電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)【電動(dòng)擰緊機(jī)】

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個(gè)別的電動(dòng)扳手，在使用中曾發(fā)生柔輪筒體底部斷裂失效的現(xiàn)象，這一事實(shí)驗(yàn)證了柔輪光彈性試驗(yàn)得到的結(jié)論——柔輪工作時(shí)的切應(yīng)力及殼壁內(nèi)的正應(yīng)力的最大值均發(fā)生在柔輪的根部（并有應(yīng)力集中的影響），根部是最危險(xiǎn)的截面。因此，改善柔輪根部的結(jié)構(gòu)和加工品質(zhì)是提高強(qiáng)度和使用壽命的關(guān)鍵措施。 多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，自行研制的電動(dòng)扳手成功替代了進(jìn)口產(chǎn)品，為國(guó)家節(jié)省了大量外匯，也為生產(chǎn)研制單位帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 四 畢業(yè)設(shè)計(jì)方案的擬定 電動(dòng)扳手與機(jī)床、汽車等大型機(jī)器比較起來(lái)雖然比較小巧簡(jiǎn)單，但也是一種完整的機(jī)器，它應(yīng)該由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)組成。 根據(jù)前述設(shè)計(jì)任務(wù)要求，動(dòng)力機(jī)應(yīng)選用電源為220V的交流電機(jī)。 由于電動(dòng)扳手為人工操作，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)該體積小、重量輕、絕緣好，以便于操作，并保證人身安全。大功率高轉(zhuǎn)速防護(hù)式串激電機(jī)能基本滿足這個(gè)要求。這種電機(jī)在制造中采用滴浸泡轉(zhuǎn)子，電焊整流子等新工藝，外殼采用熱固性工程塑料，電樞為接軸，從而形成雙重絕緣結(jié)構(gòu)，使用電安全有保證。 a) b) c) 圖2 扳手使用方法示意圖 1-12角夾緊頭 2-定力矩切口 3-螺栓部分 4-螺母 5-墊片 6-被緊固體 7-內(nèi)套筒 8-外套筒 9-頂桿 電動(dòng)扳手的工作機(jī)構(gòu)為擰緊螺母的外套筒8和擰斷螺栓（在定力矩切口處）的內(nèi)套筒7，如圖2所示。工作時(shí)這兩個(gè)套筒的力矩相等，方向相反。如果利用這個(gè)特點(diǎn)，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成封閉系統(tǒng)，兩個(gè)相反的力矩就可以在電動(dòng)扳手內(nèi)部平衡，操作者不受外力的作用，從而使操作變得輕便、簡(jiǎn)單。 由于動(dòng)力機(jī)采用了高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，因此動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)構(gòu)（套筒）之間就需要采用大傳動(dòng)比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。行星齒輪傳動(dòng)（NGW型單機(jī)傳動(dòng)比i=3~12）、漸開線少齒差齒輪傳動(dòng)（單機(jī)傳動(dòng)比i=10~100）、擺線少齒差齒輪傳動(dòng)（單級(jí)傳動(dòng)比i=11~87）和活齒少齒差齒輪傳動(dòng)（單級(jí)傳動(dòng)比i=20~80）等如果用語(yǔ)電動(dòng)扳手，均需多級(jí)串聯(lián)使用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力線較長(zhǎng)，會(huì)引起系統(tǒng)剛度下降、運(yùn)動(dòng)鏈累計(jì)誤差較大，這是不利的。因此，少齒差齒輪傳動(dòng)，其行星輪的軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，他們都需要一個(gè)運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也是不足之處。 諧波齒輪傳動(dòng)通過(guò)柔輪的彈性變形，利用了內(nèi)嚙合少齒差傳動(dòng)可獲得大速比的原理，將行星輪系的運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為低速構(gòu)件具有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，不需要等角速比機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)直接輸出。因此諧波傳動(dòng)具有速比大（i可達(dá)500），機(jī)構(gòu)件數(shù)量少，體積小重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，效率高，無(wú)沖擊等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)扳手?jǐn)嗬m(xù)、短時(shí)的工作特點(diǎn)恰好克服了柔輪由于變形而易產(chǎn)生疲勞斷裂的不足。諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力傳遞時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩的大小受柔輪尺寸的限制，故不宜將其設(shè)計(jì)為電動(dòng)扳手的最終輸出。 綜合上述的分析，采用諧波齒輪傳動(dòng)與行星輪系傳動(dòng)串聯(lián)的設(shè)計(jì)是一種比較全面地、最大限度地滿足電動(dòng)扳手工藝要求的最佳選擇。 從上述電動(dòng)扳手的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)要點(diǎn)集中在電動(dòng)機(jī)的選擇和傳動(dòng)形式的確定。在滿足輸出力矩（1010N.m）要求的前提下，盡量使整機(jī)體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。據(jù)此，初步確定電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖如圖1所示。電動(dòng)扳手整機(jī)由電動(dòng)機(jī)1、定軸齒輪傳動(dòng)2、諧波齒輪傳動(dòng)3、NGW行星齒輪傳動(dòng)4、外套筒5和內(nèi)套筒6組成。外套筒5用來(lái)把住螺母4，內(nèi)套筒用來(lái)把住高強(qiáng)度螺栓尾部的梅花頭，如圖2所示。圖1中的、、是 圖1 電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖 1-電動(dòng)機(jī) 2-定軸齒輪傳動(dòng) 3-諧波齒輪傳動(dòng)4-NGW行星齒輪傳動(dòng) 5-外套筒6-內(nèi)套筒 定軸齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)；和是諧波傳動(dòng)剛輪和柔輪的齒數(shù)；是諧波發(fā)生 器；a、g、b和H是NGW行星齒輪傳動(dòng)的太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒輪和轉(zhuǎn)臂。這是一種行星輪系與諧波輪系雙差動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)方案，其原理可作如下分析： 諧波齒輪傳動(dòng)輪系的自由度F可用下式計(jì)算： 式中 ——平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)： ——機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)； ——機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)。 鑒于圖2電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸均互相平行，因此該機(jī)構(gòu)可視為平面機(jī)構(gòu)。 對(duì)于諧波齒輪傳動(dòng)：=4，=3，=1，其自由度為 對(duì)于行星輪系，其自由度也為2。因此在無(wú)任何約束條件下，兩機(jī)構(gòu)均為自由度等于2的差動(dòng)機(jī)構(gòu)。由此機(jī)構(gòu)組成的電動(dòng)扳手?jǐn)Q緊螺栓的過(guò)程分兩階段： 階段1：在螺栓、螺母與扳手處于松動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由度為2的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即內(nèi)外套筒同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。 階段2：當(dāng)夾緊力增大到一定值后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由度為1的NGW型行星傳動(dòng)，即外套筒固定，內(nèi)套筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到擰斷螺栓的梅花頭。 采用差動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的： （1）、為消除內(nèi)套筒與螺栓梅花頭、外套筒與螺母之間的安裝角度誤差，電動(dòng)扳手必須具備可手動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)、外套筒產(chǎn)生相對(duì)角位移，確保內(nèi)、外套筒順利地進(jìn)入工作的準(zhǔn)備位置。 （2）設(shè)計(jì)時(shí)，為讓出中心頂桿的位置，電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)不可“一”字布置。實(shí)際中采用的并列布置造成機(jī)殼形狀復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體，構(gòu)成差動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使內(nèi)、外套筒及相關(guān)輪系結(jié)構(gòu)之間形成封閉力線，從而機(jī)殼不承受外力矩，則機(jī)殼的加工性能大大改善。 按上述機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的電動(dòng)扳手，其操作步驟（圖1）如下： 1） 高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊在被緊固件上，如圖1a所示； 2） 將內(nèi)套筒插人螺栓尾部的梅花頭，然后微轉(zhuǎn)外套筒，使其與螺母套正，并推到螺母根部，如圖1b所示； 3） 接通電源開關(guān)，內(nèi)外套筒背向旋轉(zhuǎn)將螺栓緊固，待緊固到螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)力矩時(shí)，將梅花頭切口扭斷； 4） 關(guān)閉電源，將外套筒脫離螺母，用手推動(dòng)開關(guān)上前方的彈射頂桿觸頭9，將梅花頭從內(nèi)套筒彈出，緊固完畢，如圖1c所示。 五 課題研究的時(shí)間分配： 3月 1 日 - 3 月15日 調(diào)研、閱讀分析資料、譯文 3月16日 - 3月30 日 開題報(bào)告、制定合理方案 4月 1 日 - 4月20 日 理論計(jì)算、繪制總裝配圖 4月21日 - 6月 1日 零件圖、修改裝配圖 6月 2 日 - 6月12 日 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6月13日 - 6月25 日 設(shè)計(jì)評(píng)審、準(zhǔn)備答辯 六 參考文獻(xiàn)： [1] 錢中主編.列車牽引計(jì)算.第一版.北京：中國(guó)鐵道出版社，1996 [2] 張文質(zhì)等主編.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).第一版.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998 [3] 馬鞍山鋼鐵設(shè)計(jì)院等編.中小型軋鋼機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算.北京：冶金出版社，1979 [4] 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