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長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙
開題報告
一、 設(shè)計題目:
電動扳手設(shè)計
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。
由于高強度螺栓的材料和熱處理是嚴格控制和檢查的,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,電動扳手以220V交流電源為動力進行工作,對于作業(yè)通常以螺栓群的方式出現(xiàn)高強度螺栓,可以大大提高螺栓擰緊的速度,并且可以改善工人的勞動強度。
三、 國內(nèi)外狀況和發(fā)展趨勢:
電動扳手自1980年研制成功并投入批量生產(chǎn)以來,至今已經(jīng)有20余載,生產(chǎn)了幾千臺,廣泛應(yīng)用于寶鋼自備電廠、寶鋼煉鋼廠房、天津無縫鋼管廠、包鋼等幾十項大型鋼結(jié)構(gòu)工程中,為我國推廣使用扭剪型高強度螺栓新技術(shù)提供了有力保證。
在長期的使用中,電動扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計有點——體積小、重量輕、操作方便快捷、安全可靠,從而使電動扳手成為施工現(xiàn)場不可缺少、不可替代的專用工具。從總體上看,電動扳手基本上可在設(shè)計壽命范圍正常工作,無需大修,施工現(xiàn)場也未發(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。
個別的電動扳手,在使用中曾發(fā)生柔輪筒體底部斷裂失效的現(xiàn)象,這一事實驗證了柔輪光彈性試驗得到的結(jié)論——柔輪工作時的切應(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)是提高強度和使用壽命的關(guān)鍵措施。
多年的生產(chǎn)實踐表明,自行研制的電動扳手成功替代了進口產(chǎn)品,為國家節(jié)省了大量外匯,也為生產(chǎn)研制單位帶來了可觀的經(jīng)濟效益。
四 畢業(yè)設(shè)計方案的擬定
電動扳手與機床、汽車等大型機器比較起來雖然比較小巧簡單,但也是一種完整的機器,它應(yīng)該由動力機、傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)組成。
根據(jù)前述設(shè)計任務(wù)要求,動力機應(yīng)選用電源為220V的交流電機。
由于電動扳手為人工操作,因此電動機應(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)速防護式串激電機能基本滿足這個要求。這種電機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
電動扳手的工作機構(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。工作時這兩個套筒的力矩相等,方向相反。如果利用這個特點,將傳動機構(gòu)設(shè)計成封閉系統(tǒng),兩個相反的力矩就可以在電動扳手內(nèi)部平衡,操作者不受外力的作用,從而使操作變得輕便、簡單。
由于動力機采用了高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動機,因此動力機與工作機構(gòu)(套筒)之間就需要采用大傳動比傳動機構(gòu)。行星齒輪傳動(NGW型單機傳動比i=3~12)、漸開線少齒差齒輪傳動(單機傳動比i=10~100)、擺線少齒差齒輪傳動(單級傳動比i=11~87)和活齒少齒差齒輪傳動(單級傳動比i=20~80)等如果用語電動扳手,均需多級串聯(lián)使用,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,力線較長,會引起系統(tǒng)剛度下降、運動鏈累計誤差較大,這是不利的。因此,少齒差齒輪傳動,其行星輪的軸線做圓周運動,他們都需要一個運動輸出機構(gòu),因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜,這也是不足之處。
諧波齒輪傳動通過柔輪的彈性變形,利用了內(nèi)嚙合少齒差傳動可獲得大速比的原理,將行星輪系的運動輸出機構(gòu)簡化為低速構(gòu)件具有固定的轉(zhuǎn)動軸線,不需要等角速比機構(gòu),運動直接輸出。因此諧波傳動具有速比大(i可達500),機構(gòu)件數(shù)量少,體積小重量輕,運轉(zhuǎn)平衡,效率高,無沖擊等優(yōu)點。電動扳手斷續(xù)、短時的工作特點恰好克服了柔輪由于變形而易產(chǎn)生疲勞斷裂的不足。諧波齒輪傳動機構(gòu)作為動力傳遞時其輸出轉(zhuǎn)矩的大小受柔輪尺寸的限制,故不宜將其設(shè)計為電動扳手的最終輸出。
綜合上述的分析,采用諧波齒輪傳動與行星輪系傳動串聯(lián)的設(shè)計是一種比較全面地、最大限度地滿足電動扳手工藝要求的最佳選擇。
從上述電動扳手的發(fā)展趨勢來看,電動扳手的設(shè)計要點集中在電動機的選擇和傳動形式的確定。在滿足輸出力矩(1010N.m)要求的前提下,盡量使整機體積小,重量輕,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),安全可靠。據(jù)此,初步確定電動扳手機構(gòu)方案簡圖如圖1所示。電動扳手整機由電動機1、定軸齒輪傳動2、諧波齒輪傳動3、NGW行星齒輪傳動4、外套筒5和內(nèi)套筒6組成。外套筒5用來把住螺母4,內(nèi)套筒用來把住高強度螺栓尾部的梅花頭,如圖2所示。圖1中的、、是
圖1 電動扳手機構(gòu)方案簡圖
1-電動機 2-定軸齒輪傳動 3-諧波齒輪傳動4-NGW行星齒輪傳動 5-外套筒6-內(nèi)套筒
定軸齒輪傳動的齒數(shù);和是諧波傳動剛輪和柔輪的齒數(shù);是諧波發(fā)生
器;a、g、b和H是NGW行星齒輪傳動的太陽輪、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串聯(lián)機構(gòu)方案,其原理可作如下分析:
諧波齒輪傳動輪系的自由度F可用下式計算:
式中 ——平面機構(gòu)的構(gòu)件數(shù):
——機構(gòu)中的低副數(shù);
——機構(gòu)中的高副數(shù)。
鑒于圖2電動扳手機構(gòu)中各構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸均互相平行,因此該機構(gòu)可視為平面機構(gòu)。
對于諧波齒輪傳動:=4,=3,=1,其自由度為
對于行星輪系,其自由度也為2。因此在無任何約束條件下,兩機構(gòu)均為自由度等于2的差動機構(gòu)。由此機構(gòu)組成的電動扳手擰緊螺栓的過程分兩階段:
階段1:在螺栓、螺母與扳手處于松動狀態(tài)時,系統(tǒng)實現(xiàn)自由度為2的差動運動,即內(nèi)外套筒同時反向旋轉(zhuǎn)。
階段2:當(dāng)夾緊力增大到一定值后,系統(tǒng)實現(xiàn)自由度為1的NGW型行星傳動,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。
采用差動機構(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,電動扳手必須具備可手動調(diào)節(jié)內(nèi)、外套筒產(chǎn)生相對角位移,確保內(nèi)、外套筒順利地進入工作的準(zhǔn)備位置。
(2)設(shè)計時,為讓出中心頂桿的位置,電機與傳動系統(tǒng)不可“一”字布置。實際中采用的并列布置造成機殼形狀復(fù)雜。因此設(shè)計中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體,構(gòu)成差動機構(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,從而機殼不承受外力矩,則機殼的加工性能大大改善。
按上述機構(gòu)方案設(shè)計的電動扳手,其操作步驟(圖1)如下:
1) 高強度螺栓預(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,待緊固到螺栓達到設(shè)計力矩時,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 開題報告、制定合理方案
4月 1 日 - 4月20 日 理論計算、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)計說明書
6月13日 - 6月25 日 設(shè)計評審、準(zhǔn)備答辯
六 參考文獻:
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