套筒式六角扳手集成式設(shè)計(jì)【伸縮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)】【旋轉(zhuǎn)式伸縮一頭4種規(guī)格節(jié)節(jié)伸出】【集成扳手設(shè)計(jì)（創(chuàng)新型）】,伸縮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),旋轉(zhuǎn)式伸縮,一頭4種規(guī)格,節(jié)節(jié)伸出,集成扳手設(shè)計(jì)（創(chuàng)新型）,套筒式六角扳手集成式設(shè)計(jì)【伸縮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)】【旋轉(zhuǎn)式伸縮,一頭4種規(guī)格,節(jié)節(jié)伸出】【集成扳手設(shè)計(jì)（創(chuàng)新型）】,套筒,六角,扳手 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告課題名稱：套筒式六角扳手集成式設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)的意義：o用于螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且凹孔的直徑不能用于開口扳手或活動(dòng)扳手及梅花扳手，就用套筒扳手，另外就是螺栓件空間限制，也只能用套筒扳手。二、設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀 多規(guī)格的內(nèi)、外六角扳手存在數(shù)量眾多、攜帶不便且使用不便等缺陷。往往要準(zhǔn)備一套套筒扳手，不僅使用不便還會(huì)造成購買資金上的浪費(fèi)。三、創(chuàng)新之處o目前市場(chǎng)上都是不同規(guī)格的套筒扳手，該設(shè)計(jì)思路為采用伸縮式結(jié)構(gòu)，將不同規(guī)格的扳手集成在一起，根據(jù)內(nèi)、外六角螺紋大小確定其內(nèi)外表面尺寸，采用兩端伸縮實(shí)現(xiàn)眾多規(guī)格，同時(shí)也解決單端伸縮造成壁厚過薄，強(qiáng)度、剛度過低的缺陷。四、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和重點(diǎn)：o設(shè)計(jì)一個(gè)套筒式六角集成扳手，其主要結(jié)構(gòu)件包括套筒和扳手。最重要的是伸縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。o材料的選擇。o扳手的加工工藝設(shè)計(jì)包括加工設(shè)備選擇和模具設(shè)計(jì)。o為提高強(qiáng)度而采取的熱處理工藝設(shè)計(jì)。五、設(shè)計(jì)思路o伸縮式結(jié)構(gòu)的選擇：旋轉(zhuǎn)式。研究和設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)伸縮的機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)作原理o計(jì)算套筒的整體尺寸大小，每層伸出的長度、口徑大小以及壁厚。o扳手的尺寸。套筒上有一個(gè)對(duì)穿孔，用于放置扳手進(jìn)行扭緊和扭松螺栓。o套筒扳手的材料選擇。o設(shè)計(jì)加工工藝和熱處理工藝。六、存在問題o結(jié)構(gòu)上的可行度。旋轉(zhuǎn)式伸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在難度，以及卡緊問題。設(shè)計(jì)為創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，本身存在風(fēng)險(xiǎn)。七、參考文獻(xiàn)o1 孫桓 陳作模 葛文杰主編，機(jī)械原理，高等教育出版社，2006o2 濮良貴主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2006o3 張有忱主編，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社，2011 o4張俊主編，機(jī)械工程材料與熱處理，北京理工大學(xué)出版社，2010o5傅水根主編，機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，2010摘要：套筒扳手廣泛用于機(jī)械零件裝配、修理等許多場(chǎng)合, 它主要用于螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且凹孔的直徑不能用于開口扳手或活動(dòng)扳手及梅花扳手，就用套筒扳手。本文設(shè)計(jì)了一款具有旋轉(zhuǎn)伸縮式結(jié)構(gòu)的套筒扳手，本文首先研究和設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)伸縮的機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)作原理計(jì)算套筒的整體尺寸大小，每層伸出的長度、口徑大小以及壁厚。設(shè)計(jì)計(jì)算每個(gè)套筒的尺寸。套筒上設(shè)計(jì)有一個(gè)對(duì)穿孔，用于放置扳手進(jìn)行扭緊和扭松螺栓。為了實(shí)現(xiàn)套筒扳手使用的簡便，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)套筒扳手的電動(dòng)系統(tǒng)，即通過電機(jī)來帶動(dòng)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的擰緊和擰松。 關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)伸縮式；套筒扳手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract: wrenches are widely used in mechanical parts assembly, repair, and many other occasions, it is mainly used for nut or bolt ends are connected end completely below the surface, and the diameter of the recessed hole can not be used or open-end wrench and spanner wrench, on the use of a socket wrench. This design of a telescopic structure having a rotary wrenches, and design paper studies the mechanism of rotation of the telescopic structure, the operation principle of calculating the overall size of the sleeve, each projecting length, diameter size and wall thickness. Design and calculate of the size of each sleeve. Sleeve design has a perforation for placing wrench tightening and loosen bolts. Use a socket wrench in order to achieve simplicity, this paper designed a socket wrench electric system, namely through the motor to drive the rotation of the sleeve to achieve tighten and loosen the bolts. Keywords: rotary telescopic; socket wrenches; structural design 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 5 1.1 本文的研究意義 5 1.2 本文的主要內(nèi)容和要點(diǎn) 6 2 集成式套筒扳手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.1集成式套筒扳手的總體設(shè)計(jì) 7 2.2 套筒扳手伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.2.1 套筒伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.2.2 旋轉(zhuǎn)拉手固定裝置設(shè)計(jì) 11 2.2.3 各個(gè)型號(hào)套筒長度設(shè)計(jì) 12 2.3套筒扳手動(dòng)力系統(tǒng)即電動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 13 2.3.1 基本結(jié)構(gòu)的分析與選擇 13 2.3.2 總體方案的擬定 16 3 套筒扳手動(dòng)力系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算 19 3.1 系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定 19 3.2 各傳動(dòng)比的確定 19 3.3 諧波齒輪傳動(dòng)和行星輪系運(yùn)動(dòng)分析 20 4電動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與校核 22 4.1定軸輪系的設(shè)計(jì) 22 4.1.1 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 22 4.1.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 23 4.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算 24 4.2 諧波齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 25 4.2.1 諧波齒輪傳動(dòng)參數(shù)的確定 25 4.2.2 柔輪結(jié)構(gòu)形式的選擇 26 4.2.3 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)算 27 4.3 柔輪強(qiáng)度計(jì)算 28 4.4 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 30 4.4.1 齒輪嚙合參數(shù)確定 30 4.4.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn) 30 4.5 軸承的選擇與校核 34 4.5.1.1 軸承的選擇 34 4.5.1.2 軸承的校核 35 4.5.1.3 軸承的潤滑方式 35 4.5.2 鍵選擇與校核 36 4.5.2.1 鍵的選擇 36 4.5.2.2 鍵的校核 36 4.5.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì) 37 5 套筒扳手模具設(shè)計(jì)以及熱處理 42 5.1 膨脹成型模具設(shè)計(jì) 42 5.2模具的工作過程 43 5.3套筒熱處理以及后續(xù)加工 44 6 結(jié)論 45 致 謝 46 參考文獻(xiàn) 47 第一章 緒論 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)擰緊力矩過大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過小時(shí)，又不能保證連接的可靠性[1-4]。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，工人擰緊螺母的過程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低[5-6]。 1.1.本文的研究意義 套筒扳手廣泛用于機(jī)械零件裝配、修理等許多場(chǎng)合。它主要用于螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且凹孔的直徑不能用于開口扳手或活動(dòng)扳手及梅花扳手，就用套筒扳手，另外就是螺栓件空間限制，也只能用套筒扳手[7-10]。 另一方面，由于多規(guī)格的內(nèi)、外六角扳手存在數(shù)量眾多、攜帶不便且使用不便等缺陷。往往要準(zhǔn)備一套套筒扳手，不僅使用不便還會(huì)造成購買資金上的浪費(fèi)。目前市場(chǎng)上都是不同規(guī)格的套筒扳手，該設(shè)計(jì)思路為采用伸縮式結(jié)構(gòu)，將不同規(guī)格的扳手集成在一起，根據(jù)內(nèi)、外六角螺紋大小確定其內(nèi)外表面尺寸，采用兩端伸縮實(shí)現(xiàn)眾多規(guī)格，同時(shí)也解決單端伸縮造成壁厚過薄，強(qiáng)度、剛度過低的缺陷。本論文設(shè)計(jì)的一款集成式。具有多種規(guī)格、且具有內(nèi)外六角扳手功用的扳手。 圖為不同型號(hào)的套筒扳手 1.2.本文的主要內(nèi)容和要點(diǎn) 本設(shè)計(jì)的集成式套筒具有伸縮式結(jié)構(gòu)的選擇：旋轉(zhuǎn)式，首先研究和設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)伸縮的機(jī)構(gòu)構(gòu)成，運(yùn)作原理計(jì)算套筒的整體尺寸大小，每層伸出的長度、口徑大小以及壁厚。扳手的尺寸。套筒上有一個(gè)對(duì)穿孔，用于放置扳手進(jìn)行扭緊和扭松螺栓。套筒扳手的材料選擇。設(shè)計(jì)加工工藝和熱處理工藝。 第二章 集成式套筒扳手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本論文設(shè)計(jì)的集成式套筒扳手，可以把內(nèi)、外六角扳手都集成到一塊，簡單實(shí)用。本論文設(shè)計(jì)的套筒扳手總共有8、10、14、17、19、22、24、27八種型號(hào)的內(nèi)外六角扳手[11-12]。本論文設(shè)計(jì)的套筒扳手不僅可以用作外六角套筒扳手，也可以用作內(nèi)六角扳手。 本論文設(shè)計(jì)了一種集成內(nèi)外六角套筒扳手，包括圓形套筒、外套筒、內(nèi)套筒、套筒彈簧、和八種規(guī)格的六角扳手本體。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不但能夠拆卸和緊固多種外六角螺栓和螺母，而且能夠拆卸和緊固多種內(nèi)六角螺釘，省去了攜帶和更換不同規(guī)格套筒扳手的繁瑣過程，降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和使用成本，有利于提高工作效率。 2.1.集成式套筒扳手的總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要的設(shè)計(jì)八種規(guī)格的內(nèi)外六角扳手，它們的規(guī)格分別為：8、10、14、17、19、22、24、27，所以集成式的扳手先把這么規(guī)格確定為兩組，一組的規(guī)格為8、14、19、24，另外一組為10、17、22、27，兩組規(guī)格的扳手，一組規(guī)格的扳手設(shè)計(jì)成一頭，另外一組的設(shè)計(jì)成一頭。每一組的套筒的設(shè)計(jì)如圖2-1.如圖2-1，最小的規(guī)格為8的套筒心，這個(gè)就是規(guī)格為8的內(nèi)六角扳手，然后上面套的就是規(guī)格為8的外六角扳手，同時(shí)在它的外殼也是規(guī)格為14的內(nèi)六角扳手。套筒心上面套上上一個(gè)規(guī)格的套筒，上一個(gè)規(guī)格的套筒套上上上規(guī)格的套筒，使用時(shí)，通過套筒之間的伸縮來實(shí)現(xiàn)選用哪種規(guī)格的套筒來使用。 這種套筒為正六棱柱體中空結(jié)構(gòu)，而且外套筒的長度大于所述內(nèi)套筒的長度。 圖2-1.套筒的設(shè)計(jì)形式 2.2.套筒扳手伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格的內(nèi)外扳手的集成，本設(shè)計(jì)使用了伸縮式結(jié)構(gòu)，但是為了扳手能方便地使用各種型號(hào)的，而且各種型號(hào)的扳手能隨意切換，要達(dá)到這樣的效果，必須要有合適的結(jié)構(gòu)相互配合。 為了使扳手能用完后能實(shí)現(xiàn)收縮成一個(gè)整體，從而使扳手在不使用的時(shí)候能大大減少收藏空間。如圖2-2，本設(shè)計(jì)的扳手給在套筒的另一頭固定一個(gè)彈簧，讓套筒有一個(gè)回復(fù)力。為了使用方便，彈簧的平衡位置設(shè)置在套筒心的最低處，這樣有利于當(dāng)套筒使用時(shí)，套筒能很方便地夾緊螺栓。 圖2-2.套筒心端部的結(jié)構(gòu) 2.2.1.套筒伸出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖2-3、2-4為套筒的伸出機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要某一種型號(hào)的套筒時(shí)，把拉手往下拉，然后套筒心后面的擋板會(huì)帶動(dòng)相應(yīng)的套筒往下拉，當(dāng)要使用的套筒拉下來到最下面，且露出相對(duì)應(yīng)的長度，且長度適合，使套筒有足夠的動(dòng)力和強(qiáng)度來扭動(dòng)扳手。因?yàn)樘自谏厦娴奶淄脖认旅娴奶淄惨L，所以下面的套筒不會(huì)露出來。只有我們需要用的套筒才會(huì)露出來。當(dāng)拉手往下拉到相應(yīng)的距離，我們就可以固定拉手，然后就可以使用扳手來扭螺栓了。 為了拉手能自由上下運(yùn)動(dòng)，我們?cè)诿恳粋€(gè)套筒上設(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)槽，如圖2-5，導(dǎo)槽有兩個(gè)作用，首先導(dǎo)槽可以使拉手自由上下活動(dòng)；當(dāng)拉手運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)槽的最上方時(shí)，拉手可以拉著套筒一起上升，可以讓扳手收縮。 圖2-3套筒心擋板結(jié)構(gòu) 圖2-4.套筒伸縮結(jié)構(gòu)圖 圖2-5.套筒導(dǎo)槽 2.2.2.旋轉(zhuǎn)拉手固定裝置設(shè)計(jì) 為了能使套筒伸縮固定在一個(gè)一位置，我們可以在最外面包裹一個(gè)圓形的大套筒，然后圓形套筒可以相對(duì)于套筒扳手相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2-6，圓形套筒上有橫向和徑向的導(dǎo)槽，當(dāng)拉手向下拉到達(dá)圓形套筒徑向?qū)Р蹠r(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)拉手，使拉手進(jìn)入徑向?qū)Р圩畹锥?，然后由于套筒心一端的彈簧的彈力從而固定了套筒。圓形套筒具有四個(gè)徑向?qū)Р?，四個(gè)徑向?qū)Р鄯謩e固定一種規(guī)格的套筒。最前方的為規(guī)格最小的套筒固定的位置，網(wǎng)上依次類推。 為了能讓圓形套筒和套筒扳手能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓形套筒和套筒扳手的一端固定一個(gè)軸承，圓形套筒和軸承的外圈固定，且軸承固定在圓形套筒上，套筒扳手的套筒心和擋板都固定在軸承的內(nèi)圈上。這樣就可以使套筒扳手和圓形套筒相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，本文采用電動(dòng)的方式來擰緊螺栓，所以當(dāng)套筒扳手工作時(shí)，套筒扳手和圓形套筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。所以在圓形套筒的最后端設(shè)計(jì)有定位銷，可以固定套筒扳手和圓形套筒，防止套筒扳手?jǐn)Q緊螺栓時(shí)，圓形套筒和套筒扳手發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖2-6.圓形套筒外形 圖2-7.圓形套筒底端軸承 2.2.3.各個(gè)型號(hào)套筒長度設(shè)計(jì) 首先確定套筒心的長度為75mm，然后根據(jù)套筒扳手各個(gè)型號(hào)的規(guī)格，確定各個(gè)套筒的伸出長度為55mm，所以套筒心的長度為60mm，套在套筒心上的套筒長度為115mm，第二個(gè)套筒長度為170mm，第三個(gè)套筒長度為225mm，第四個(gè)套筒長度為280mm。 2.3套筒扳手的動(dòng)力系統(tǒng)即電動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)套筒扳手的保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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，我們?cè)谔淄舶馐旨由弦粋€(gè)電動(dòng)系統(tǒng)來給套筒扳手提供動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)套筒扳手使用的自動(dòng)化和簡便化。 2.3.1基本結(jié)構(gòu)的分析與選擇 套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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(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)。 由于套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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。 由于套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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。 漸開線行星齒輪傳動(dòng)按齒輪嚙合方式可分為NGW、NW、ZUWGW、NN、WW、NGWN和N等類型。其中WW、NN、NGWN這三種類型的傳動(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，因此在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中除去這四種類型而對(duì)其他三種類型進(jìn)行比較。 動(dòng)軸輪系的運(yùn)動(dòng)簡圖如下： 1) NGW 2) NW 3) N 圖2-8 NGW、NW和N型行星輪系簡圖 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[13-16]。 綜合上述分析，在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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。所以在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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)符合套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用諧波齒輪傳動(dòng)[16]。 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2-9 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 套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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[17-20]。 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）等如果用套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)，均需多級(jí)串聯(lián)使用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力線較長，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，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)。套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)斷續(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)為套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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、最大限度地滿足套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)工藝要求的最佳選擇。 2.3.2 總體方案的擬定 從上述分析來看，套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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，初步確定套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)方案簡圖如圖2-10所示。套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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2-9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2-10 套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)方案簡圖 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2-10套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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)組成的套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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(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，套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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)的套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)，其操作步驟（圖2-9）如下： 1） 高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊在被緊固件上，如圖2-9a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2-9b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2-9c所示。 第三章 套筒扳手動(dòng)力系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算 3.1 系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定 根據(jù)調(diào)查和類比、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，所以在擰斷螺栓梅花頭時(shí)，剛輪是固定的，柔輪輸出。 此時(shí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比 傳動(dòng)比帶符號(hào)，說明波發(fā)生器1的轉(zhuǎn)向于柔輪2的轉(zhuǎn)向相反，如圖3-1所示： 圖3-1 諧波傳動(dòng)簡圖 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）為套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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，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)無任何外約束時(shí)，與呈旋向相反的雙輸出運(yùn)動(dòng)。 第四章 電動(dòng)系統(tǒng)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[21-22]，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線齒形。 波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器： 長軸 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)輪齒與柔輪軸線平行，軸向尺寸較小，強(qiáng)度高，壽命長，但加工復(fù)雜；整體式柔輪結(jié)構(gòu)簡單，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套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)中，它扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動(dòng)精度高，承載能力大，效率高。 圖4-1 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)于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，可取pp=8MPa。 可見，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)套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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 代號(hào) 太陽輪 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 套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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。套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)的行星減速機(jī)構(gòu)正是利用這一點(diǎn)，采用了將太陽輪、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，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) 太陽輪a和行星輪g的輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算式 太陽輪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——太陽輪a的分度圓直徑（mm）； m——齒輪模數(shù)（mm）； ——太陽輪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，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。 4.5.軸承的選擇與校核 4.5.1.1 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 脂潤滑 油潤滑 NA6901 12 24 22 16.2 21.5 13000 19000 由于套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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 脂潤滑 油潤滑 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 4.5.1.2 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： （4-18） 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）改寫為： （4-19） 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。 4.5.1.3 軸承的潤滑方式 由于脂潤滑可以起到密封作用，且維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長，設(shè)計(jì)簡單，因此在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中軸承都采用二硫化鉬脂潤滑。 4.5.2鍵的選擇與校核 4.5.2.1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)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩，并且平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)。 在套筒扳手電動(dòng)系統(tǒng)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 137373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737373737聯(lián)接處： b×h×L=6×6×8 滑移鍵 內(nèi)套筒與行星輪支架聯(lián)接處： b×h×L=6×6×15 4.5.2.2鍵的校核 如圖6所示，當(dāng)平鍵聯(lián)接用于傳遞扭矩時(shí)，鍵的側(cè)面受擠壓，截面a-a受剪切，可能的失效形式是較弱零件(通常為輪轂)工作面的壓潰(對(duì)于靜聯(lián)接)或磨損(對(duì)于動(dòng)聯(lián)接)和鍵的剪斷。對(duì)于實(shí)際采用的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選用的鍵聯(lián)接尺寸來說，工作表面的壓潰或磨損是主要的失效形式。因此，對(duì)于平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算，通常可只進(jìn)行擠壓應(yīng)力(對(duì)于靜聯(lián)接)或壓強(qiáng)(對(duì)于動(dòng)聯(lián)接)的校核計(jì)算。 圖6 鍵的受力分析 假設(shè)工作面上的作用力沿鍵的長度和高度均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為： （4-20） 式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩 K——鍵與輪轂槽的接觸高度 B——鍵的工作長度 D——軸的直徑 ——鍵輪轂軸三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力 T=0.6446N.m k=0.5×4=2 結(jié)論：所選擇的鍵合格。 4.5.3圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、以及機(jī)構(gòu)要求（例如安裝空間對(duì)彈簧的尺寸限制）等來決定彈簧絲的直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長度等。 具體設(shè)計(jì)方法和步驟如下： （3） 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其力學(xué)性能數(shù)據(jù)。 （4） 選擇旋繞比C，通常C=5~89（極限狀態(tài)時(shí)不小于4或超過16），并按照下面公式計(jì)算出曲度系數(shù)K值 （5） 根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，根據(jù)C值估取彈簧絲直徑d，并根據(jù)表16-2查取彈簧絲的許用應(yīng)力。 （6） 試算彈簧絲的直徑，由公式可得 （4-20） 當(dāng)彈簧材料選用碳素鋼絲或者65Mn彈簧鋼絲時(shí)，因鋼絲的許用應(yīng)力決定于其，而是隨著鋼絲的直徑d變化的，所以計(jì)算時(shí)需先假設(shè)一個(gè)d值，然后進(jìn)行試算。最后的d、D、n及H0值符合表16-5所給的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列。 （7） 根據(jù)變形條件求出彈簧的工作圈數(shù)。由式和可知： 對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 對(duì)于壓縮彈簧或者無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 （8） 求出彈簧的尺寸D2、D1、H0，并檢查其是否符合安裝要求等。如不符合，則應(yīng)改選有關(guān)參數(shù)（例如C值)重新設(shè)計(jì)。 （9） 驗(yàn)算穩(wěn)定性。對(duì)于壓縮彈簧，如其長度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了便于制造以及避免失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般壓縮彈簧的長細(xì)比例按下列情況選?。寒?dāng)兩端固定時(shí)，取b<5.3；當(dāng)一端固定，另一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<3.7；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<2.6。 當(dāng)b大于上述數(shù)值時(shí)，要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，并滿足 （4-21） 式中： FC——穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷； Cu——不穩(wěn)定系數(shù)； Fmax——彈簧的最大工作載荷。 如Fmax5 >5~10 >10~18 >18~30 >30~50 >50~80 >80~120 >120~150 間隙c/mm 0.6 1 2 3 4 5 6 7 (2) 疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)于循環(huán)次數(shù)較多、在變應(yīng)力下工作的重要彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù),或者載荷變化的幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 圖16-12所示為彈簧在變載荷作用下的應(yīng)力變化狀態(tài)。圖中H0為彈簧的自由長度，F(xiàn)1和為安裝載荷和預(yù)壓變形量，F(xiàn)2和為工作時(shí)的最大載荷和最大變形。當(dāng)彈簧受載荷在F1和F2之間不斷循環(huán)變化時(shí)，則根據(jù)公式可得彈簧材料內(nèi)部所產(chǎn)生的最大和最小切應(yīng)力為 對(duì)應(yīng)于上述變應(yīng)力作用下的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算值及強(qiáng)度條件可按下式計(jì)算 式中：——彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)剪切疲勞極限，按變載荷作用次數(shù)N,由下表查??； SF——彈簧疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，當(dāng)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算和材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)精確性高時(shí)，取SF=1.3~1.7；當(dāng)精確性低時(shí)，取SF=1..8~2.2。 靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算 靜應(yīng)力遷都安全系數(shù)計(jì)算值的計(jì)算公式及強(qiáng)度條件為： 表5彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)剪切疲勞極限 變載荷作用次數(shù) 104 105 106 107 0.45 0.35 0.33 0.3 式中，為彈性材料的剪切屈服極限。靜應(yīng)力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)安全系數(shù)SS的選取與SF相同。 1）振動(dòng)驗(yàn)算。承受變載荷的圓柱螺旋彈簧常是在加載頻率很高的情況下工作（如內(nèi)燃機(jī)氣缸閥門彈簧）。為了避免引起彈簧的諧振而導(dǎo)致彈簧的破壞，需對(duì)彈簧進(jìn)行振動(dòng)驗(yàn)算，以保證其臨界工作頻率（即工作頻率的許用值）遠(yuǎn)低于其基本自振頻率。 圓柱螺旋彈簧的基本自振頻率（單位為Hz）為 （4-22） 式中：kF——彈簧的剛度，； Ms——彈簧的質(zhì)量，Kg。 將kF、Ms的關(guān)系式代入上式并取則 式中各符合的意義及單位同前。 彈簧的基本自振頻率fb應(yīng)不低于其工作頻率fw（單位為Hz）的15~20倍，以避免引起嚴(yán)重的振動(dòng)，即 或 根據(jù)GB/T2089-1994選出符合設(shè)計(jì)要求的彈簧： 圓柱旋壓彈簧 3.5×40×100 1×10×110 3×25×30 第五章 套筒扳手模具設(shè)計(jì)以及熱處理 套筒扳手的套筒心采用鑄造的方法，套筒上的擋板和拉手通過氬弧焊的方法焊接上去。套筒采用膨脹成型。脹形系數(shù)為:K Z = dmax/d0 式中 d m a x 為脹形后的最大內(nèi)徑, dmax = 25. 4mm d0 為脹形前的內(nèi)徑, d0 = 16mm 故 KZ = 2 5.4/16= 1.58 。 大端脹形力為: P=1.15σb(2t/Dmax)F 式中σb為材料抗拉強(qiáng)度, σb= 400M Pa F 為脹形面積, F = 11/ cos30°×15× 6=1143mm2 故 P = 82800M Pa。 因?yàn)樾《嗣浶瘟β孕∮诖蠖嗣浶瘟? 忽略其差值, 取大端脹形力 , 故總脹形力P脹=2P =1. 656×105M Pa 。由于凸模在進(jìn)入工件內(nèi)孔時(shí)與工件內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦,摩擦力取脹形力的 30% , 故總沖壓P總 = P 脹+ 0. 3P 脹= 215 280MPa。 5.1.膨脹成型模具設(shè)計(jì) 圖5-1為成型模具的結(jié)構(gòu)圖。固定模塊4設(shè)計(jì)成正方形，上端內(nèi)孔具有30°的斜角錐孔，并且與5凹模采用非常緊密的過盈配合。為了使凸模能順利進(jìn)入工件進(jìn)行膨脹成型，在凸