10毫米，大约位于(-65，21)毫米处的参照点115处。
最好参见图5B中详细视图，凸轮轮廓120包括一第一径向部122，一第二弯曲部124，以及一第三倾斜部126。为直观目的，图5B中设置几何点A、B、C和D，以显示第一、第二和第三部分122、124和126之间的分隔点。
第一径向部122由约为15毫米(0.591英寸)的半径R确定，该半径位于坐标(76.79，-4.02)毫米或(3.023，-0.158)英寸的点123处。该第一径向部122紧挨凸轮端112，始于凸轮端112上的点A并终止于大约在(7.8，86.03)毫米或(0.307，3.387)英寸处的坐标点B。如前所述，该第一部122为凸轮轮廓120上最先与接合件上的辊子接触的部分。在控制对应于夹紧工具位移的输入力时，该第一部122大约对应于与位移曲线对应的输入力的初始部，如上文图3中讨论的初始部82。然而，可以理解，在与随该凸轮轮廓120产生的受力曲线的各部分粗略对应的凸轮轮廓120各部分之间会存在一些重叠。
凸轮轮廓120的第二弯曲部124完全邻接第一部122，并位于几何点B和C之间。点C位于约(14.42，62.68)毫米或(2.468，0.568)英寸的参照坐标处。凸轮轮廓120的该第二弯曲部124由一弯曲的轮廓线确定。较佳地，在本发明中，该第二部124由一10次多项式确定，如下文所作的描述。在控制夹紧工具的输入力期间，该第二部124粗略地对应于输入力一位移曲线的保持部，如上文图3中所讨论的保持部84。
第三倾斜部126完全与第二部邻接，并位于凸轮轮廓120上的点C和D之间。点D位于约(53.55，15.96)毫米或(2.108，0.629)英寸的参照坐标处。该第三倾斜部126由一线性方程式确定，该线性方程式相对旋转中心O具有特定的斜率和位置。在控制夹紧工具的输入力期间，该第二部126粗略地对应于输入力一位移曲线的倾斜部，如上文图3中所讨论的倾斜部86。
此处公开的典型尺寸和数值应用在致动器臂100的本实施例中。可以理解，对于一个整体尺寸更大或更小的臂来说，这些数值的大小是不同的。对于用在不同接头上或使用不同力的臂来说，这些数值的大小也是不同的。根据这些差异，本领域普通技术人员能够知道这些数值的关系可改变或也可保持完全相同。
凸轮轮廓120的第二弯曲部124最好是由一10次多项式确定，如y＝Ax10+Bx9+Cx8+Dx7+Ex6+Fx5+Gx4+Hx3+Ix2+Jx1+K，其中，当X坐标以英寸为单位时，常数A-K的值如下：
表：10次多项式中的常数值： 变量 数值 A -48.9913974944589 B 1463.61453291994 C -19630.1624858022 D 155664.66890622 E -808294.682548789 F 2871872.99972913 G -7071260.01718111 H 11914996.6049983 I -13149361.9925974 J 8582947.63458813 K -2516314.38595924
利用具有这些常数的10次多项式，可以得到凸轮轮廓120的第二弯曲部124上的点。例如，根据本发明，一个在枢接点处与原点O距离X＝2.7349英寸的点得出的点Y＝-0.5238英寸位于凸轮轮廓120的第二部124上。例如，一个距离X＝3.3606英寸的点，得出点Y＝-0.3278英寸。最好用大约850个点以产生本发明的凸轮轮廓1 20的基本上连续的弯曲部124。利用这些点可用一磨床以在一致动器臂上制成一基本上连续的轮廓部。
如上面所公开的，本发明的凸轮轮廓120包括径向部122，弯曲部124，和倾斜部126，以有利地控制夹紧环致动器组件的输入力与位移的关系曲线。本实施例的该弯曲部124最好为一个由10次多项式函数确定的臂的边缘的弯曲轮廓。该凸轮轮廓120的这一实施例基于用于驱动夹紧环夹紧大约2.5到4英寸的ProPress XL接头的致动器臂的一个优选实施例。可以理解上面公开的数值为示范性的，可以根据接头类型和所需的输入力控制精确度等进行改变。作为举例而非限制，本领域普通技术人员可以知道上述函数和数值可以随本发明的教导进行改变获得更多或更少的弯曲部分124的点。另外，本领域普通技术人员可以知道上述函数和数值可以随本发明的教导进行改变用以夹紧与大约2.5-4英寸的ProPress XL接头特征不同的接头。
而且，本领域普通技术人员能够知道，第二部124不需要由10次多项式确定，而可以采用其它次的多项式函数。另外，还可以知道，本发明的凸轮轮廓可以包括一个或多个由除了多项式函数之外的非线性和非径向函数确定的轮廓或部分。为本公开目的，非线性函数是指不是线性的数学函数，非径向函数是指不是由围绕中心点的半径常数确定的数学函数。因此，本发明的凸轮轮廓可由多个数学函数中的部分或其组合确定，包括但不限于线性函数、径向函数、对数函数、指数函数、三角函数、高次多项式函数。确定该凸轮轮廓所需要的数值、细节和特征取决于此处所指出多个变量和约束。应用本公开的益处，本领域普通技术人员可以得到确定一种给定实施所需的数值、细节和特征的常规方法。
本领域普通技术人员还会知道，并非一定需要确定凸轮轮廓120的三个不同的部分。相反，可以知道一个单一数学函数也能用于基本上确定本发明的凸轮轮廓的整个轮廓。这种凸轮轮廓能够基本上等同于上文所公开的具有部位122、124和126的凸轮轮廓120，并且也能用高次多项式或其它函数来确定。这种凸轮轮廓所需的数值、细节及特征将取决于此处指出的多个变量和约束。应用本公开的益处，本领域普通技术人员可以得到能够确定一种给定实施所需的数值、细节和特征的常规方法。
本实施例具有径向部122，弯曲部124和倾斜部126的凸轮轮廓120，在用于各种接头时，与图2A-F中所示的现有技术的组件的输入力与位移相互关系相比，能有利地控制输入力与位移的相互关系。下面，参照图6A-C，讨论本发明的致动器组件的臂上的凸轮轮廓120产生的输入力与位移的关系曲线。
参见图6A-C，示出了应用具有本发明的凸轮轮廓120的致动器组件100驱动夹紧环夹紧较大接头的测试结果。该测试结果是以曲线图形式表现输入力与位移的关系曲线。如曲线图中所表明的，本发明的凸轮轮廓120有利地减少夹紧2.5、3和4英寸接头所需的总位移。例如根据本发明的组件所需要的行程量大约为1.3英寸，小于1.42英寸的可用行程，也小于现有技术中超过1.4英寸的行程。此外，本发明的凸轮轮廓120使夹紧过程中的受力基本上是均匀的，有利地最小化了受力曲线中在达到32kN的机器关闭受力前出现峰值的数量。此外，本发明的凸轮轮廓120在最后大约20％的行程内有利地迅速倾斜升至关闭受力。
为作对比，在图6A-C中分别以虚线示出现有技术中得到的相应受力曲线60a、60c和60e。图6A中，是应用现有技术图2A中所用同样的夹紧环，但是用一个具有本发明的凸轮轮廓的致动器组件，在K型铜管的2.5英寸接头上进行夹紧。图2A中曾示出，根据现有技术的受力曲线60a在达到20kN以前需要0.6英寸的位移，并要求几乎1.4英寸的总行程长度。与此相比，本发明受力曲线90a在约0.4-0.5英寸内达到20kN，并且总行程长度不超过1.25英寸。此外，本发明的受力曲线90a具有基本上更稳定的保持部94。
在图6C中，是应用通常的夹紧环和本发明的致动器组件，在K型铜管的4英寸接头上进行夹紧。图2E中曾示出，根据现有技术的受力曲线60e在达到15kN以前需要0.6英寸的位移，并要求1.4英寸以上的总行程长度。与此相比，本发明受力曲线90c在约0.35-0.5英寸内达到20kN，并且总行程长度不超过1.3英寸。此外，本发明的受力曲线90a具有基本上更稳定的保持部94。
在图6B中，是应用改进的夹紧环和本发明的致动器组件，在K型铜管的3英寸接头上进行夹紧。图7中示出本发明的夹紧环200的分解视图。该夹紧环200包括一第一部210a，一第二部210b，一偏压件或扭簧230，以及一枢销240。夹紧环部分210a和210b最好经渗碳淬火，并达到洛式硬度50C的表面硬度，虽然也可采用本领域公知的其它硬化技术，如通过淬火或局部淬火技术。第一部210a包括一夹紧表面212和一带枢孔216的开叉端214。第二部210b也包括一夹紧表面222和一带枢孔226的开叉端224。开叉端224设置在第一部210a的开叉端214内，枢孔226与枢孔216对齐。偏压件或扭簧230设置在由开叉端224确定的一个凹槽中。枢销240插入贯穿各个枢孔216和226，并穿过弹簧230。外部挡圈250与枢销240的两端相连接。
在本发明的一实施例中，第一和第二表面212和222分别确定一半径，其大于根据现有技术的夹紧环上的半径。特别是在图6B中的用于夹紧3英寸接头的夹紧环上，本发明的第一表面212具有一第一半径Ra，第二表面214具有一第二半径Rb。每一半径Ra和Rb分别由中心点Ca和Cb确定。当夹紧环200闭合时，中心点Ca和Cb相互贴近，但不必重合。半径Ra和Rb能够形成一近似3.60英寸(91.5毫米)的直径。现有技术夹紧环所具有的部分的半径可形成近似3.58英寸(91.0毫米)的直径，用于夹紧3英寸(76毫米)的接头。因此，夹紧环200大小约增加0.5％，以满足用于3英寸接头的受力与位移约束。
在图6B中，本发明的致动器组件采用一改进的具有一尺寸加大的夹紧表面212和214的夹紧环200，如前所述，以在K型铜管上夹紧一3英寸的接头。图2C中曾示出，根据现有技术的受力曲线60c要求1.4英寸以上的总行程长度，而保持部64达到不需要如此之高的介于26到28kN之间的水平。与其相比，本发明受力曲线90c在保持部94具有减小到17到25kN之间的受力水平。此外，受力曲线90b的总行程长度不超过1.3英寸。本发明的具有增加的直径D的夹紧环200和致动器组件的测试证实了与现有技术相比所需夹紧力随其使用减少了。因此，夹紧环200的夹紧表面212和214的尺寸的增加有利地减小了夹紧3英寸接头所需的受力。
需要指出，采用本发明的致动器组件与具有尺寸增加的夹紧表面212和214的改进的夹紧环200，是减小夹紧3英寸接头所需受力的一种解决方案。本领域普通技术人员可以知道，本发明的教导可以用于开发一种特定的凸轮轮廓，其具有有利于减小夹紧3英寸接头所需受力的特征。这种特定凸轮轮廓可设计与现有技术的常规的未改进的夹紧环一起使用。
将应用具有图6A-C中本发明凸轮轮廓120的致动器组件的测试结果与应用图2A-F中示出的现有技术组件的测试结果相对比，可以看到，本发明的凸轮轮廓120能够有利地控制输入力与位移的相互关系，并能满足上述约束。尽管凸轮轮廓120能够满足上述约束得到图6A-C中的输出力，但应指出的是，本发明的教导可被实施以实现其它控制输入力与位移的相互关系的方法，如下所述。
例如，根据本发明教导的一种凸轮轮廓可以对所有大小的接头保持一接近恒定的工具力与位移相互关系，所以工具总是遇到同样的负荷。在另一实例中，为在夹紧作业中及早抓住接头并与接头保持对齐，根据本发明教导的一种凸轮轮廓可以用于在接头上实施一种快速初始关闭。而在另一实例中，根据本发明的教导的一种凸轮轮廓可以用于对一种特定接头产生渐进式夹紧，其中该组件首先夹紧一用于接头对齐的引导夹，然后彻底完成夹紧。
在另一实施例中，根据本发明教导的一种凸轮轮廓可以用在这里所明确阐述的更短或更长的行程内进行夹紧。例如，具有更小的臂或卡爪的组件用于夹紧更小的接头，而不需要夹紧工具的大部分行程。举例来说，该更小的组件可只需要40毫米总行程中的25毫米。因此，利用本发明的教导可以开发一种凸轮轮廓，以提供一种受力与位移的关系曲线，其具有比现有技术更有利的特征，并能在更短的行程内实现这些特征。应用本发明的教导，本领域普通技术人员可以开发这样一种用于更短或更长的行程的凸轮轮廓，可理解的是，在开发这种凸轮轮廓时，必须考虑角度、偏差、受力以及几何形状的差别。
在另一实例中，根据本发明教导的一种凸轮轮廓可以用于其它装置，例如更小尺寸的夹紧卡爪或切割工具。本发明的教导还可适于控制用于电池供电的夹紧工具的输入力与位移的相互关系。通常，电池供电的夹紧工具包括为驱动液压泵的电机供电的电池电源。电机和泵通常有最有效的运转范围。应用本发明的教导，可以开发一种凸轮轮廓，以提供一种有益于电机和泵的有效运转范围的受力与位移关系曲线。例如，取决于该电机和泵，可以发现其运转在受力曲线的保持部处于一特定受力水平时更加有效。应用本发明的教导可以开发一种凸轮轮廓控制输入力与位移的关系来满足该有效水平。在电机和泵有效运转时，在电源需要充电前，工具可以进行更多的夹紧操作。
返回图4，本发明的致动器组件100还包括其它基于现有技术的改进，这些改进增加了部件寿命，并产生一种组件100的所需失效方式。在现有技术组件的测试中，可以发现，该组件或卡爪套件的失效方式是由于侧板、枢销以及卡爪或臂的疲劳引起。然而，所期望的一种失效方式仅是侧板130的被动失效。因此，本发明的致动器组件100包括侧板130，被构造用以能够抵抗使侧板的寿命约为10K次循环至失效的疲劳程度。其它部件，如臂110和枢销140，被构造用以能够抵抗使这些其它部件的寿命约为50K次以上的循环至失效的疲劳程度。
在侧板130上实现所需的被动失效方式是靠致动器组件100中的部件之间的被动失效系统。许多变量，包括几何形状，材料，冶金加工方法，和部件的热处理，以及其它变量，如准备施加到致动器组件100上的力，都包括在该被动失效系统中。在下面的讨论中，提供了一种用于本发明的致动器组件100的部件的优选的被动失效系统，在其它失效方式之外实现侧板130的被动失效。可以理解，所给定的数值只是用于本发明的致动器组件100的特定尺寸和其它变量的范例。
首先，致动器组件100的枢销140构成部分被动失效系统。侧板130被构造用于抵抗一级失效，即使侧板的疲劳寿命约为10K次循环。本发明的枢销140直径为d1，其大于根据现有技术的直径。加大的直径能防止断裂，增加枢销140的寿命。最好是，在本实施例中致动器组件100的枢销140的直径d1约为19.08毫米。枢销140的硬度最好大于侧板130的硬度，以确保实现在此所讨论的被动失效方式。例如，枢销140由钢制成，硬度约相当于或大于侧板130的硬度。也就是说，枢销140的硬度最好约等于或大于侧板130的30-50Rc的洛氏硬度。枢销140经渗碳，以具有大约为58-61Rc的表面硬度，以及低于40Rc的芯部硬度。
其次，致动器臂110构成被动失效系统的另一部分，并被构造用于抵抗二级失效，即使臂110的疲劳寿命约为50K次循环。臂110的材料和硬度构成抗失效性的一部分。最好是，该致动器臂110由S-7工具钢制成，并且最好经真空硬化和二次拉拔。热处理中的预热温度最好为1550°F。材料最好在约1800°F的温度下奥氏体化。致动器臂110的材料在约400°F温度下进行两次拉拔。臂110的硬度最好约为洛氏硬度值56-59Rc。
第三，致动器臂110的截面高度构成被动失效系统的另一部分，和臂对二级疲劳的抗失效性的一部分。参见图8，本发明的致动器臂110的实线轮廓与根据现有技术的致动器臂20的虚线轮廓相互邻近。本发明的致动器臂110包括一个超过现有技术的增大的截面高度H。该截面高度H确定了臂110的侧部尺寸，与从凸轮端112到夹紧端114的臂110的轴向尺寸相对。通过高应力区域使臂110的截面高度H增加，并且在设有枢孔116的臂110的中段达到最大值。例如，致动器臂110在臂110的中段具有最大截面高度Hmax约为2.990到3.085英寸。截面高度H的增加提高了臂110的强度，但不能增加其寿命至长于侧板的寿命。
第四，致动器臂110中应力集中部的减少构成被动失效系统的另一部分，并构成部分臂的失效抗力。图1中曾示出，根据现有技术的臂20应用凹槽34和销32来固定扭簧30。图4中曾示出，本发明的臂110用侧部119、孔118、以及销160来固定片簧150。因此，图8中的臂110上的侧部119和孔118在与根据现有技术的臂20上的凹槽34、侧壁36以及凹口38相互临近。
应用侧部119和孔118来固定片簧(未示出)比起现有技术来具有双重益处。致动器臂110的机加工得以简化。另外，致动器臂110的高应力区的应力集中部比现有技术的臂20的有所减轻。侧部119基本上是光滑的并设有一小孔118，该孔将销固定使偏压件保持在组件的臂之间。采用光滑部119，小孔118以及销160，基本上限制了臂110在侧向和纵向截面中的变动。如现有技术中所示，现有技术的致动器臂20的失效通常是从位于凸轮端22和枢孔26之间的点P开始的，并持续跨过现有技术的臂的截面区域。由于在臂20的高应力区建立了一个不同截面区，凹槽34的应用加重了这种类型的失效。尽管孔118在本发明的臂110中是一个应力集中部，但比起根据现有技术的臂20中的凹槽34或台阶，应力集中部减少。因此，增加了臂110的寿命和抗疲劳性。
最后，侧板130的几何形状、材料和硬度构成部分被动失效系统，并构成部分侧板的失效抗力。参见图9A-B，以多个视图示出侧板130的实施例。该侧板130包括一主体部131，设有枢孔132和134，并包括另一个用于连接到夹紧工具(未示出)上的部分136。侧板131的纵向尺寸L1约为5.118英寸。侧板130的本体部131的侧向尺寸L2约为2英寸，厚度T约为0.384英寸。
在本发明中，侧板130的硬度相对于枢销140的大小和形状以及致动器臂110的硬度进行控制。侧板130经热处理以增加寿命。然而，对这种增加进行控制以使该侧板130作为组件100中的第一个失效部件。侧板130由钢制成，并经过淬火和拉拔达到洛氏硬度值约30-35Rc，以产生本发明的致动器组件的被动失效方式。可以使用棒材原料来形成侧板130。由于锻打工艺所具有的内在强度和晶粒排列，所以也可选用锻件来制成侧板130。
如本领域所公知的，侧板130上希望的失效平面P’出现在枢孔132或134之一和邻接连接部136的本体部131的边缘之间。在本发明的侧板在本体部131与连接部136的连接处设有阶梯形状应力集中部138。应力集中部138的边缘与枢孔132和134之间的最小距离d2约为0.4-0.5英寸。侧板130被构造以具有最低的疲劳等级或致动器组件的其它部件的寿命，以确保侧板在其它形式的失效前先失效。
虽然参照优选实施例，已对本发明作了描述，但是本领域普通技术人员可对其作明显的修改和变型。因此，在附属权利要求所限定的本发明的范围或其等同范围内的所有这些修改和变型。