諧波齒輪機(jī)構(gòu)在増力矩扳手中的應(yīng)用

馮勇　王琨淇

摘 要 諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，傳動比范圍大的特點(diǎn)，將其運(yùn)用到増力矩扳手中，可以實(shí)現(xiàn)較小力矩對生產(chǎn)中的大型機(jī)器、機(jī)械設(shè)備上螺紋連接的拆卸和緊固。文章設(shè)計(jì)了一種諧波齒輪結(jié)構(gòu)的増力矩扳手，并對它的系統(tǒng)組成、工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行介紹和分析。

關(guān)鍵詞 諧波齒輪；力矩放大扳手；傳動系統(tǒng)

中圖分類號：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0072-02

螺紋聯(lián)接是一種應(yīng)用極為廣泛的可拆卸聯(lián)接，在現(xiàn)代機(jī)器和機(jī)械設(shè)備中60%以上的零部件具有螺紋孔的結(jié)構(gòu)。在船舶等大型機(jī)器、機(jī)械設(shè)備上，螺紋尺寸大、強(qiáng)度高，拆卸與緊固時(shí)所需的扭矩大，因此，使用普通扳手無法達(dá)到技術(shù)要求。于是，國際市場上各種増力器扭矩扳手便應(yīng)運(yùn)而生，如液壓扳手、氣動扳手等。但此類扳手都存在一定的技術(shù)不足，如液壓扳手其液壓系統(tǒng)和設(shè)備較復(fù)雜，而氣動扳手存在振動和噪聲較嚴(yán)重，且需要供氣系統(tǒng)，操作有諸多不便等問題。另一方面，國際市場上各種増力矩扳手種類繁多，但普遍價(jià)格非常昂貴，使國內(nèi)用戶望而卻步。考慮到諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、零件少、體積小、傳動比范圍大，將其應(yīng)用于增力矩扳手上具有一定的可行性。單級諧波齒輪傳動比在50-300之間，雙級諧波傳動比可在3000-60000之間。同時(shí)由于諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)嚙合齒數(shù)多，齒面相對滑動滑動速度低，承載能力高，噪聲低，傳動效率較高，在傳動比很大的情況下，仍具有較高的效率。綜上分析，諧波齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大和傳動功率大等特點(diǎn)，將它作為扳手的主傳動件，能保證扳手體積下，重量輕，將具有其他傳動件無法比擬的諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。另外，將其運(yùn)用到増力矩扳手中，較小的力矩可以扭動具有較大扭矩的螺紋，性價(jià)比高，可廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。目前，國際市場上尚未出現(xiàn)諧波齒輪増力矩扳手，但由于其作為傳遞大轉(zhuǎn)矩的動力諧波傳動，表現(xiàn)出了特別好的性能，諸如占用的空間小，操作方便，效率較高，顯示出一些其他傳動裝置難以比擬的優(yōu)越性，本文研究了一種諧波齒輪結(jié)構(gòu)的増力矩扳手，并對該增力矩扳手的系統(tǒng)組成、工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1 扳手結(jié)構(gòu)組成

1）扳手的總體結(jié)構(gòu)。増力矩扳手的總體結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，該裝置包含套筒、柔輪、剛輪套、連接桿和手柄。套筒的前端設(shè)置有螺釘配合孔，后端設(shè)置有波發(fā)生部件；波發(fā)生部件的外圓周的形狀為非圓形；柔輪設(shè)置在波發(fā)生部件的外側(cè)，柔輪與波發(fā)生部件之間設(shè)置有軸承滾珠；波發(fā)生部件和柔輪均設(shè)置在剛輪套中；柔輪的外圈和剛輪套的內(nèi)圈上均設(shè)置有輪齒，柔輪與剛輪套部分嚙合；連接桿設(shè)置在剛輪套的后端；手柄設(shè)置在連接桿的后端；這種結(jié)構(gòu)的省力扳手，通過波發(fā)生部件、柔輪和剛輪套組成一種諧波齒輪結(jié)構(gòu)，由于諧波齒輪具有較大的傳動比，可以實(shí)現(xiàn)通過較小的力矩將較緊的或大型機(jī)械結(jié)構(gòu)中的螺栓聯(lián)接或螺母擰開。

2）特定套筒和萬向手柄的結(jié)構(gòu)。特定套筒有數(shù)個(gè)內(nèi)六棱型的套筒和一或幾個(gè)以上套筒構(gòu)成，套筒的內(nèi)六棱根據(jù)螺栓的型號依次排列，可以根據(jù)需要選用，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)與套筒之間的牢固和穩(wěn)定可靠的連接，可以隨意更換套筒而不會影響套筒連接的牢固性和可靠性。根據(jù)不同的螺母規(guī)格而設(shè)計(jì)不同的特定套筒，可適用于不同規(guī)格的螺紋連接結(jié)構(gòu)及各種場合機(jī)械機(jī)構(gòu)螺栓的拆卸。

使用萬向手柄，可以避開障礙物充分發(fā)揮其作用效果，在空間狹隘的位置也可以使用，特別適用于擰轉(zhuǎn)地位十分狹小或凹陷很深處的螺栓或螺母。這種萬向扳手，包括環(huán)向結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，空間小，強(qiáng)度高，很符合實(shí)際需要。

3）響應(yīng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包含一個(gè)單片機(jī)控制的光聲控制微系統(tǒng)。根據(jù)不同的螺栓聯(lián)接需要，規(guī)格有多種。類如文獻(xiàn)中介紹的響應(yīng)式結(jié)構(gòu)，使用時(shí)，調(diào)整六角扳手，使刻度槽內(nèi)的橫向刻度線移至不同的扭矩處，當(dāng)螺紋到達(dá)預(yù)定的扭矩值時(shí)，扳手自動響應(yīng)發(fā)出信號，同時(shí)自動解除力，此時(shí)機(jī)構(gòu)自動恢復(fù)原狀。其優(yōu)點(diǎn)是在擰轉(zhuǎn)螺栓或螺母時(shí)，當(dāng)施加的扭矩到達(dá)規(guī)定值后，會發(fā)出光或聲響信號，響應(yīng)式結(jié)構(gòu)尤其適用于對扭矩大小有明確地規(guī)定的裝配工作。

4）扳手的制造要求。扳手工作時(shí)，由手柄帶動連接桿產(chǎn)生較大的扭矩。故扳手的連接桿和扳手最好選用45優(yōu)質(zhì)碳鋼，波發(fā)生器優(yōu)先選用45鋼，并經(jīng)過調(diào)制處理；剛輪選用45Cr進(jìn)行調(diào)制處理。關(guān)鍵零件柔輪最好選用20CrNiMoA，經(jīng)過調(diào)制處理后，其齒面硬度可達(dá)到34HRC，此時(shí)的剪切疲勞極限和彎曲疲勞極限分別達(dá)到320 Mpa和630 MPa；而在焊接的過程中，應(yīng)選用合適的焊條，并經(jīng)預(yù)熱之后再實(shí)施焊接，以保證焊縫的強(qiáng)度。

2 扳手的工作原理

1）諧波齒輪傳動系統(tǒng)。

諧波齒輪傳動的三個(gè)主要構(gòu)件分別是：

波發(fā)生器（Wave Generator）：使柔性齒輪按一定變形規(guī)律產(chǎn)生周期性變形波的構(gòu)件。

柔性齒輪（Flexspline）：在波發(fā)生器作用下能產(chǎn)生可控彈性變形的薄壁齒輪。

剛性齒輪（Circular Spline）：它和普通齒輪一樣在工作時(shí)保持其原有的工作狀態(tài)。

2）增力原理。諧波齒輪増力矩扳手是一種新型的高效能的手動拆裝工具，它由一個(gè)諧波齒輪機(jī)構(gòu)組成的裝置，輸入一個(gè)較小的力矩，可以產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩，由機(jī)械原理知識可知，P=F*V=T*W，因此，在功率一定的情況下，轉(zhuǎn)速越低，機(jī)械輸出的轉(zhuǎn)矩就越大，而使用齒輪機(jī)構(gòu)能將原動件輸出的高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成為低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩。

3 扳手的特點(diǎn)與應(yīng)用性能分析

1）扳手的特點(diǎn)。

①較其他力矩扳手而言，力矩增加的倍數(shù)大。由于諧波齒輪傳動系統(tǒng)的傳動比可達(dá)到3000-60000，所以當(dāng)系統(tǒng)功率一定的情況（理想的情況）下，力矩增加的倍數(shù)可達(dá)到幾十甚至上百倍。

②性價(jià)比高。其他力矩放大扳手諸如像氣動扳手和液壓扳手，需要能量供應(yīng)系統(tǒng)，一臺的造價(jià)往往需要幾千甚至上萬，使很多買家望而卻步，而諧波齒輪増力矩扳手的成本較低，利于大范圍推廣。

③結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。使用簡單，造價(jià)低廉，無噪音，無風(fēng)電等能源消耗。由于諧波齒輪傳動系統(tǒng)體積下，所以將其應(yīng)用到増力矩扳手，整個(gè)扳手較為小巧，可應(yīng)用到各種場合。

2）扳手應(yīng)用性能分析。増力矩扳手的使用壽命取決于諧波齒輪傳動裝置，而諧波齒輪傳動的使用壽命取決于柔輪的疲勞壽命。通過仿真分析，結(jié)果顯示柔輪輪齒的齒端部和齒根部是柔輪最初產(chǎn)生疲勞的部位，且損傷沿柔輪的軸線由輪齒內(nèi)側(cè)向尾部延伸。

4 總結(jié)

諧波齒輪機(jī)構(gòu)解決了扳手動力傳遞及扭矩的放大問題，原理新穎，裝置可靠；由于諧波齒輪傳動具有其他形式的傳動不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此其在其他各領(lǐng)域都有不可替代的作用；由其組成的扳手，較其他類型的扳手扭矩大，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)；使用這種扳手，操作人員只需要很小的力，即可得到幾十倍的扭矩，具有推廣價(jià)值。

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