共 5 頁 第 1 頁開題報告一、 設計題目：電動扳手設計二、 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)構工程中，為我國推廣使用扭剪型高強度螺栓新技術提供了有力保證。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——柔輪工作時的切應力及殼壁內(nèi)的正應力的最大值均發(fā)生在柔輪的根部（并有應力集中的影響） ，根部是最危險的截面。因此，改善柔輪根部的結(jié)構和加工品質(zhì)是提高強度和使用壽命的關鍵措施。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。共 5 頁 第 2 頁四 畢業(yè)設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，它應該由動力機、傳動機構和工作機構組成。根據(jù)前述設計任務要求，動力機應選用電源為 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，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，將傳動機構設計成封閉系統(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（套筒）之間就需要采用大傳動比傳動機構。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)構復雜，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，因此結(jié)構復雜，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簡化為低速構件具有固定的轉(zhuǎn)動軸線，不需要等角速比機構，運動直接輸出。因此諧波傳動具有速比大（i 可達 500） ，機構件數(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 、1Z、 是2Z3圖 1 電動扳手機構方案簡圖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)機構方案，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 ——平面機構的構件數(shù)：——機構中的低副數(shù)；Lp——機構中的高副數(shù)。H鑒于圖 2 電動扳手機構中各構件的回轉(zhuǎn)軸均互相平行，因此該機構可視為平面機構。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，兩機構均為自由度等于 2 的差動機構。由此機構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備位置。（2）設計時，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雜。因此設計中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體，構成差動機構，可使內(nèi)、外套筒及相關輪系結(jié)構之間形成封閉力線，從而機殼不承受外力矩，則機殼的加工性能大大改善。按上述機構方案設計的電動扳手，其操作步驟（圖 1）如下：1） 高強度螺栓預緊在被緊固件上，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，內(nèi)外套筒背向旋轉(zhuǎn)將螺栓緊固，待緊固到螺栓達到設計力矩時，將梅花頭切口扭斷；4） 關閉電源，將外套筒脫離螺母，用手推動開關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 撰寫設計說明書6 月 13 日 - 6 月 25 日 設計評審、準備答辯六 參考文獻：[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.起重機設計手冊.第一版.北京：中國鐵道出版社，1998[3] 馬鞍山鋼鐵設計院等編.中小型軋鋼機設計計算.北京：冶金出版社， 1979[4] 陳立周 .飛剪機剪切機構的合理設計.北京：北京鋼鐵學院學報 1980， （1）[5] Simon，J.M.Computerized Synthesis of Straight Line Four-Bar Linkages from Inflection Circle Properties . Transactions of the ASME.Journal of Engineering for Industry. August 1977:610-614[6] R.Strawertron .Flying Shears for Bars and Beams.Journal of the Iron and steel Institute .1958,(3),181[7] 李克涵 .應用鮑爾點（ Ball Point）理論設計連桿直移機構.機械設計.1982[8] 李克涵 .新型 150kN 曲柄連桿式鋼坯飛剪機的研制.冶金設備 .1991， （1）[9] 李克涵 .工業(yè)機械手運動參數(shù)的分析與綜合.機械設計.1993， （4）[10] 沈允文，葉慶泰 .諧波齒輪傳動的理論和設計.北京：機械工業(yè)出版社，1985[11] 許洪基主編 .現(xiàn)代機械傳動手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1995[12] 沃爾闊夫等主編 .諧波齒輪傳動.項其權等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1985[13] 雷廷權等主編 .30CrMnSiA 鋼調(diào)質(zhì)-旋壓-時效工藝研究. 黑龍江機械.1981，No.3[14] M.Frocht.光測彈性力學.陳森譯.北京：科學出版社，1994[15] 羅祖道.吳連元.彈性圓柱薄殼的一般穩(wěn)定性.力學學報.1962，Vol.5,No.1[16] 徐灝.機械設計手冊 .機械工業(yè)出版社 .1995 年 12 月