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

電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)【電動(dòng)擰緊機(jī)】,電動(dòng)擰緊機(jī),電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)【電動(dòng)擰緊機(jī)】,電動(dòng),扳手,設(shè)計(jì),擰緊 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長(zhǎng) 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙 電動(dòng)扳手設(shè)計(jì) [摘要] 在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強(qiáng)度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。 由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過(guò)大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過(guò)小時(shí)，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強(qiáng)度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅(jiān)苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩?cái)Q緊，工人擰緊螺母的過(guò)程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低。綜合以上三點(diǎn)原因，在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)，我們采用電動(dòng)扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 [關(guān)鍵詞] 電動(dòng)扳手 諧波傳動(dòng) 柔輪 Electric Wrench Design [Abstract] In large steel structures, widely used in high strength bolts links. This bolt connection, in accordance with requirements of the construction of torque lock nut and to guarantee the reliability of the link. Due to the high strength bolts of material and heat treatment is strict inspection and control, thus shall the bolt torque incision torshear fracture in a moment can control the accuracy and can guarantee, the reliability of the bolt connection. When large torque, cannot guarantee the strength bolt, When the torque, and after hours cannot guarantee the reliability of the connection. Therefore the bolt connection, in accordance with requirements of the construction of torque lock nut and to guarantee the reliability of the link. Additionally, high strength bolts, and often used to working environment is hard, and if it's used for torque wrench on ordinary workers, tighten lock nut process will have a lot of inconvenience, the working efficiency is also very low. Three reasons, in comprehensive above tighten high strength bolts, we adopt electromotive spanner from wrench to replace hand tighten. Electromotive spanner to ac power for power on 220V work, can guarantee each bolt tightened force within a prescribed scope, at the same time, using electric wrench instead of manual wrench screw bolts can greatly improve the speed, improve work efficiency, improve the worker labor intensity [Key words] Electric wrench Harmonic Drive Flexspline ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長(zhǎng) 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 開(kāi)題報(bào)告 一、 設(shè)計(jì)題目： 電動(dòng)扳手設(shè)計(jì) 二、 課題研究的目的和意義： 在生產(chǎn)生活中，螺栓連接是一種普遍可靠的鏈接方式。并且在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強(qiáng)度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。 由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。 另外，電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，對(duì)于作業(yè)通常以螺栓群的方式出現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓，可以大大提高螺栓擰緊的速度，并且可以改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 三、 國(guó)內(nèi)外狀況和發(fā)展趨勢(shì)： 電動(dòng)扳手自1980年研制成功并投入批量生產(chǎn)以來(lái)，至今已經(jīng)有20余載，生產(chǎn)了幾千臺(tái)，廣泛應(yīng)用于寶鋼自備電廠(chǎng)、寶鋼煉鋼廠(chǎng)房、天津無(wú)縫鋼管廠(chǎng)、包鋼等幾十項(xiàng)大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，為我國(guó)推廣使用扭剪型高強(qiáng)度螺栓新技術(shù)提供了有力保證。 在長(zhǎng)期的使用中，電動(dòng)扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計(jì)有點(diǎn)——體積小、重量輕、操作方便快捷、安全可靠，從而使電動(dòng)扳手成為施工現(xiàn)場(chǎng)不可缺少、不可替代的專(zhuān)用工具。從總體上看，電動(dòng)扳手基本上可在設(shè)計(jì)壽命范圍正常工作，無(wú)需大修，施工現(xiàn)場(chǎng)也未發(fā)生任何由于漏電等原因引起的安全事故，從而得到使用單位的好評(píng)。 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(guān)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(chē)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(mǎn)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(kāi)線(xiàn)少齒差齒輪傳動(dòng)（單機(jī)傳動(dòng)比i=10~100）、擺線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(qián)中主編.列車(chē)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] 陳立周.飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì).北京：北京鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) 1980，（1） [5] Simon，J.M.Computerized Synthesis of Straight Line Four-Bar Linkages from Inflection Circle Properties . 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0106405 指導(dǎo)教師 李占國(guó) 教授 2010 年 03 月 20 日 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長(zhǎng) 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙 前 言 螺栓連接是一種普遍可靠的連接方式。其中高強(qiáng)度螺栓鏈接廣泛使用在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中。 由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過(guò)大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過(guò)小時(shí)，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強(qiáng)度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅(jiān)苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩?cái)Q緊，工人擰緊螺母的過(guò)程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低。綜合以上三點(diǎn)原因，在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)，我們采用電動(dòng)扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 在長(zhǎng)期的使用中，電動(dòng)扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計(jì)有點(diǎn)——體積小、重量輕、操作方便快捷、安全可靠，從而使電動(dòng)扳手成為施工現(xiàn)場(chǎng)不可缺少、不可替代的專(zhuān)用工具。從總體上看，電動(dòng)扳手基本上可在設(shè)計(jì)壽命范圍正常工作，無(wú)需大修，施工現(xiàn)場(chǎng)也未發(fā)生任何由于漏電等原因引起的安全事故，從而得到使用單位的好評(píng)。 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(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。 由于時(shí)間倉(cāng)促和作者的知識(shí)水平有限，論文中的錯(cuò)誤和不足在所難免，請(qǐng)各位老師給予批評(píng)指正。 第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：電動(dòng)扳手設(shè)計(jì) 參數(shù)：（1）電源電壓：220V； （2）輸出最大力矩：1010N.m； （3）一機(jī)多用：能適用于M16、M20、M22.和M24四種螺栓； （4）每一工作循環(huán)時(shí)間：3~5s； （5）電動(dòng)扳手體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)便，工作可靠。 具體要求：（1）通過(guò)閱讀參考資料，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解現(xiàn)有電動(dòng)扳手的機(jī)構(gòu)、組成及工作情況；了解電動(dòng)扳手的工作原理并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告； （2）方案設(shè)計(jì)，根據(jù)查閱的資料提出若干解決問(wèn)題的方案并加以討論； （3）進(jìn)行電動(dòng)扳手的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)指導(dǎo)老師的要求做必要的計(jì)算； （4）完成電動(dòng)扳手的總裝配圖及典型零件圖（共四張零號(hào)圖紙）； （5）完成文獻(xiàn)資料分析報(bào)告（含1——2篇外文翻譯）； （6）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。 1.2 設(shè)計(jì)意義 在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強(qiáng)度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。 由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過(guò)大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過(guò)小時(shí)，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強(qiáng)度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅(jiān)苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩?cái)Q緊，工人擰緊螺母的過(guò)程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低。綜合以上三點(diǎn)原因，在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)，我們采用電動(dòng)扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 第2章 方案設(shè)計(jì) 2.1 基本結(jié)構(gòu)的分析與選擇 電動(dòng)扳手與機(jī)床、汽車(chē)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(mǎn)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。 由于電動(dòng)扳手工作時(shí)，需要內(nèi)外套筒反轉(zhuǎn)，因此要選擇一組行星輪系。 漸開(kāi)線(xiàn)行星齒輪傳動(dòng)按齒輪嚙合方式可分為NGW、NW、ZUWGW、NN、WW、NGWN和N等類(lèi)型。其中WW、NN、NGWN這三種類(lèi)型的傳動(dòng)比可達(dá)到很大，但是傳動(dòng)效率也會(huì)隨著傳動(dòng)比的增加而下降，而ZUWGW型行星齒輪傳動(dòng)主要用于差動(dòng)裝置，因此在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中除去這四種類(lèi)型而對(duì)其他三種類(lèi)型進(jìn)行比較。 動(dòng)軸輪系的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下： 1) NGW 2) NW 3) N 圖1 NGW、NW和N型行星輪系簡(jiǎn)圖 其中NGW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍在1.13~13.7之間，效率可以達(dá)到0.97~0.99，它的特點(diǎn)是效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，傳動(dòng)功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件，但單級(jí)傳動(dòng)比范圍較小。 NW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍可達(dá)到1~50，效率也可以達(dá)到0.97~0.99，特點(diǎn)是效率高徑向尺寸比NGW型小，傳動(dòng)比范圍比NGW型大，可用于各種工作條件。但雙聯(lián)行星齒輪制造、安裝都很復(fù)雜，故時(shí)不宜采用。 N型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍可達(dá)到7~100，效率可達(dá)到0.8~0.94，特點(diǎn)是傳動(dòng)比范圍較大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積及重量小，但效率比NGW型低，且內(nèi)嚙合變位后徑向力較大，使軸承徑向載荷加大，適用于小功率或短期工作的情況。 綜合上述分析，在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中選擇了NGW型行星齒輪傳動(dòng)。 由于所選電機(jī)轉(zhuǎn)速特別高，而輸出轉(zhuǎn)速還很小，傳動(dòng)比很大，而NGW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比不會(huì)超過(guò)10，因此要選擇一種大降速比的傳動(dòng)方式。 經(jīng)調(diào)查，可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的傳動(dòng)方式有蝸輪蝸桿傳動(dòng)和諧波齒輪。 蝸輪蝸桿傳動(dòng)是由蝸桿和蝸輪組成的傳動(dòng)副。傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲小；傳動(dòng)效率低，引起發(fā)熱和溫升較高。蝸桿傳動(dòng)用于動(dòng)力傳動(dòng)時(shí)，降速比i可達(dá)到5~80，傳力很小，主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，i可取到500或更大。并且它用于傳遞量空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。所以在電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)中不考慮這種傳動(dòng)方式。 諧波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比大而且范圍寬；同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)多，承載能力大，體積小，重量輕；傳動(dòng)效率較高，單級(jí)效率為65%~90%；傳動(dòng)精度高；回差小，易于實(shí)現(xiàn)零回差傳動(dòng)；傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。諧波齒輪傳動(dòng)符合電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)要求，因此在電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)中選用諧波齒輪傳動(dòng)。 綜合上述分析，本設(shè)計(jì)選用諧波齒輪配合NGW型行星輪系傳動(dòng)系統(tǒng)，又由于電機(jī)軸不能直接聯(lián)接諧波齒輪，所以在諧波齒輪傳動(dòng)之前，使用一組定軸輪系。 a) b) c) 圖2 扳手工作原理示意圖 1-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(kāi)線(xiàn)少齒差齒輪傳動(dòng)（單機(jī)傳動(dòng)比i=10~100）、擺線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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，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(mǎn)足電動(dòng)扳手工藝要求的最佳選擇。 2.2 總體方案的擬定 從上述分析來(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(mǎn)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3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： 圖3 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 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3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(xiàn)，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2）如下： 1） 高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊在被緊固件上，如圖2a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2b所示； 3） 接通電源開(kāi)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(kāi)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2c所示。 第3章 電動(dòng)扳手的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算 3.1 整機(jī)傳動(dòng)比的確定 根據(jù)調(diào)查和類(lèi)比、決定選用功率P=1.35kW，轉(zhuǎn)速n=20000r/min的220v交直流兩用串激電動(dòng)機(jī)。此電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 取定軸齒輪的傳動(dòng)效率，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，則整機(jī)的傳動(dòng)效率 已知扭斷螺栓切口處的定力矩。據(jù)此可決定整機(jī)的總傳動(dòng)比 3.2 各傳動(dòng)比的確定 取定個(gè)輪系的齒數(shù)： 定軸輪系 諧波齒輪傳動(dòng) 行星齒輪傳動(dòng) 整機(jī)的傳動(dòng)路線(xiàn)為：定軸輪系（z1、z2、z3）→諧波傳動(dòng)（f、zR、zG）→行星輪系（a、g、b、H） 定軸輪系傳動(dòng)比 齒輪z3帶動(dòng)諧波發(fā)生器f，使柔剛輪產(chǎn)生相當(dāng)運(yùn)動(dòng)，由于剛輪G和內(nèi)齒輪b與外套輪連為一體（圖52.3-2），所以在擰斷螺栓梅花頭時(shí)，剛輪是固定的，柔輪輸出，如圖（52.3-3）所示。 此時(shí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比 傳動(dòng)比帶符號(hào)，說(shuō)明波發(fā)生器1的轉(zhuǎn)向于柔輪2的轉(zhuǎn)向相反，如圖4所示： 圖4 諧波傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 1 - 波發(fā)生器 2 - 柔輪 3 – 剛輪 柔輪輸出帶動(dòng)行星傳動(dòng)的太陽(yáng)輪a，此時(shí)因內(nèi)齒輪b固定，轉(zhuǎn)臂H輸出（圖4），行星輪系的傳動(dòng)比 整機(jī)的傳動(dòng)比 完全符合由轉(zhuǎn)矩確定的傳動(dòng)比要求。 3.3 諧波齒輪傳動(dòng)和行星輪系運(yùn)動(dòng)分析 諧波齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比）為 （3-1） 式中、、──分別為柔輪、剛輪和波發(fā)生器的角速度。 ──柔輪和剛輪的齒數(shù)。 行星輪系轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比）為 （3-2） 式中、、──分別為太陽(yáng)輪a、內(nèi)齒輪b和轉(zhuǎn)臂H的角速度。 ────b輪和a的齒數(shù)。 此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)條件（圖4）可得 = （3-3） = （3-4） 由式（3-1）~（3-4），經(jīng)整理后可得 （3-5） 具體將數(shù)據(jù)帶入有關(guān)公式： 將上述數(shù)據(jù)代人式（3-5），得 （3-6） 推到出的式（3-6）為電動(dòng)扳手諧波齒輪傳動(dòng)與行星輪系傳動(dòng)的串聯(lián)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程式，表達(dá)出輸入與雙輸出之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 由式（3-6）可見(jiàn)，當(dāng)外套筒固定時(shí)，與旋向相反；當(dāng)內(nèi)套固定時(shí)，與旋向相同，因此當(dāng)整機(jī)無(wú)任何外約束時(shí)，與呈旋向相反的雙輸出運(yùn)動(dòng)。 第4章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與校核 4.1 定軸輪系的設(shè)計(jì) 根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；精度等級(jí)選8級(jí)精度；為了增加傳動(dòng)件的壽命小齒輪、大齒輪均采用GCr15。 初選小齒輪齒數(shù)Z1=17，大齒輪齒數(shù)Z2=58，介輪齒數(shù)Z3=48。 4.1.1 .按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) (1) 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式計(jì)算 （4-1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1) 試選載荷系數(shù)Kt=1.3 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 2) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7選得齒寬系數(shù) φd=0.6 3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6查表得材料GCr15的彈性影響系數(shù) 4) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d按齒面硬度查表得齒輪得接觸疲勞強(qiáng)度極限為σHLim=534MPa 5) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN=0.9 6) 計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力 失效概率取1%安全系數(shù)S=1由式 （4-2） 得 （σH1）=KHN1σlim/S=408MPa (2) 計(jì)算 1) 計(jì)算小齒輪分度圓直徑帶入中較小得值 ==19.2 2) 計(jì)算圓周速度 3) 計(jì)算齒寬及模數(shù) 4) 計(jì)算載荷系數(shù)K 已知使用系數(shù)=1 根據(jù)V=19.84m/s 8級(jí)精度 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)=1.35 直齒輪 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4用插值法查得8級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)， =1.241 由 =1.241得=1.26 故動(dòng)載荷系數(shù) 5) 按實(shí)際得動(dòng)載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑。 6)計(jì)算模數(shù) 4.1.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算公式為： （4-3） 確定計(jì)算參數(shù) 1) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20c查得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度 2) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18查取彎曲疲勞壽命系數(shù) 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)得 4) 計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù) 5) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查取齒形系數(shù) 6) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查取應(yīng)力校正系數(shù)： 由表10-5查得 7) 計(jì)算大小齒輪得并加以比較： 小齒輪較大 4.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)此結(jié)果，由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)最大，因此可取大于此模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取1.25 則計(jì)算小齒輪取最小齒數(shù)Z1=17 則 Z2=58 Z3=48 計(jì)算校核后的齒數(shù)： 計(jì)算中心距: 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑： 齒寬修正后?。築1=10 ，B2=10 ，B3=14 4.2 諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 4.2.1 諧波齒輪傳動(dòng)參數(shù)的確定 根據(jù)上述的分析設(shè)計(jì)，確定了諧波齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)如下： 傳動(dòng)比 柔輪變形波數(shù)U=2 柔輪齒數(shù) 剛輪齒數(shù) 模數(shù)m=0.4mm 柔輪壁厚H=0.5mm 齒寬b=20mm 柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定如下： 全齒高 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒形角 變位系數(shù) 剛輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定如下： 全齒高 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒形角 變位系數(shù) 柔輪和剛輪均采用漸開(kāi)線(xiàn)齒形。 波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器： 長(zhǎng)軸 短軸 采用23個(gè)直徑為7.14mm滾珠的薄壁軸承。 4.2.2 柔輪結(jié)構(gòu)形式的選擇 柔輪分杯形柔輪、整體式柔輪、具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪、齒嚙式聯(lián)接的環(huán)形柔輪、鐘形柔輪、密封柔輪。其中密封柔輪用于密封式諧波齒輪減速裝置；鐘形柔輪的結(jié)構(gòu)形狀保證齒圈變形時(shí)輪齒與柔輪軸線(xiàn)平行，軸向尺寸較小，強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，但加工復(fù)雜；整體式柔輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動(dòng)精度和效率較高，但工藝性差，材料利用率低；而具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，軸向尺寸較小，但與杯形柔輪相比，其傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度有所降低，并且這種柔輪主要用于復(fù)式傳動(dòng)；相比之下杯形柔輪更適合使用在電動(dòng)扳手中，它扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動(dòng)精度高，承載能力大，效率高。 圖5 杯形柔輪的尺寸圖 4.2.3 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)算 由于諧波齒輪的柔輪好剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲率半徑之差很小，所以齒輪工作時(shí)很接近于面接觸。因此，齒輪工作表面的磨損可由齒面的比壓p來(lái)控制。齒輪工作表面的耐磨損能力可用下式計(jì)算 （4-4） 式中 T——作用在柔輪的上的轉(zhuǎn)矩（Nm）,本設(shè)計(jì)T=10Nm； dR——柔輪分度圓直徑（mm），本設(shè)計(jì)dR=80mm； hn——最大嚙合深度（mm），如不考慮嚙合的空間特性，可近似的 hn=（1.4~1.6）m，本設(shè)計(jì)hn=1.4x0.4=0.56mm； b——齒寬（mm），b=20mm zv——當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù)，一般可取zv=（0.075~0.125）zR，本設(shè)計(jì)取zv=0.075x200=15; K——載荷系數(shù)，取K=1.3~1.75，本設(shè)計(jì)取K=1.5； pp——齒面許用比壓，對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，可取pp=8MPa。 可見(jiàn)，符合耐磨性要求。 4.3 柔輪強(qiáng)度計(jì)算 諧波齒輪傳動(dòng)工作時(shí)，柔輪筒體處于應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對(duì)稱(chēng)變化的，而切應(yīng)力則呈脈動(dòng)變化。若分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，則正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： （4-5） 由變形和外載荷引起的切應(yīng)力分別為： （4-6） 應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： （4-7） 式中 T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩（）本設(shè)計(jì)T=10; ——頭論齒根處的壁厚（mm），本設(shè)計(jì)=0.6mm; Dp——計(jì)算平均直徑（mm），Dp=dfR-h1，本設(shè)計(jì) Dp=（82.88-0.6）mm=81.28mm； E——彈性模量（MPa），本設(shè)計(jì)E=206x103MPa； ——變形系數(shù)（mm），=dG-dR，本設(shè)計(jì)=（80.8-80）mm=0.8mm 將具體數(shù)據(jù)代人式（4-5）~式（4-7），得 柔輪的工作條件惡劣，為了使柔輪在額定載下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞損壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用30CrMnSiA作為柔輪的材料。30CrMnSiA的力學(xué)性能如下： 球化處理后硬度為24~26HRC. 取 取 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： （4-8） （4-9） 式中 ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=1.7~2.5，本設(shè)計(jì)取=2.5； ——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=（0.8~0.9），本設(shè)計(jì)取=0.9=0.92.5=2.25。 將具體數(shù)據(jù)代人式（4-8）和式（4-9）中，得 柔輪的安全系數(shù) （4-10） 將以上具體數(shù)據(jù)代人上式得 此值大于許用安全系數(shù)1.5，故柔輪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 4.4 行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 4.4.1齒輪嚙合參數(shù)的確定 根據(jù)草圖設(shè)計(jì)和類(lèi)比，行星齒輪傳動(dòng)的嚙合參數(shù)取定如表1所示。 4.4.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn) 根據(jù)電動(dòng)扳手的工作方式和載荷特點(diǎn)，可以認(rèn)為其齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度和承載能力受齒輪彎曲強(qiáng)度的限制，而齒輪的接觸強(qiáng)度是次要的，因此僅需進(jìn)行輪齒彎曲強(qiáng)度的計(jì)算。 表 1 行星齒輪傳動(dòng)嚙合參數(shù) 參數(shù)名稱(chēng) 代號(hào) 太陽(yáng)輪 行星輪 內(nèi)齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 分度圓壓力角 行星輪數(shù) 變位系數(shù) 齒頂高降低系數(shù) 實(shí)際中心距離/mm 分度圓直徑/mm 齒頂圓直徑/mm 全齒高/mm 嚙合角 齒根圓直徑/mm 理論中心距/mm m 2 2 2 z 11 17 46 1 1 X 0.47 0.434 0.713 0.136 0.011 29.536 29.536 d 22 34 92 27.336 39.192 90.808 h 4.228 4.228 4.522 18.88 30.736 99.85 a 28 19 (1) 齒輪強(qiáng)度計(jì)算的受力分析 電動(dòng)扳手中的這種NGW行星機(jī)構(gòu)，因齒傾斜角為，并且行星齒數(shù)大于2（=3），基本構(gòu)件為三個(gè)，即太陽(yáng)輪a、轉(zhuǎn)臂H和內(nèi)齒輪b。在輪距作用下，當(dāng)構(gòu)件中各行星齒輪均勻受力時(shí)，各構(gòu)件必然處于平衡狀態(tài)，因此三個(gè)基本構(gòu)件對(duì)于軸承作用的點(diǎn)徑向力。電動(dòng)扳手的行星減速機(jī)構(gòu)正是利用這一點(diǎn)，采用了將太陽(yáng)輪、轉(zhuǎn)臂作為浮動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到在工作狀態(tài)中，各構(gòu)件可以自動(dòng)調(diào)整、載荷均勻，從而提高了使用壽命，并且可以降低制造精度。在本機(jī)構(gòu)中，齒輪加工采用的精度為8級(jí)（GB/T 10095—1988）。 (2) 強(qiáng)度驗(yàn)算的兩個(gè)初始條件 1) 當(dāng)系統(tǒng)輸出到最大轉(zhuǎn)矩是，測(cè)得轉(zhuǎn)臂H的轉(zhuǎn)速為8r/min，此時(shí)太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速 2) 考慮到超載的因素，取驗(yàn)算的最大轉(zhuǎn)矩為（N.m），載荷特點(diǎn)為永久單向，太陽(yáng)輪a為主動(dòng)輪。 (3) 確定中心齒輪的轉(zhuǎn)矩 基本運(yùn)算公式為： （4-11） 式中 ——a輪和b輪的轉(zhuǎn)矩； ——行星輪系轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。 由式（4-11）可見(jiàn)，作用在基本構(gòu)件上的力矩的帶有反號(hào)的比值，等于這些構(gòu)件相對(duì)于第三個(gè)基本構(gòu)件的角速比的倒數(shù)。由式（4-11）可計(jì)算a輪的轉(zhuǎn)矩Ta。 (4) 確定系數(shù) 為載荷在行星輪之間分配不均的系數(shù)。當(dāng)基本構(gòu)件H游動(dòng)，且np=3時(shí)，對(duì)于計(jì)算彎曲應(yīng)力，取=1.15。 確定載荷系數(shù)K： K=KjKd （4-12） 式中 Kj——齒面載荷分布不均勻系數(shù)， Kj=1+（Q-1）μ 式中Q是齒輪的幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，μ是系數(shù)，一般取μ=0.3,μ值與載荷變化有關(guān)。 ——?jiǎng)虞d系數(shù)，=1+2N，N是與結(jié)構(gòu)尺寸及圓周速度有關(guān)的系數(shù)。(5) 確定太陽(yáng)輪a和行星輪g的齒形系數(shù) 因行星嚙合為角變位，所以齒形系數(shù)為 （4-13） 式中 ——標(biāo)準(zhǔn)齒形系數(shù)，一般選取=0.29，=0.30。 H——全齒高，。 所以分別按下式計(jì)算： (6) 太陽(yáng)輪a和行星輪g的輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算式 太陽(yáng)輪a的輪齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn) （4-14） 式中 ——齒根彎曲應(yīng)力（MPa）； ——太陽(yáng)輪a轉(zhuǎn)矩，由式（4-11）計(jì)算而得； ——載荷系數(shù)，由式（4-12）計(jì)算而得； b——齒寬（mm）； d——太陽(yáng)輪a的分度圓直徑（mm）； m——齒輪模數(shù)（mm）； ——太陽(yáng)輪a的齒形系數(shù)； ——輪齒許用齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。 行星輪g的輪齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算式為 （4-15） 式中 ——行星輪g的齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。 (7) 確定齒輪的許用彎曲應(yīng)力 取太陽(yáng)輪a的材料40Cr，整體淬火，硬度49~51HRC；作用在輪齒上的載荷的方向不變，輪齒受單向彎曲應(yīng)力。 取行星輪g的材料為GCr15，高頻表面淬火，齒面硬度為51~54HRC；作用在輪齒上的載荷的方向?yàn)樽兿驅(qū)ΨQ(chēng)，輪齒雙向彎曲應(yīng)力。 如果齒根圓角出的表面粗糙度時(shí)，則輪齒根部的許用彎曲應(yīng)力可用下式計(jì)算 對(duì)太陽(yáng)輪a （4-16） 對(duì)行星輪g （4-17） 式中 ——與齒輪的材料、加工精度及熱處理工藝有關(guān)的基本應(yīng)力值（MPa）； ——鋼質(zhì)齒輪齒根彎曲強(qiáng)度許用安全系數(shù)，可取=1.5~2.0 (8) 行星輪g與內(nèi)齒輪b的齒輪強(qiáng)度 由于內(nèi)齒輪b采用了經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的38CrMnAl材料，又經(jīng)表面滲碳處理，并且g、b齒輪室內(nèi)嚙合，所以齒輪的承載能力要比a、g齒輪大得多，其輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算可以從略。 第5章 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇與校核 5.1 軸承的選擇與校核 5.1.1 軸承的選擇 由于行星輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生軸向載荷，并且極限轉(zhuǎn)速較低，徑向尺寸小，因此行星輪與行星輪軸之間選用不能承受軸向載荷，不能限制軸向位移，極限轉(zhuǎn)速低的滾針軸承。盡管滾針軸承具有較小的截面軸承仍具有較高的負(fù)載承受能力，可以承受較大的徑向力，特別適用于這種徑向空間受限制的場(chǎng)合。 表2 所選用滾針軸承（GB/T5801）的參數(shù) 代號(hào) 基本尺寸 （mm） 基本額定載荷（kN） 極限轉(zhuǎn)速 （r/min） d D B Cr Cor 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 NA6901 12 24 22 16.2 21.5 13000 19000 由于電動(dòng)扳手中定軸輪系均采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，因此對(duì)于扳手中的其它軸承選用能承受一定的雙向軸向載荷，軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)，極限轉(zhuǎn)速較高的深溝球軸承。 表3 所選深溝球軸承（GB/T276）的參數(shù) 代號(hào) 基本尺寸 （mm） 基本額定載荷 （kN） 極限轉(zhuǎn)速 （r/min） d D B Cr Cor 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 61903 17 30 7 4.60 2.6 19000 24000 6201 12 32 10 6.82 3.05 19000 24000 6200 10 30 9 5.10 2.38 20000 26000 6004 20 42 12 9.38 5.02 16000 19000 5.1.2 軸承的校核 以代號(hào)為6201的深溝球軸承為例，對(duì)軸承進(jìn)行校核。由于軸承受載荷非常小，因此對(duì)軸承的校核只針對(duì)軸承的壽命進(jìn)行校核即可，軸承壽命的校核公式為： （5-1） 實(shí)際計(jì)算時(shí)，用小時(shí)數(shù)表示壽命比較方便。這時(shí)可將式（5-1）改寫(xiě)為： （5-2） 式中 C——軸承的基本額定動(dòng)載荷； P——軸承所受的載荷； n——軸承轉(zhuǎn)速，在本設(shè)計(jì)中n=20000r/min； ——指數(shù)，對(duì)于球軸承=3； 將數(shù)據(jù)帶入式（5-2）得： 由此數(shù)據(jù)可以看出結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10年，對(duì)于其它軸承也是如此，在這里就不一一校核。 5.1.3 軸承的潤(rùn)滑方式 由于脂潤(rùn)滑可以起到密封作用，且維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中軸承都采用二硫化鉬脂潤(rùn)滑。 5.2鍵的選擇與校核 5.2.1鍵的選擇 由于直齒輪傳動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生軸向力，因此可以選擇普通平鍵來(lái)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。并且普通平鍵對(duì)軸上的零件不會(huì)起到軸向固定作用，因此也可以做導(dǎo)向鍵。普通平鍵的工作面是兩側(cè)面，工作時(shí)，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，并且平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)。 在電動(dòng)扳手中所選用的平鍵的尺寸如下： 聯(lián)接鍵 軸與小齒輪聯(lián)接處： b×h×L=4×4×8 套筒與大齒輪大齒輪 19 34 92 1