智能扭力扳手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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0引言

扭力扳手是一種能夠?qū)崟r(shí)反饋并控制擰緊力矩的常用工具,可以施加準(zhǔn)確的擰緊力矩。現(xiàn)有的扭力扳手都要先設(shè)定所需扭矩值再進(jìn)行擰緊操作，這要求操作者對(duì)螺栓所需扭矩值有一定的掌握。對(duì)此，課題組研制了一款根據(jù)螺栓規(guī)格自動(dòng)設(shè)定所需扭矩值的智能扭力扳手。該智能扭力扳手可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別螺栓規(guī)格，輔助設(shè)置相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算螺栓的許用扭矩，采用扭矩傳感器采集施加的扭矩值與許用扭矩值比較，達(dá)到許用值時(shí)扳手手柄出現(xiàn)微動(dòng)失效，及時(shí)卸載并提示不再加力。機(jī)械機(jī)構(gòu)部分主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算許用扭矩和加力達(dá)到所需值時(shí)及時(shí)卸載失效，防止因用力過(guò)猛損壞零部件。

1設(shè)計(jì)思路

智能扭力扳手由控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)2部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括無(wú)級(jí)定位夾持機(jī)構(gòu)和過(guò)載微動(dòng)失效機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)不但要適應(yīng)不同規(guī)格的螺栓，還要實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)螺栓規(guī)格與所需扭矩值的傳感器功能。因此選用無(wú)級(jí)定位的方式既能實(shí)現(xiàn)夾持裝置活動(dòng)端任意位置定位，用于夾持不同規(guī)格的螺栓，并且在加力時(shí)保持穩(wěn)定，又可通過(guò)活動(dòng)端與電位器關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)開口大小的檢測(cè)；過(guò)載微動(dòng)失效機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過(guò)載后在電磁鐵的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)扳手頭部和手柄連接鉸鏈的輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，及時(shí)減小施加載荷，并提示操作者不再加力。

2設(shè)計(jì)原理

（1）無(wú)級(jí)定位夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)用于夾持螺栓六角頭，為了適應(yīng)不同規(guī)格的螺栓，夾持開口大小必須可調(diào)。傳統(tǒng)的活動(dòng)口扳手的調(diào)整是利用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，利用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的反向自鎖實(shí)現(xiàn)活動(dòng)端的定位，但是這種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率低，扳手開口調(diào)節(jié)較慢。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)級(jí)定位夾持機(jī)構(gòu)通過(guò)滑塊在定位軌道中滑動(dòng)調(diào)節(jié)開口大小，調(diào)節(jié)大小一步到位，效率較高，利用接觸面的摩擦力實(shí)現(xiàn)定位，穩(wěn)定可靠。

（2）夾持機(jī)構(gòu)原理分析

無(wú)級(jí)定位夾持機(jī)構(gòu)由扳手頭主體、滑塊、活動(dòng)端、銷軸等幾部分組成。如圖1所示，滑塊與活動(dòng)端通過(guò)銷軸鉸接，滑塊在扳手頭主體的導(dǎo)槽中滑動(dòng)，活動(dòng)端的下表面在導(dǎo)軌上表面上滑動(dòng)，活動(dòng)端中間部位的三角形凸起用于夾持螺栓頭的定位。

（3）過(guò)載微動(dòng)失效機(jī)構(gòu)原理分析

由于智能扳手控制系統(tǒng)的輸出電壓最大為12V，低電壓電磁鐵的電磁力是有限的，因此利用鋼珠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)低特性，實(shí)現(xiàn)大載荷微動(dòng)機(jī)構(gòu)的低電壓驅(qū)動(dòng)。過(guò)載失效機(jī)構(gòu)原理。該機(jī)構(gòu)由扳手頭部、聯(lián)接銷軸、扳手手柄、卡栓、復(fù)位彈簧、鋼珠、鎖緊套、電磁鐵等零部件組成，扳手頭部和手柄通過(guò)聯(lián)接銷軸鉸接，卡栓圓柱面有凹槽來(lái)配合鋼珠并在鎖緊套的作用下將卡栓定位。電磁鐵為動(dòng)力元件，不通電時(shí)，鎖緊套在復(fù)位彈簧的作用下將鋼珠和卡栓鎖緊，卡栓的上表面與扳手頭部下表面相接觸，鉸接處無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)擰緊螺栓時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)施加的扭矩值并與所需值比較，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需扭矩值時(shí)，給電磁鐵通電，鎖緊套在磁鐵吸力的作用下向下運(yùn)動(dòng)使鋼珠和卡栓解脫，卡栓解脫后在施加扭矩的作用下鉸接處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到頭部與手柄壁接觸為止。扳手?jǐn)Q緊螺栓過(guò)程中力量較大，小電壓驅(qū)動(dòng)的電磁鐵力量比較小，此機(jī)構(gòu)巧妙的運(yùn)用鋼珠摩擦系數(shù)小的特性，使用較小的驅(qū)動(dòng)力使扳手在施加扭矩值達(dá)到所需值后及時(shí)卸載，有效防止扭矩值的進(jìn)一步增大。

3仿真與優(yōu)化

（1）有限元仿真

扳手頭部夾持機(jī)構(gòu)受力較大，運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。裝配體的有限元分析計(jì)算中，需要考慮各零件之間的接觸問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中接觸面之間的摩擦系數(shù)是重要參數(shù)。因此，首先要建立合理的力學(xué)模型，正確設(shè)置各接觸面的接觸類型及摩擦系數(shù)。扳手?jǐn)Q緊螺栓時(shí)，夾持端面會(huì)受到被夾持件的反作用力。對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的夾持接觸面施加法向載荷，模擬螺栓的擰緊過(guò)程，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。該扳手的使用范圍為M5～M24。經(jīng)計(jì)算，擰緊M24的普通六角頭螺栓需要施加260Nm的扭矩，M24的螺栓六角頭對(duì)邊距為36mm，需要2個(gè)夾持面各施加大小約7kN的力。因此，分別對(duì)2個(gè)夾持端面施加法向載荷，大小均為7kN，設(shè)置活動(dòng)端和滑塊與扳手主體的摩擦系數(shù)為0.3，在機(jī)構(gòu)與手柄聯(lián)接處施加固定約束。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化

仿真結(jié)果顯示，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，受力不均勻，這是由于模型設(shè)計(jì)中形狀突變?cè)斐傻模赏ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善此問(wèn)題。根據(jù)各個(gè)零件的應(yīng)力云圖，各個(gè)零件分別做以下優(yōu)化：①扳手主體。在夾持頭與主體聯(lián)接突變處，添加肋板進(jìn)行加固，并將突變處更改為圓角過(guò)渡；②活動(dòng)端。在活動(dòng)端中間部位銷軸上方的突變處進(jìn)一步加固，將圓角過(guò)渡更改為肋板，在活動(dòng)端與主體接觸摩擦面位置受力較大處，對(duì)通槽中無(wú)干涉位置進(jìn)行實(shí)體填充，直角改為圓角。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)智能扭力扳手的總體方案，設(shè)計(jì)了其機(jī)械機(jī)構(gòu)部分。巧妙的運(yùn)用鋼球組合機(jī)構(gòu)解決了小力驅(qū)動(dòng)控制大力機(jī)構(gòu)的微動(dòng)，分析了夾持機(jī)構(gòu)利用摩擦力實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)定位的可行性。并運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后各部位的應(yīng)力值滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足了智能扭力扳手的設(shè)計(jì)需求，智能扭力扳手能有效解決技術(shù)資料在工程實(shí)際中運(yùn)用較少的問(wèn)題，能夠快速準(zhǔn)確地施加擰緊力矩，智能化程度進(jìn)一步提高。

作者：趙排航 王克印 黃海英 陳玉昆 單位：軍械工程學(xué)院