!!!# （$%&’!(） 由式（$%&’!)）!式（$%&’!(），经整理后可得 !* +,!-*（ ）.# !#/ +,!（ ）-)!. *.#/) （$%&’!$） 将具体数据代入有关公式： *.# ## #. %0%%00)&0) +,!/ #! #, (1))(&% 将上述数据代入式（$%&’!$），得 !*$%)!#/$%0!. （$%&’!1） 推导出的式（$%&’!1）为电动扳手谐波齿轮 传动与行星轮系传动的串联差动机构的运动方程 式，表达出输入与双输出之间的运动关系。 由式（$%&’!1）可见，当外套筒固定时，!* 与!.旋向相反；当内套筒固定时，!*与!#旋 向相同尊龙人生就是博官网首页，因此当整机无任何外约束时，!#与!. 呈旋向相反的双输出运动。 ! 谐波齿轮传动的设计 !# 谐波齿轮传动参数的确定 根据上述的分析计算和草图设计，确定了谐 波齿轮传动的基本参数如下： 传动比 )00 柔轮变形波数 $% 柔轮齿数 #.$%2)00%00 刚轮齿数 ###.-$%00-%%0% 模数 %0&(33 柔轮壁厚 &0&$33 齿宽 ’%033 柔轮的啮合参数经计算确定如下： 全齿高 (.0&433 分度圆直径 ).5033 齿顶圆直径 ),.5’&%33 齿根圆直径 )*.46&433 齿形角.%07 变位系数 *.’&4 刚轮的啮合参数经计算确定如下： 全齿高 (#0&4%33 分度圆直径 )#50&533 齿顶圆直径 ),#5%&533 齿根圆直径 )*#5(&%533 齿形角 #%07 变位系数 *#’&4) 柔轮和刚轮均采用渐开线齿形。 波发生器采用控制式发生器： 长轴 %+$6&633 短轴 %’$5&%33 采用%’个直径为4&)(33滚珠的薄壁轴 承尊龙人生就是博官网首页。 !$ 谐波齿轮轮齿的耐磨计算 由于谐波齿轮的柔轮和刚轮的齿数均很多， 两齿形曲线曲率半径之差很小，所以轮齿工作时 很接近于面接触。因此尊龙人生就是博官网首页，轮齿工作表面的磨损可 由齿面的比压,来控制。轮齿工作表面的耐磨 损能力可用下式计算 ,%000-.).(8’#9 !,: （$%&’!4） 式中 - 作用在柔轮上的转矩（;·3），本 设计-)0;·3； ). 柔轮分度圆直径（33），本设计 ).5033； (8 最大啮入深度（33），如不考虑 啮合的空间特性，可近似取(8 （)&(!)&1）%，本设计取(8 )&(20&(0&$133； ’ 齿宽（33），’%033； #9 当量于沿齿廓工作段全啮合的工作 齿数，一般可取 #9（0&04$! 0&)%$）#.，本设计取#90&04$2 %00)$； . 载荷系数，取.)&’!)&4$尊龙人生就是博官网首页，本 设计取.)&$； ,: 齿面许用比压，对于无润滑条件 下工作的调质柔轮，可取,:5

　　?的力学性能如下： !@#’’**45!，!A#-**45!，球化处理后 硬度为(8#(0B2:。 取!3’#*%8&!@#*%8&6’’**45!#8-& 45! 取3’#*%(&!@#*%(&6’’**45!#(9& 45! 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别 为 ’$#!3’／($!! （&(%$$’’） ’%# 3’ (%!.*%( （&(%$$’(） 式中 ($ 正应力有效应力集中系数，($# ’%9#(%&，本设计取($#(%&； (% 切应力有效应力集中系数，(%# （*%+#*%-）($，本设计取(%# *%-($#*%-6(%&#(%(&。 将具体数据代入式（&(%$$’’）和式（&(%$$ ’(）中，得 ’$# 8-& (%&6&$%’$8#$%9(0 ’%# (9& (%(&68%&8&.*%(68%&8&#(8%0-0 柔轮的安全系数 ’# ’$’% ’($.’(! % （&(%$$’$） 将以上具体数据代入上式得 ’# $%9(06(8%0-0 $%9(0(.(8%0-0! ( #$%0+8 此值大于许用安全系数’%&，故柔轮强度满 足要求。 ! 行星齿轮传动的设计 !# 齿轮啮合参数的确定 根据草图设计和类比，行星齿轮传动的啮合 参数取定如表&(%$$’所列。 !$ 齿轮强度计算特点 根据电动扳手的工作方式和载荷特点，可以 认为其齿轮传动的强度和承载能力受轮齿弯曲强 度的限制，而轮齿的接触强度是次要的，因此仅 需进行轮齿弯曲强度的计算。 （’）齿轮强度计算的受力分析 电动扳手中的这种/7C行星机构，因齿倾 斜角为*D，并且行星齿数大于(（’5#$），基本 构件为三个，即太阳轮)尊龙人生就是博官网首页、转臂* 和内齿轮+。 在转矩作用下，当构件中各行星齿轮均匀受力 时尊龙人生就是博官网首页，各构件必然处于平衡状态，因此三个基本构 08 &%机械设计典例 表!#$!% 行星齿轮传动啮合参数 参 数 名 称 代号 太阳轮 行星轮 内齿轮 模数／!! 齿数 # ## #$ %& 分度圆压力角 ! ’( ’( ’( 行星轮数 $) * 变位系数 % ’+%$ ’+%*% ’+$#* 齿顶高降低系数 !& ’+#*& ’+’## 实际中心距／!! ’( ,+-*& ,+-*& 分度圆直径／!! ) *% , 齿顶圆直径／!! ). $+**& *,+#, ,’+/’/ 全齿高／!! * %+/ %+/ %+- 啮合角 !( $(#( (%#( 齿根圆直径／!! )0 #/+// *’+$*& ,,+/- 理论中心距／!! ’ / , 件对于轴承作用的点径向力+1’。电动扳手 的行星减速机构正是利用这一特点，采用了将太 阳轮尊龙人生就是博官网首页、转臂作为浮动式的结构，以达到在工作状 态中，各构件可以自动调整，载荷均匀，从而提 高了使用寿命，并且可以降造精度。在本机 构中，齿轮加工采用的精度为/级（23／4 #’’,-—#,//）尊龙人生就是博官网首页。 （）强度验算的两个初始条件 .）当系统输出到最大转矩时，测得转臂, 的转速为/5／!67，此时太阳轮的转速$.1/8- 1/8-+5／!671%#+&5／!67。 9）考虑到超载的因素，取验算的最大转矩 为.!.:（;·!），载荷特点为永久单向，太阳轮 ’为主动轮。 （*）确定中心齿轮的转矩.. 基本运算公式为

　　0? （-+*!#-） 式中 0

　　齿面载荷分布不均匀系数， 0

　　设计和强度计算结 果，再考虑加工、装配、拆卸、维修和使用的合 理、方便，新设计的电动扳手整机装配图如图 #$%!&!所示。 由于电动扳手是一种手提式的工具（常用于 高空作业），要求尽量减轻重量，因此扳手的外 壳&、后盖&%、轴承支座&!、左右把手盖%&、 %%等零件的材料均采用铸造铝合金’()*+,-.! （’/&0,），而联轴器!、十字接头等均采用高 强度的硬铝/1&#制造。 电动扳手的所有啮合传动件、轴承和其他有 相对运动的摩擦副均采用二硫化钼脂润滑。为了 增加传动件的寿命，小齿轮2、介轮&0、大齿轮 &#、行星轮轴、行星齿轮&2，均采用3-4&制 造。 手提式工具的用电安全是要有保证的，为此 在电缆的固定、绝缘、护套和电动开关等方面作 了考虑。 图#$%!&! 电动扳手总装配图 &—柔轮 #—空心轴 %—浮动轴承盖 !—联轴器 —十字接头 5—发生器 ,—刚轮 6—联接销 2—小齿轮 &0—介轮 &&—小轴 &#—大齿轮 &%—后盖 &!—轴承支座 &—外壳 &5—太阳轮 &,—内齿轮 &6—行星轮轴 &2—行星齿轮 #0—输出套 #&—行星轮架 ##—顶杆 #%—顶杆螺母 #!—7##外套筒 #—小顶杆 #5—7##内套筒 #,—小螺母 #6—卡块 #2—扭簧 %0—支板 %&—左把手盖 %#—压线板 %%—右把手盖 %!—电缆护套 %—电缆线—插销 三尊龙人生就是博官网首页、高强度螺栓电动扳手的设计与研制 ,% ! 主要零件 柔轮的加工制造 电动扳手中采用的是杯形柔轮，其结构和尺 寸如图!#$!%!所示。这种类型的柔轮具有承载 能力强，传动刚度大，输出连接方便，使用寿命 长等优点尊龙人生就是博官网首页。柔轮薄壁的厚度!&’#!((，壁厚 与直径之比!／&’#!／)’&’#’’*!，直径与杯 体长之比／#&)’／*!&%#$。薄壁的内外表面 粗糙度要求低于$%%#*!(，目的是降低机加工 刀痕对弯曲疲劳强度的影响。由上述要求和条件 可见，柔轮的加工难度大，材料利用率低是其明 显的缺点。为了解决柔轮制造中的难题，本设计 的柔轮采用了强力旋压新工艺，以下作简单介 绍。 !# 柔轮的材料 选择柔轮材料的技术指标应根据强度、耐疲 劳性、弹性变形性能及加工特性、热处理规范综 合确定。试验证明，$’+,-./01可以作为柔轮的 材料。这种中淬透性调质钢的优点是在调质状态 下具备较高的强度、韧性及耐磨性。作为旋压工 艺上的要求，材料的碳硅含量不宜过高。因为碳 和硅是提高固溶体冷作硬化率最显著的元素，它 可使固溶体的强度和硬度增加而使伸长率下降。 $’+,-./01的碳硅含量低于其他几种常用柔轮材 料尊龙人生就是博官网首页，因此调质处理后，既可达到细化晶粒的目 的，又便于旋压加工。 图!#$!%! 杯形柔轮的结构和尺寸 !$ 柔轮毛坯的强力旋压新工艺 强力旋压是*’年代初在我国逐渐发展起来 的无切削金属加工，它具有切削加工无法比拟的 很多优点。对于类似这种几何形状的柔轮，进行 旋压加工就很合适。旋压加工的柔轮毛坯表面粗 糙度可达 $%%#*!( 以下，壁厚均匀度可在 ’#’((以下，旋压后的内径可保证精度要求， 不需镗磨内孔尊龙人生就是博官网首页，旋压可使材料在合金强化的基础 上得到形变强化，综合力学性能比调质状态可提 高%’2$’2。 （%）强力旋压的工作过程 如图!#$!%*，将工件3套入芯模%，移动 尾顶*通过压环!压紧工件端面，驱动主轴带动 芯模旋转，同时旋轮4按靠

　　轨迹与芯模保持 特定的工艺间隙沿箭头所示方向移动，并靠与工 件挤压接触点的摩擦力旋转，从而得到双点划线 所示的成品$。旋压完毕后，尾顶*退出，由卸 料顶杆将旋好的工件顶出芯模，加工完毕。 图!#$!%* 强力旋压的工作过程 （）柔轮旋压毛坯的设计 柔轮毛坯的设计应根据材料的塑性、机床特 性及压力加工体积不变定律三项原则来进行。由 材料的塑性指标可确定允许的极限变形率 (56& #’#%47# 8%’’2 式中 # 材料的断面收缩率。 对于所选材料$’+,-./01，#&3!2，因此 其(56&4#*2 变形率对于旋压而言，是以变形物体壁厚变 化百分数来表示，即 & !%9! !% 8%’’2 式中 !% 变形前壁厚； ! 变形后壁厚。 极限变形率确定之后，应根据机床特性按体 积不变定律进行几何形状的设计计算。必须掌握 变形前的体积等于变形后的体积。再考虑到在旋 43 ##机械设计典例 压过程中（正旋），零件根部要承受一定的拉力， 为了防止根部变形或拉断，因而坯料端面厚度应 不小于!。按上述原则设计的柔轮毛坯见图 #!$%!&’。 图#!$%!&’ 旋压柔轮毛坯 （%）旋压工艺

　　为了得到理想的几何精度，必须摸索机床主 轴转速、每道旋压的进给比，每道旋轮的压下 量，以及旋轮圆角半径对毛坯内孔扩径的影响尊龙人生就是博官网首页。 试验结果表明：转速和进给比对孔的扩径影响很 小，而每道旋轮的压下量（壁厚名义变形率）对 孔的扩径影响显著，因此应把每道次壁厚的变形 率控制在%()!%#)为宜。另外旋轮圆角半径 过大（*#!’）或过小（!&$#）， 孔的扩径均有增大趋势。经试验调整后的旋压工 艺流程见表#!$%!#。 实践已证明，把强力旋压这一工艺应用于柔 轮毛坯的加工是理想的。根据材料形变强化的理 论，除了能提高柔轮的静态强度之外，还能提高 材料的疲劳强度尊龙人生就是博官网首页。由于旋压是无切削加工，因此 柔轮的缺口韧性会有较大提高，这都会程度不同 地提高柔轮的使用寿命。 表!#$!! 柔轮毛坯旋压工艺流程表 旋压部位 名 称 原始 壁厚 ／ 第一道次 第二道次 第三道次 壁厚!& ／ 变形率 &／) 壁厚!! ／ 变形率 !／) 壁厚!% ／ 变形率 %／) 总变形率 ／) 薄壁部分 &$’! &$!( %( ($+ %% ($# %’ ’( 齿形部分 !$+( !$!# !( &$+ !( — — %# %#$ 柔轮精加工的工装特点 按形位公差的要求，柔轮内孔和齿部外圆与 端面法兰中心孔有同轴度要求；与法兰端面有垂 直度要求（图#!$%!&#）。由于旋压后筒壁的挤 压变形及残余应力的存在，使毛坯内径具有 ($!!($,的圆度。旋压后的毛坯内孔及薄 壁作为不加工表面。根据这些特点，仅以精车柔 轮毛坯的典型胎具为例，介绍一种导向式弹性涨 胎，其结构见图#!$%!&+。工作顺序是：将工件 #套入涨套%后，拧紧螺杆,，此时螺杆推动涨 套沿导向孔向锥轴&内移动，由此使等分开槽的 涨套涨起，涨紧程度以消失柔轮圆度为适。涨套 的弹性外圆与其内孔锥度相反，目的是与被涨紧 的柔轮内孔呈面接触。涨紧工件后即可进行加 工尊龙人生就是博官网首页。加工完毕松开螺杆，此时由弹簧!将涨套从 锥轴内推出。为避免锥轴与涨套之间产生转动， 在锥轴上装有导向键。 图#!$%!&+ 精车柔轮毛坯的胎具 &—锥轴 !—弹簧 %—涨套 ,—螺杆 #—工件 %#& 柔轮的热处理工艺 柔轮热处理规范的选择是一个重要问题。在 此主要介绍调质及形变热处理的目的及方法。调 质处理重点解决两个问题： 细化晶粒尊龙人生就是博官网首页。因为 晶粒粗大则塑性低，旋压的变形抗力大，工件表 面粗糙，并易发生明显的裂纹；晶粒细则塑性 三、高强度螺栓电动扳手的设计与研制 ’# 高，旋压变形抗力小，工件表面粗糙度小。! 严格掌握基体组织的硬度。控制的方法为：旋压 后的硬度!调质硬度由旋压产生冷作硬化后的 硬度增量。综合考虑，把调质硬度控制在#$ #%&’(之间尊龙人生就是博官网首页。通过调质及控制旋压时不同的变 形量，从而在一个零件上获得三种硬度区域见图 )#*+!,-尊龙人生就是博官网首页。这种状况对柔轮的使用状态很有利， 也是其他形式的热处理很难实现的。 形变 相变热处理是目前最有效的强化金 属材料的先进技术之一。根据这一理论，柔轮毛 坯经旋压形变强化之后，再进行恰当的相变热处 理，使两者有机地相结合，材料的综合力学性能 在形变强化的基础上又可进一步强化。图)#*+! #.为形变后时效温度对+.(/01234力学性能的 影响尊龙人生就是博官网首页。由图中可看到理想的时效温度约在#.. +..5之间尊龙人生就是博官网首页，因此确定时效温度为#..5保温+ 6。另外毛坯经时效处理后，还可以消除由旋压 产生的残余应力尊龙人生就是博官网首页。 图)#*+!,- 柔轮上三种硬度区域 #—原始硬度区，#$#%&’( $—高硬度区，+)+7&’( %—中硬度区，+#+8&’( 图)#*+!#. 时效温度对+.(/01234力学性能的影响 !# 强力旋压工艺对材料力学性能的影 响 在高塑性状态下，材料的强度有较大的提 高。+.(/01234在调质状态下的抗拉强度为 ,,..09:，当变形率在 $.; 时尊龙人生就是博官网首页，强度可达 ,#..,#%.09:，提高了-;,%;；而当变 形率达到7.;左右时，强度可提高近+.;，达 到,+%.,87.09:。强度提高的原因是在常温 下，晶粒边界的强度高于晶粒内部，当晶粒迫于 变形延长后，等于相对增加了晶粒边界的表面积 即增加了难变形区域的面积。由于晶粒与晶格发 生扭曲而产生内应力使原子处于高位能状态，这 就使旋压后材料的强度提高。 坯料在常温旋压变形的过程中，其组织的变 化有几个特点：& 晶粒沿变形最大的方向伸长， 从而构成了纤维状组织；! 晶格与晶粒产生程 度不同的扭曲变形即滑移和位错；’ 由于晶间 的滑移而产生破碎状晶粒。由于上述原因使材料 的力学性能具有方向性。有关资料介绍，纤维组 织的纵向性能略高于横向，特别是塑性及冲击韧 性较明显。 由于柔轮采用了强力旋压加工工艺、合理的 热处理工艺和良好的精加工工艺，使电动扳手的 柔轮具有相当好的承载能力和使用寿命。 $ 电动扳手的实际使用情况 电动扳手自,-%.年研制成功并投入批量生 产以来，至今已有#.余载，生产了几千台，广 泛应用于宝钢自备电厂、宝钢炼钢主厂房、天津 无缝钢管厂、包钢等几十项大型钢结构工程中， 为我国推广使用扭剪型高强度螺栓新技术提供了 有力的保证。 在长期的使用中，电动扳手充分发挥了它的 设计优点 体积小、重量轻尊龙人生就是博官网首页、操作方便快捷、 安全可靠，从而使电动扳手成为施工现场不可缺 少、不可替代的专用工具。从总体上看，电动扳 手基本上可在设计寿命范围正常工作，无需大 修尊龙人生就是博官网首页，施工现场也未发生任何由于漏电等原因引起 的安全事故，从而得到使用单位的好评。 个别的电动扳手，在使用中曾发生柔轮筒体 底部断裂失效的现象，这一事实验证了柔轮光弹 性试验得到的结论 柔轮工作时的切应力及壳 壁内的正应力的最大值均发生在柔轮的根部（并 有应力集中的影响），根部是最危险的截面。因 此，改善柔轮根部的结构和加工品质是提高强度 和使用寿命的关键措施尊龙人生就是博官网首页。 7$ (*机械设计典例 多年的生产实践表明，自行研制的电动扳手 成功地替代了进口产品，为国家节省了大量外 汇，也为生产研制单位带来了可观的经济效 益。 参 考 文 献 ! 钱中主编列车牵引计算第一版北京： 中国铁道出版社，!##$ % 张文质等主编起重机设计手册第一版 北京：中国铁道出版社，!##& ’ 马鞍山钢铁设计院等编中小型轧钢机械设 计计算北京：冶金工业出版社，!#(# ) 陈立周飞剪机剪切机构的合理设计北京 钢铁学院学报!#&*，（!） + ,-./0，123/.45678-97:,;06

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