譚 華， 胡 廣

（1. 湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 岳陽(yáng)414006；2. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙410083）

大扭矩沖擊扳手沖擊系統(tǒng)的優(yōu)化研究

譚 華1，2， 胡 廣1

（1. 湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 岳陽(yáng)414006；2. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙410083）

利用市場(chǎng)上標(biāo)稱600N.m的電動(dòng)沖擊扳手為研究對(duì)象， 首先通過(guò)高速攝像和ProAnalyst高速分析軟件獲得了沖擊系統(tǒng)中撞錘的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)， 然后對(duì)沖擊扳手的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 獲得了優(yōu)化后的高效沖擊扳手， 為傳統(tǒng)產(chǎn)品的改進(jìn)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù).

沖擊扳手； 撞錘； 沖擊系統(tǒng)； 高速攝像； 沖擊能量

沖擊扳手又名高強(qiáng)度螺栓槍， 是一種擰緊高強(qiáng)度螺栓的工具. 從驅(qū)動(dòng)上主要分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓3類. 在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)， 通常采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手， 這樣可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)［1］. 此外， 采用電動(dòng)工具代替手動(dòng)工具可以大大提高工人的工作效率， 改善勞動(dòng)強(qiáng)度. 在長(zhǎng)期使用中， 電動(dòng)扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)——體積小、重量輕便、高效、安全可靠， 從而使電動(dòng)扳手成為施工現(xiàn)場(chǎng)不可或缺的專用工具［2～5］. 本文針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電動(dòng)沖擊扳手現(xiàn)狀提出了新型的設(shè)計(jì)方案， 通過(guò)高速攝像分析了其沖擊系統(tǒng)［6～9］， 以市場(chǎng)上標(biāo)稱600N.m的電動(dòng)沖擊扳手為試驗(yàn)本體， 分析了沖擊系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)輸出沖擊能量的影響， 且進(jìn)行了優(yōu)化前后輸出沖擊能量的對(duì)比， 獲得了高效的沖擊系統(tǒng).

1　電動(dòng)沖擊扳手沖擊系統(tǒng)工作原理

以市場(chǎng)上標(biāo)稱600N.m電動(dòng)沖擊扳手為研究對(duì)象， 并保證其電機(jī)輸出功率和減速傳動(dòng)比不變. 圖1為電動(dòng)沖擊扳手沖擊機(jī)構(gòu).

電動(dòng)沖擊扳手是由電機(jī)10驅(qū)動(dòng)行星齒輪9的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速， 帶動(dòng)中間軸8旋轉(zhuǎn). 中間軸8上設(shè)計(jì)一對(duì)凸輪槽4， 沖擊撞錘3上設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的凸輪槽6， 中間通過(guò)兩個(gè)鋼球5將力矩傳遞到撞錘3上. 撞錘3和中間軸8上還安裝了一個(gè)圓柱型直彈簧7， 該彈簧起到蓄能驅(qū)動(dòng)撞錘的作用. 中間軸8旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼球5， 從而驅(qū)動(dòng)撞錘3旋轉(zhuǎn)， 同時(shí)通過(guò)凸輪槽4和6導(dǎo)向并壓縮蓄能彈簧7， 使得撞錘3的兩個(gè)沖擊凸臺(tái)不斷地撞擊T型輸出軸1的兩個(gè)翅膀， 從而導(dǎo)致輸出軸1旋轉(zhuǎn)， 并通過(guò)輸出軸1將扭矩傳到連接螺栓的套筒， 最終將扭矩傳遞到螺栓， 使得螺栓擰緊或擰松.

圖 1 電動(dòng)沖擊扳手沖擊機(jī)構(gòu)

2　高速攝像分析撞錘運(yùn)動(dòng)

實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)高速攝像機(jī)、一臺(tái)裝有高速攝像驅(qū)動(dòng)軟件和ProAnalyst軟件的電腦. 實(shí)驗(yàn)步驟為：首先制作沖擊扳手高速攝像樣板， 然后用高速攝像機(jī)采集撞錘運(yùn)動(dòng)軌跡， 最后通過(guò)ProAnalyst軟件分析撞錘運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和計(jì)算撞錘速度［10］.

2.1高速攝像沖擊扳手樣板建立

拍攝高速攝像需要保證沖擊扳手功能正常的前提下對(duì)沖擊扳手沖擊系統(tǒng)的齒輪箱殼體進(jìn)行剖開(kāi)， 確保拍攝時(shí)盡可能露出撞錘的完整的工作過(guò)程， 從而使得高速攝像機(jī)能拍攝出撞錘更完整的運(yùn)動(dòng)軌跡. 此處需要注意的是， 對(duì)齒輪箱刨開(kāi)要根據(jù)實(shí)際需要測(cè)量的位置而定. 沖擊扳手拍攝樣板如圖2所示. 在拍攝過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)： （1） 拍攝前在撞錘前段側(cè)面一圈上等弧長(zhǎng)做5個(gè)白色標(biāo)記； （2） 保證剖開(kāi)的區(qū)域正對(duì)攝像頭； （3） 采用5000～8000幀的拍攝速度； （4） 當(dāng)需要拍攝負(fù)載工況時(shí)， 盡量保證沖擊扳手機(jī)身與工作介質(zhì)垂直以避免無(wú)用的震動(dòng)和其

他影響因素； （5） 拍攝前工作3～5min； （6） 拍攝時(shí)長(zhǎng)確保大于一個(gè)工作周期.

圖2　高速攝像樣板（軸向）

2.2高速攝像撞錘運(yùn)動(dòng)分析

將拍攝好的高速攝像射頻輸入到ProAnalyst高速攝像分析軟件， 該軟件會(huì)一幀一幀跟蹤視頻中的白色標(biāo)記， 并自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)完整的工作沖擊行程中撞錘的角速度， 如圖3所示； 從而可以計(jì)算出撞錘的旋轉(zhuǎn)沖擊能量， 如圖4所示. 由ProAnalyst分析的數(shù)據(jù)可知， 在0.0128s時(shí)， 撞錘具有最大的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度342rad/s和最大的沖擊能量14.1J， 此時(shí)撞錘撞擊輸出軸產(chǎn)生最大的沖擊扭矩.

圖3　ProAnlyst分析撞錘角速度

圖4　ProAnlyst分析撞錘沖擊能量

3　沖擊扳手沖擊系統(tǒng)沖擊能量?jī)?yōu)化

3.1撞錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)沖擊能量的影響

沖擊撞錘在沖擊系統(tǒng)中除了自身強(qiáng)度要求外， 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)沖擊能量的影響非常大. 研究對(duì)象的沖擊扳手撞錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.2417g·m2. 本研究在其他條件不變的情況下從0.16～0.32范圍之間改變撞錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 取步長(zhǎng)為0.02， 即0.16， 0.18， 0.20， 0.22， 0.24， 0.26， 0.28， 0.30， 0.32， 9組數(shù)據(jù)作為研究變量. 同樣用上述高速攝像拍攝的方法分析撞錘的沖擊能量， 如圖5所示， 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.28g·m2時(shí)具有最大沖擊能量為17J.

3.2蓄能彈簧的彈性系數(shù)對(duì)沖擊能量的影響

研究對(duì)象的蓄能彈簧的彈性系數(shù)為40N/mm. 本研究在40～60范圍內(nèi)改變蓄能彈簧的彈性系數(shù)， 保證研究對(duì)象其他參數(shù)不變的情況下取步長(zhǎng)為5， 即40， 45， 50， 55， 60， 5組不同彈性系數(shù)的蓄能彈簧作為研究變量， 同樣可以獲得撞錘的沖擊能量， 如圖6所示. 當(dāng)彈性系數(shù)為50N/mm時(shí)具有最大沖擊能量為16.5J.

圖5　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量-撞錘沖擊能量關(guān)系

圖6　彈性系數(shù)-撞錘沖擊能量關(guān)系

3.3凸輪槽夾角對(duì)沖擊能量的影響

研究對(duì)象的凸輪軸凸輪槽夾角為45°. 本研究在35°～55°范圍內(nèi)改變凸輪槽夾角， 在保證其他條件不變的情況下取凸輪槽夾角步長(zhǎng)為5°， 即35°， 40°， 45°， 50°， 55°， 5組凸輪槽夾角作為研究變量. 同樣獲得撞錘沖擊能量， 如圖7所示. 當(dāng)凸輪槽夾角為45°時(shí)具有最大沖擊能量為14.1J. 當(dāng)夾角為35°和55°時(shí)， 撞錘卡死無(wú)輸出.

3.4系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在研究對(duì)象其他參數(shù)不變的情況下， 取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值為0.28g·m2， 取蓄能彈簧的彈性系數(shù)為50N/mm，取凸輪槽夾角為45°； 同樣獲得撞錘沖擊能量， 如圖8所示（粗實(shí)線）， 最大沖擊能量為18J. 對(duì)比研究對(duì)象的沖擊能量（圖8中細(xì)實(shí)線）， 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案撞錘的沖擊能量提升了28%.

圖7　凸輪槽夾角-撞錘沖擊能量關(guān)系

圖8　優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比圖

4　總結(jié)

本文通過(guò)高速攝像和ProAnlyst計(jì)算了研究對(duì)象的沖擊系統(tǒng)輸出沖擊能量， 優(yōu)化了研究對(duì)象沖擊系統(tǒng)，提升了輸出沖擊能量. 為科研工作者和企業(yè)提供了設(shè)計(jì)理論和分析方法， 同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改善和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了可靠依據(jù)， 并介紹了一種先進(jìn)的、有效的高速攝像和ProAnlyst計(jì)算分析方法用于測(cè)量沖擊扳手的關(guān)鍵參數(shù). 由于受時(shí)間和條件所限， 本研究?jī)H限于通過(guò)實(shí)測(cè)推導(dǎo)計(jì)算測(cè)量沖擊扳手的沖擊系統(tǒng)， 更進(jìn)一步的理論研究以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性文件將會(huì)在后續(xù)研究中探討.

［1］ 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 第5版. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2008

［2］ 譚 華， 譚 云. 手持式錘鉆工具機(jī)， 201310035398.8［P］. 2013-01-30

［3］ 譚 華. 電錘氣缸氣孔對(duì)鉆孔效率的影響［J］. 機(jī)床與液壓， 2013，4， 77～79

［4］ 賴后翔. 電動(dòng)沖擊扳手， 01114458.0［P］. 2001.05.14

［5］ 楊保強(qiáng). 一種電動(dòng)沖擊扳手， 201110107631X［P］. 2011.04.28

［6］ 錢 滔， 馬鴻喜. 電錘鉆桿轉(zhuǎn)速與沖擊頻率的匹配對(duì)鉆孔效率影響［J］. 電動(dòng)工具， 2000， 1：16～19

［7］ 吳愷民， 王家駒. 電錘沖擊機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)沖擊功和鉆孔效率的影響［J］. 電動(dòng)工具， 2000，1： 11～15

［8］ 馬曉娟. 電錘及其壓縮真空式?jīng)_擊機(jī)構(gòu)［J］. 電動(dòng)工具1999， 2： 22～23

［9］ 王忠發(fā). 壓氣活塞式?jīng)_擊機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算［J］. 鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具， 1994， 2： 2～4

［10］ 譚 華，胡 廣. HSV反求電錘沖擊氣動(dòng)系統(tǒng)及優(yōu)化［J］. 機(jī)床與液壓， 2016， 44： 121～124

The Optimization Research of Impact System of High Torque Impact Wrench

TAN Hua1，2， HU Guang1
（1. College of Mechanical Engineering， Hunan Institute of Science and Technology， Yueyang 414000， China；2. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing， Central South University， Changsha 410083， China）

600nm-nominal electric impact wrench is chosen as a study object in the paper. First the hammer motion data of impact system are acquired from high speed video and ProAnalyst software. And then the key parameters of impact wrench are optimized. Finally， an efficient impact wrench can be obtained， which provides an important theoretical basis for old product improvement and new product development of impact wrench.

impact wrench； hammer； impact system； high speed video； impact energy

TH122

A

1672-5298（2016）03-0040-03

2016-06-12

湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目（15C0619）； 湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014GK3050）； 國(guó)家留學(xué)基金委地方合作資助項(xiàng)目（201308430462）

譚 華（1982- ）， 女， 湖南臨湘人， 博士研究生， 湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師. 主要研究方向： 機(jī)械設(shè)計(jì)