氣動沖擊扳手的結(jié)構(gòu)設計

1、氣動沖擊扳手的結(jié)構(gòu)設計 摘 要本課題主要在研究對象是通用氣動沖擊扳手。 首先是對氣動沖擊扳手內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)零件進行建模和分析，通過對通用緊固件的分析，收集工程數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上運用專業(yè)的三維實體造型軟件對其進行實體造型設計和建模仿真，再對模型各個受力部件、主要的沖擊部分進行必要的計算和改進，進一步改良和完善本課題的設計。 本課題目在工程機械設計和理論試運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的前擔下，動用了工業(yè)設計的相關(guān)設計理念，這兩方面的有機結(jié)合在一定程度上使本課下周的設計更體現(xiàn)了現(xiàn)代機械設計制造的先進性。關(guān)鍵字： 氣動沖擊扳手 實體造型 測量 逆向 曲線和曲面目 錄一.引言4二氣動沖擊扳手的研究和意義 4 2.1氣動

2、沖擊扳手的不足4三氣動沖擊扳手的工作原理 5 3.1工作原理 5四.氣動沖擊扳手在國內(nèi)外的研究與分析 6 4.1 氣動沖擊扳手的調(diào)查 6 4.2 cad技術(shù)的發(fā)展 7五. 氣動沖擊扳手的結(jié)構(gòu)設計及裝配 8 5.1 氣動沖擊扳手的零件結(jié)構(gòu)設計 85.2 氣動沖擊扳手的裝配 12 5.3 相關(guān)數(shù)據(jù)分析 15 六致謝 19七參考文獻 20一 . 引言制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，無論是在發(fā)達國家，還是在發(fā)展中國家，制造業(yè)在國民經(jīng)濟中均占據(jù)主要地位。而設計作為產(chǎn)品制造的前提，它的完善和發(fā)展正不斷的為制造業(yè)注入新的動力。在當前競爭激烈，需求變化非常迅速的市場環(huán)境下，傳統(tǒng)的機械設計制造技術(shù)正發(fā)生著深刻的變革

3、，先進設計制造技術(shù)顯著地表現(xiàn)出了高質(zhì)量、快響應、靈活、敏捷等特點。極大的滿足了機械設計人員多樣化、快速化、概念化的設計需求。同盟時也可以在產(chǎn)品設計階段來完善產(chǎn)品，不用浪費大量的人力財力。同時，工業(yè)產(chǎn)品作為設計制造的終端工具在使用過程中必須要體現(xiàn)出以人為本的設計要求。目前較多的機械常用工具的外形設計上都是基于工程數(shù)據(jù)的純機械造型，在很大層度上忽略了工具使用者作為工作主體的概念。為了體現(xiàn)工業(yè)設計的人機理念，工業(yè)產(chǎn)品的設計越來越向人性化設計邁進。從而在外觀、適用、性能等各個方面達到最理想的效果。產(chǎn)品設計的快速化、多樣化、功能化、人性化等特點，將進一步推動制造業(yè)在市場上的不斷發(fā)展。二. 氣動沖擊扳手的

4、研究和意義在機械制造來中,各種螺紋聯(lián)接的應用十分廣泛,螺紋裝配技術(shù)是機電工業(yè)的共性技術(shù).重要的是機電產(chǎn)品,如發(fā)電機,變電器,汽車,拖拉機,機床等對裝配質(zhì)量的要求很高,因此對通用擰緊工具的要求也越來越高,氣動沖擊扳手的主要特點有以下四點:1耐高氣壓,2動力強大,3性能穩(wěn)定.4使用壽命長. 據(jù)相關(guān)資料表明，全國汽車、拖拉機、發(fā)動機等動力機械廠超過100家，配件廠超過500家。需要大量不同精度的裝配工具和裝配系統(tǒng)來滿足工藝上的需要。以每個主機廠需要單軸扳手100臺，每個配件廠需單軸扳手10臺估算，則該行業(yè)需單鈾扳手1.5萬臺。如果考慮壓縮機、電機電器和工程安裝等行業(yè)，則全國大概需要氣動沖擊扳手5萬臺

5、。加上常規(guī)的沖擊式電動扳子需求量5萬臺，市場前景十分可觀。進口的擰緊工具及裝配系統(tǒng)的價格經(jīng)國產(chǎn)的要貴,近年來，中國國內(nèi)有能力開發(fā)這些工具和裝配系統(tǒng)。其價格都要比國外的便宜，如果一發(fā)成功后，可以節(jié)約大量外匯，減少維修技術(shù)人員的維修工作和昂貴工資，其經(jīng)濟效益和社會效益都非常顯著。2.1氣動沖擊扳手的不足雖然已經(jīng)完成了本課題的設計，但還有很多地方值得進一步提高和改進。比如在實體建模方面，如果能實現(xiàn)仿真運動那就更理想了。在測量掃描時，點數(shù)據(jù)的數(shù)量也可以加大，雖然這會導致計算的復雜層度，使本課題目的設計更加復雜，但如果能進行大數(shù)據(jù)采集、分析的話，那么數(shù)據(jù)重建后所形成的曲面就會更加完美。三.氣動沖擊扳手工

6、作原理3.1 工作原理氣動沖擊扳手產(chǎn)品分類較多，本課題主要研究槍式的手握型，其外觀如圖所示 氣動沖擊扳手氣動沖擊扳手的主要工作部件由兩部分組成，分別是氣動馬達部分和沖擊錘打部分， 氣動馬達 沖擊錘打氣動馬達組件主要由偏心汽缸、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、活葉片和密封端蓋等部件組成，主要完成氣能 轉(zhuǎn)換為高扭力的動能。被壓縮的空氣氣流從空氣壓縮機出來，經(jīng)過管路，從汽缸兩個端蓋上的進氣口進入汽缸室內(nèi)，再利用汽缸的偏心設計，將氣流噴向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的活葉片，于是活葉片帶動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作，活葉片在離心力的作用下和汽缸內(nèi)壁貼緊，把進氣口和出氣口動態(tài)的隔離，此后轉(zhuǎn)子就利用氣流在活葉片上產(chǎn)生的壓力差恒速的轉(zhuǎn)動，當活葉片在做圓

7、周旋轉(zhuǎn)時，它每到一個固定角度就經(jīng)過排氣孔，排氣孔將集中在每一間隔活葉片內(nèi)的氣流排出，而排出的氣流同時與進氣至密閉式汽缸室內(nèi)，重復回轉(zhuǎn)后被充分利用，因此有了高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，將高速轉(zhuǎn)子透過機械結(jié)構(gòu)由原來的氣能轉(zhuǎn)換為高扭力的動能。沖擊錘打組件主要由慣性沖擊架、傳動套、沖擊爪和扭力輸出軸等組成，主要將恒定扭力轉(zhuǎn)換為高強度的脈沖扭力，以實現(xiàn)高扭力作業(yè)的需要。從汽缸組輸出的恒定扭力通過花鍵連接帶動錘打組的慣性沖擊架，使沖擊架高速飛轉(zhuǎn)產(chǎn)生高強度的旋轉(zhuǎn)慣性。如果在聯(lián)接件比較松的情況下，沖擊架直接帶動輸出軸，此時輸出的是沖擊扭力；如果聯(lián)接件較緊，而且所需要的扭緊力比沖擊架輸出的扭力大時，在沖擊架旋轉(zhuǎn)一周的過程中，

8、安裝在沖擊架上的沖擊爪就會沖擊一下輸出軸的外切線，把沖擊架的慣性轉(zhuǎn)化為高強度的脈沖扭力。在沖擊一次輸出軸后，沖擊爪和輸出軸出現(xiàn)鎖死，錘打組各部件有一個瞬時的停頓，這時連接在風馬達旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的傳動套在恒扭力的作用下，撥開沖擊爪和輸出軸的死鎖，沖擊架繼續(xù)在恒扭力的作用下高速飛轉(zhuǎn)產(chǎn)生高慣性，開始下一次的沖擊。四.氣動沖擊扳手在國內(nèi)外的研究及分析4.1 氣動沖擊扳手調(diào)查 國外的機電、汽車制造行業(yè)已普遍采用可控扭矩、可控轉(zhuǎn)角和控制屈服點的審批權(quán)緊工具，并采用了微機控制的智能型裝配系統(tǒng)。在氣動工具方面，比較著名的有英格蘭公司，該公司主要生產(chǎn)氣動工具等，是全美最大的機械及設備生產(chǎn)廠家，擁有aro ，beeb

9、e，charlesmaire等一些氣動產(chǎn)品品牌。 中國機電、汽車產(chǎn)品的裝配擰緊工具目前還比較落后，雖然有江蘇通潤機電集團等一些進出口公司，但是他們生產(chǎn)制造的擰緊工具主要以手動扳手為主。而在氣動工具方面的生產(chǎn)單位，無論從裝配質(zhì)量還是多用性上都與國外產(chǎn)品有較大差距。也不能系列地批量供應生產(chǎn)急需的中、高檔擰緊工具及裝配系統(tǒng)，為此國家每年都要花費大量外匯購買國外產(chǎn)品及備件。為適應汽車等現(xiàn)代機電產(chǎn)品的高性能、高可靠、高安全性能的要求和自動化生產(chǎn)的需要，螺紋擰緊裝配工具及系統(tǒng)正在向低能耗、低噪聲、控制精確等方向發(fā)展。我們國家的通用擰緊工具制造廠商正致力于開發(fā)定扭矩的氣動、電動扳手等，目前主要開發(fā)方向有心下

10、幾點：1定扭矩氣動扳手的扭矩精度要達到0.08-0.1。2是沖擊式定扭矩電動扳手的扭矩控制精度要要達到0.08-0.15。3定扭矩內(nèi)燃動力扳手。 氣動沖擊扳手提供動力的主要是壓縮的高壓空氣。以空氣作為動力原料，取材方便而且沒有污染。氣動扳手不像液壓扳手，液壓扳手在密封性上有很高的要求，而且液壓扳手的出液口的液體也必須回流，使其在液壓機里面反復循環(huán)地壓縮和收集，但氣動扳手的出氣口的氣體不需要回流，可以直接排放在空氣里，因此也在一定程度上減輕了壓力機的技術(shù)要求。和電動扳手相比，氣動扳手具有較高的安全性，要產(chǎn)生高強度的轉(zhuǎn)動動力，必須要有高壓和強電流，因此在技術(shù)上必須要求有很高的材料絕緣性。沖擊扳手和

11、定扭矩扳手相比較主要是沖擊扳手能產(chǎn)生高強度的瞬時沖擊力，滿足高扭力聯(lián)接的需要。4.2 cad技術(shù)的發(fā)展 cad造型技術(shù):起步于50年代,隨著在計算機屏幕上繪圖成為可能而開始迅速發(fā)展.人們希望借助此項技術(shù)來擺脫繁瑣、費時和低精度的傳統(tǒng)手工繪圖。當時，cad技術(shù)的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達零件，以圖紙為媒介進行技術(shù)交流，這就是二維計算機繪圖技術(shù)，cad的含義僅僅是圖板的替代品（computer aided drawing）。cad技術(shù)從出現(xiàn)到逐漸走向成熟經(jīng)歷了無數(shù)的風風雨雨，但是仍然可以把它歸結(jié)為cad技術(shù)發(fā)展的四次技術(shù)革命。即(1曲面造型技術(shù)、2實體造型技術(shù)、3參數(shù)化技術(shù)、4變量化技術(shù))。

12、 曲面造型技術(shù)：60年代出現(xiàn)的三維cad系統(tǒng)只是極為簡單的線框式系統(tǒng)。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達基本的幾何信息不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系。由于缺乏形體的表面信息，cam無法實現(xiàn)。飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展給三維cad帶來了良好的機遇，為了解決飛機和汽車設計制造中遇到的大量自由曲面問題，法國人提出貝賽爾算法，使得人們用計算機處理曲線及曲面問題變得可以操作，同時也使得法國的達索飛機制造公司開發(fā)者們能在二維繪圖系統(tǒng)cadam的基礎(chǔ)上，提出以表面模型為特點的自由曲面建模方法推出了三維曲面造型系統(tǒng)catia。catia的出現(xiàn)標志著計算機輔助設計技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實

13、現(xiàn)了在計算機內(nèi)較完整地描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時也為cam技術(shù)的開發(fā)打下了基礎(chǔ)。曲面造型系統(tǒng)帶來了第一次cad技術(shù)革命，它改變了以往只能借助油泥模型來近似表達曲面的落后的工作方式。 曲面造型系統(tǒng)帶來的技術(shù)革新，使汽車開發(fā)手段有了質(zhì)的飛躍，新車型開發(fā)速度也大幅度提高，許多車型的開發(fā)周期由原來的6年縮短到約3年。汽車工業(yè)對cad系統(tǒng)的大量采用，反過來也大大促進了cad技術(shù)本身的發(fā)展。實體造型技術(shù)：80年代初，cad系統(tǒng)價格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使得cad技術(shù)無法擁有更廣闊的市場。為使自己的產(chǎn)品更具特色，在有限的市場中獲得更大的份額，以cv、sdrc和ug為代表的系統(tǒng)開始朝各自的發(fā)展方向前進。

14、70年代末到80年代初，cae和cam技術(shù)也有了較大發(fā)展。表面模型使cam問題基本得到解決。但由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息，難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心和慣性矩等，對cae十分不利?；趯ad/cae一體化技術(shù)發(fā)展的探索，sdrc公司于1979年發(fā)布了世界上第一個完全基于實體造型技術(shù)的大型cad/cae軟件i-deas。實體造型技術(shù)能夠精確地表達零件的全部屬性，有助于統(tǒng)一cad、cae和cam的模型表達，給設計帶來了方便，代表著未來cad技術(shù)的發(fā)展方向。但實體造型技術(shù)在帶來了算法的改進和未來發(fā)展希望的同時，也帶來了數(shù)據(jù)計算量的極度膨脹。在當時的計算機硬件條件下，實體造型

15、的計算及顯示速度很慢，離實際應用還有較大的差距。另外，面對算法和系統(tǒng)效率的矛盾，許多贊成采用實體造型技術(shù)的公司并沒有下大力氣進行開發(fā)，而是轉(zhuǎn)向攻克相對容易實現(xiàn)的表面模型技術(shù)。在以后的10年里，隨著硬件性能的提高，實體造型技術(shù)又逐漸為眾多cad系統(tǒng)所采用。 cad技術(shù)基礎(chǔ)理論的每一次重大進展，無一不帶動了cad/cam/cae整體技術(shù)的提高以及制造手段的更新。cad技術(shù)一直處于不斷的發(fā)展與探索之中。五.氣動扳手零件結(jié)構(gòu)設計及裝配5.1 氣動扳手零件結(jié)構(gòu)設計氣動沖擊扳手的氣動馬達部分主要由氣缸、轉(zhuǎn)子、氣缸前端蓋、氣缸后端蓋、活動葉片這幾個零件組成氣缸如圖4-1所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)、切除、打孔等

16、功能來完成。 圖5-1 氣缸 氣缸壁左右兩側(cè)的打孔是作為進氣孔使用，兩側(cè)分別控制轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)動。氣缸底部的兩個孔作為出氣孔使用。進氣孔連接高壓氣體，出氣孔直接和外界相通，兩個氣壓在轉(zhuǎn)子活動葉片上所形成的壓力比就導致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，氣缸的偏心設計也就是應用了這個原理。氣缸兩側(cè)的進氣孔的作用主要是使活動葉片均勻受力，氣缸所需的高壓氣體是一部分是經(jīng)過氣缸后端蓋直接進入氣缸，另一部分是經(jīng)過氣缸兩側(cè)的進氣孔傳到后端蓋的氣槽再進入氣缸。氣缸后端蓋如圖4-2所示。建模過程也主要由旋轉(zhuǎn)、切割、打孔等功能來完成。 圖5-2 后端蓋中間兩個導氣槽使氣流進入氣缸，左右兩個通孔接受高氣壓氣流，并和氣缸兩側(cè)的進氣孔連接，傳

17、導氣流到氣缸前端蓋。氣缸前端蓋如圖4-3所示，建模過程和前端蓋相似，就是左右兩側(cè)形成不通孔。 圖5-3 前端蓋 接受到氣缸兩側(cè)進氣孔傳來的氣流，通過導氣槽進入氣缸。這樣氣缸里的活動葉片兩側(cè)同時受力，均勻的受到等力驅(qū)動。氣動馬達的轉(zhuǎn)子如圖4-4所示。建模過程主要由拉伸、切割、陣列等功能來完成。圖5-4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子主體開6等分活動葉片槽，聯(lián)接花鍵采用11齒漸開線花鍵。帶花鍵一端和前端蓋配合，另一端和后端蓋配合。氣動馬達后端蓋的高壓氣流，也是通過機殼蓋的導氣槽得到的。機殼蓋如圖4-5所示。建模過程主要由拉伸、切割、打孔等功能來完成的。圖5-5 機殼蓋機殼蓋和機殼配合，主要承受扳手的后推力，導氣槽主要作

18、用就是將來自扳手把手部分進氣管道的氣流傳導到氣缸內(nèi)部，并利用活動葉片兩面受力的壓力差驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。它和機殼配合時要求密封配合，因此采用鋼紙作為墊片，機殼蓋墊片如圖2-6所示。氣動沖擊扳手的沖擊錘打組件主要由沖擊架、傳動套、沖擊爪這幾部分組成。沖擊架如圖4-6所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)、拉伸、打孔等功能來完成。圖5-6 沖擊架在氣動沖擊扳手中，沖擊架主要就是作為儲能元件被使用，它后端口安裝一個傳動套，用來接受來之氣缸組件中轉(zhuǎn)子輸出的扭矩。傳動套如圖4-7所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)、切割、陣列等功能來完成。圖5-7 傳動套花鍵聯(lián)接部分和氣動馬達轉(zhuǎn)子的花鍵配合，也是11齒漸開線花鍵。上面開口部分就是為了

19、撥動沖擊爪。沖擊爪如圖4-8所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)、拉伸、切割等功能來完成。圖5-8 沖擊爪沖擊爪軸安裝在沖擊架的兩個安裝孔上，方形部分和傳動套的開口作用，爪扣部分主要和輸出軸作用。在傳動套的撥動下，周期性的對輸出軸進行沖擊。氣動沖擊扳手輸出軸如圖4-9所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃掠等功能來完成。圖5-9 輸出軸輸出軸在開爪扣糟時，要求考慮制作工藝，因此有一段過度部分來滿足零件加工制作過程中刀具切割的路徑。輸出軸爪扣槽部分和沖擊爪扣作用，當沖擊爪受到傳動套撥動和輸出軸碰撞時，既可輸出沖擊扭矩，當空載時輸出氣動馬達轉(zhuǎn)子的恒定扭矩。輸出軸輸出聯(lián)接端采用14厘米的方形聯(lián)接鍵。和緊固件套筒聯(lián)接

20、時為了避免高強度沖擊產(chǎn)生的聯(lián)接不穩(wěn)定，因此在輸出軸端的機殼外端貼附一個離合器機殼來緩減沖擊。離合器機殼如圖4-10所示。建模過程主要由旋轉(zhuǎn)功能來完成。圖5-10 離合器機殼輸出軸的高速轉(zhuǎn)動會對機殼產(chǎn)生強摩擦，為了保護機殼，就在其內(nèi)部附加一個低粗糙度的套筒柄。套筒柄如圖2-11所示。它將輸出軸和機殼隔開，既保護了機殼不受摩擦，也作為滑動軸承來支持輸出軸的高速轉(zhuǎn)動?？紤]到高壓廢氣高速排除機體所帶來的不利因素，在設計扳手時，要在出氣口加一個排氣變流裝置。高壓廢氣流受到凸弧面的阻擋，速度自然下降。圖5-11 套筒柄5.2氣動扳手裝配以上對相關(guān)零件進行了實體建模后，下面要對其進行裝配，以實現(xiàn)各個組件的功

21、能。氣動馬達組件的裝配圖如圖5-12所示。圖5-12氣動馬達裝配圖轉(zhuǎn)子在偏心氣缸內(nèi)的裝配位置如圖5-13所示。圖5-13 氣動馬達剖面圖偏心設計就可以造成壓力差。這也是氣動馬達的設計原理。沖擊錘打組件的裝配圖，如圖5-14所示。圖5-14沖擊錘打組件裝配圖沖擊爪和傳動套的配合情況，如圖5-15所示。圖5-15沖擊爪和傳動套配合圖沖擊爪和輸出軸相對位置，如圖5-16所示。圖5-16 沖擊爪和輸出軸相對位置沖擊爪受傳動套的撥動，可以使其和輸出軸相頂或分離。在分離時，沖擊架利用本身的慣性特點對轉(zhuǎn)動扭矩進形儲能；當相頂時，沖擊架積蓄的扭矩通過沖擊爪傳遞給輸出軸。致使輸出軸輸出高強度的沖擊扭矩。沖擊完成

22、后，沖擊爪再次和輸出軸分離。這樣就形成一個周期性的扭矩儲能和沖擊錘打的過程。氣動馬達和沖擊錘打組件這兩部分的配合就形成了氣動沖擊扳手的主要工作部分。氣動馬達、沖擊錘打組件、輸出軸裝配圖，如圖5-17所示。 圖5-17內(nèi)心主要部件裝配圖5.3 相關(guān)數(shù)據(jù)分析 氣動馬達以高壓空氣作為動力源，高壓空氣進入汽缸內(nèi)，對活動葉片產(chǎn)生壓力，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如圖2-22為氣動馬達橫截面，來計算分析數(shù)據(jù)。圖5-18氣動馬達橫截面圓o1 是轉(zhuǎn)子橫截面，半徑r1為21.8，圓o2 是汽缸橫截面，半徑r2為18.65，圖上兩個截圓的中心距o1 o2 為2.7。ab為氣動馬達活動葉片受力部分。角a、b、c的關(guān)系為： （5-

23、1）對于三角形ao1 o2 ，由正弦定理： （5-2）可得： （5-3）再由余弦定理： （5-4）得： （5-5）氣動馬達葉片的長度l=34.9，所以實際受力面積是s=abl。高壓氣體的壓強為90個大氣壓，p=9.09106 n/m2，葉片上受到的力n=ps。所產(chǎn)生的扭矩為： （5-6）氣動馬達和沖擊錘打組件的聯(lián)接采用漸開線花鍵聯(lián)接。 花鍵采用11齒嚙合（z =11），分度圓壓力角為30度（ =30），模數(shù)為0.9（m =0.9）。分度圓直徑為： （5-7）齒頂高和齒根高分別為： （5-8）式中分別為齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)。gb1356-88規(guī)定標準值分別為1和0.25，非標準短齒為0.8和0.3。齒頂圓直徑為： （5-9）齒根圓直徑為： （5-10）齒厚為： （5-11）由以上