共 5 頁 第 1 頁開題報告一、 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(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(jìn)行工作，對于作業(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強(qiáng)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(xiàng)大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，為我國推廣使用扭剪型高強(qiáng)度螺栓新技術(shù)提供了有力保證。在長期的使用中，電動扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計有點(diǎn)——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(shí)驗(yàn)證了柔輪光彈性試驗(yàn)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(qiáng)度和使用壽命的關(guān)鍵措施。多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，自行研制的電動扳手成功替代了進(jìn)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(jì)效益。共 5 頁 第 2 頁四 畢業(yè)設(shè)計方案的擬定電動扳手與機(jī)床、汽車等大型機(jī)器比較起來雖然比較小巧簡單，但也是一種完整的機(jī)器，它應(yīng)該由動力機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)前述設(shè)計任務(wù)要求，動力機(jī)應(yīng)選用電源為 220V 的交流電機(jī)。由于電動扳手為人工操作，因此電動機(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。工作時這兩個套筒的力矩相等，方向相反。如果利用這個特點(diǎn)，將傳動機(jī)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(jī)采用了高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)，因此動力機(jī)與工作機(jī)構(gòu)（套筒）之間就需要采用大傳動比傳動機(jī)構(gòu)。行星齒輪傳動（NGW 型單機(jī)傳動比i=3~12） 、漸開線少齒差齒輪傳動（單機(jī)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）等共 5 頁 第 3 頁如果用語電動扳手，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(yùn)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(yùn)動，他們都需要一個運(yùn)動輸出機(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(yùn)動輸出機(jī)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(jī)構(gòu)，運(yùn)動直接輸出。因此諧波傳動具有速比大（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，無沖擊等優(yōu)點(diǎn)。電動扳手?jǐn)嗬m(xù)、短時的工作特點(diǎn)恰好克服了柔輪由于變形而易產(chǎn)生疲勞斷裂的不足。諧波齒輪傳動機(jī)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(diǎn)集中在電動機(jī)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(jī)體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。據(jù)此，初步確定電動扳手機(jī)構(gòu)方案簡圖如圖 1 所示。電動扳手整機(jī)由電動機(jī) 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(qiáng)度螺栓尾部的梅花頭，如圖 2 所示。圖 1 中的 、1Z、 是2Z3圖 1 電動扳手機(jī)構(gòu)方案簡圖1-電動機(jī) 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)套筒共 5 頁 第 4 頁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GZR f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(jī)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：??HLpnf???213式中 ——平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)：——機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)；Lp——機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)。H鑒于圖 2 電動扳手機(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)。對于諧波齒輪傳動： =4， =3， =1，其自由度為nLpH??213-43????f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(jī)構(gòu)均為自由度等于 2 的差動機(jī)構(gòu)。由此機(jī)構(gòu)組成的電動扳手?jǐn)Q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(shí)現(xiàn)自由度為 2 的差動運(yùn)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(shí)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(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(jìn)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(jī)與傳動系統(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)計中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體，構(gòu)成差動機(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)計的電動扳手，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共 5 頁 第 5 頁頭 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(xiàn)：[1] 錢中主編 .列車牽引計算 .第一版 .北京：中國鐵道出版社，1996[2] 張文質(zhì)等主編.起重機(jī)設(shè)計手冊.第一版.北京：中國鐵道出版社，1998[3] 馬鞍山鋼鐵設(shè)計院等編.中小型軋鋼機(jī)設(shè)計計算.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.北京：北京鋼鐵學(xué)院學(xué)報 1980， （1）[5] Simon，J.M.Computerized Synthesis of Straight Line Four-Bar Linkages from Inflection Circle Properties . 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