智能扭力扳手機械結構設計論文
0引言
扭力扳手是一種能夠實(shí)時(shí)反饋并控制擰緊力矩的常用工具,可以施加準確的擰緊力矩�，F有的扭力扳手都要先設定所需扭矩值再進(jìn)行擰緊操作，這要求操作者對螺栓所需扭矩值有一定的掌握。對此，課題組研制了一款根據螺栓規格自動(dòng)設定所需扭矩值的智能扭力扳手。該智能扭力扳手可實(shí)現自動(dòng)識別螺栓規格，輔助設置相關(guān)參數，自動(dòng)計算螺栓的許用扭矩，采用扭矩傳感器采集施加的扭矩值與許用扭矩值比較，達到許用值時(shí)扳手手柄出現微動(dòng)失效，及時(shí)卸載并提示不再加力。機械機構部分主要實(shí)現自動(dòng)計算許用扭矩和加力達到所需值時(shí)及時(shí)卸載失效，防止因用力過(guò)猛損壞零部件。
1設計思路
智能扭力扳手由控制系統和機械結構2部分組成。機械結構部分主要包括無(wú)級定位夾持機構和過(guò)載微動(dòng)失效機構。夾持機構不但要適應不同規格的螺栓，還要實(shí)現關(guān)聯(lián)螺栓規格與所需扭矩值的傳感器功能。因此選用無(wú)級定位的方式既能實(shí)現夾持裝置活動(dòng)端任意位置定位，用于夾持不同規格的螺栓，并且在加力時(shí)保持穩定，又可通過(guò)活動(dòng)端與電位器關(guān)聯(lián)實(shí)現開(kāi)口大小的檢測；過(guò)載微動(dòng)失效機構實(shí)現過(guò)載后在電磁鐵的驅動(dòng)下實(shí)現扳手頭部和手柄連接鉸鏈的輕微轉動(dòng)，及時(shí)減小施加載荷，并提示操作者不再加力。
2設計原理
�。�1）無(wú)級定位夾持機構
夾持機構用于夾持螺栓六角頭，為了適應不同規格的螺栓，夾持開(kāi)口大小必須可調。傳統的活動(dòng)口扳手的調整是利用蝸輪蝸桿機構實(shí)現的，利用蝸輪蝸桿機構的反向自鎖實(shí)現活動(dòng)端的定位，但是這種機構傳動(dòng)效率低，扳手開(kāi)口調節較慢。本文所設計的無(wú)級定位夾持機構通過(guò)滑塊在定位軌道中滑動(dòng)調節開(kāi)口大小，調節大小一步到位，效率較高，利用接觸面的摩擦力實(shí)現定位，穩定可靠。
�。�2）夾持機構原理分析
無(wú)級定位夾持機構由扳手頭主體、滑塊、活動(dòng)端、銷(xiāo)軸等幾部分組成。如圖1所示，滑塊與活動(dòng)端通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接，滑塊在扳手頭主體的導槽中滑動(dòng)，活動(dòng)端的下表面在導軌上表面上滑動(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)失效機構原理分析
由于智能扳手控制系統的輸出電壓最大為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)摩擦系數低特性，實(shí)現大載荷微動(dòng)機構的低電壓驅動(dòng)。過(guò)載失效機構原理。該機構由扳手頭部、聯(lián)接銷(xiāo)軸、扳手手柄、卡栓、復位彈簧、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(xiāo)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)法轉動(dòng)。當擰緊螺栓時(shí)，控制系統檢測施加的扭矩值并與所需值比較，當到達所需扭矩值時(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)生轉動(dòng)，轉到頭部與手柄壁接觸為止。扳手擰緊螺栓過(guò)程中力量較大，小電壓驅動(dòng)的`電磁鐵力量比較小，此機構巧妙的運用鋼珠摩擦系數小的特性，使用較小的驅動(dòng)力使扳手在施加扭矩值達到所需值后及時(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
扳手頭部夾持機構受力較大，運用大型有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行靜力學(xué)仿真，驗證設計的合理性，并根據仿真結果進(jìn)一步對模型進(jìn)行優(yōu)化。裝配體的有限元分析計算中，需要考慮各零件之間的接觸問(wèn)題，本設計中接觸面之間的摩擦系數是重要參數。因此，首先要建立合理的力學(xué)模型，正確設置各接觸面的接觸類(lèi)型及摩擦系數。扳手擰緊螺栓時(shí)，夾持端面會(huì )受到被夾持件的反作用力。對夾持機構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2個(gè)夾持端面施加法向載荷，大小均為7kN，設置活動(dòng)端和滑塊與扳手主體的摩擦系數為0.3，在機構與手柄聯(lián)接處施加固定約束。
�。�2）結構優(yōu)化
仿真結果顯示，該機構設計模型存在嚴重的應力集中現象，受力不均勻，這是由于模型設計中形狀突變造成的，可通過(guò)結構優(yōu)化改善此問(wèn)題。根據各個(gè)零件的應力云圖，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(xiāo)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結語(yǔ)
針對智能扭力扳手的總體方案，設計了其機械機構部分。巧妙的運用鋼球組合機構解決了小力驅動(dòng)控制大力機構的微動(dòng)，分析了夾持機構利用摩擦力實(shí)現無(wú)級定位的可行性。并運用ANSYS軟件對夾持機構的受力進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據結果進(jìn)行結構優(yōu)化，優(yōu)化后各部位的應力值滿(mǎn)足設計要求。機械結構的設計滿(mǎn)足了智能扭力扳手的設計需求，智能扭力扳手能有效解決技術(shù)資料在工程實(shí)際中運用較少的問(wèn)題，能夠快速準確地施加擰緊力矩，智能化程度進(jìn)一步提高。
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