智能扭力扳手机械结构设计

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0引言

扭力扳手是一种能够实时反馈并控制拧紧力矩的常用工具,可以施加准确的拧紧力矩。现有的扭力扳手都要先设定所需扭矩值再进行拧紧操作，这要求操作者对螺栓所需扭矩值有一定的掌握。对此，课题组研制了一款根据螺栓规格自动设定所需扭矩值的智能扭力扳手。该智能扭力扳手可实现自动识别螺栓规格，辅助设置相关参数，自动计算螺栓的许用扭矩，采用扭矩传感器采集施加的扭矩值与许用扭矩值比较，达到许用值时扳手手柄出现微动失效，及时卸载并提示不再加力。机械机构部分主要实现自动计算许用扭矩和加力达到所需值时及时卸载失效，防止因用力过猛损坏零部件。

1设计思路

智能扭力扳手由控制系统和机械结构2部分组成。机械结构部分主要包括无级定位夹持机构和过载微动失效机构。夹持机构不但要适应不同规格的螺栓，还要实现关联螺栓规格与所需扭矩值的传感器功能。因此选用无级定位的方式既能实现夹持装置活动端任意位置定位，用于夹持不同规格的螺栓，并且在加力时保持稳定，又可通过活动端与电位器关联实现开口大小的检测；过载微动失效机构实现过载后在电磁铁的驱动下实现扳手头部和手柄连接铰链的轻微转动，及时减小施加载荷，并提示操作者不再加力。

2设计原理

（1）无级定位夹持机构

夹持机构用于夹持螺栓六角头，为了适应不同规格的螺栓，夹持开口大小必须可调。传统的活动口扳手的调整是利用蜗轮蜗杆机构实现的，利用蜗轮蜗杆机构的反向自锁实现活动端的定位，但是这种机构传动效率低，扳手开口调节较慢。本文所设计的无级定位夹持机构通过滑块在定位轨道中滑动调节开口大小，调节大小一步到位，效率较高，利用接触面的摩擦力实现定位，稳定可靠。

（2）夹持机构原理分析

无级定位夹持机构由扳手头主体、滑块、活动端、销轴等几部分组成。如图1所示，滑块与活动端通过销轴铰接，滑块在扳手头主体的导槽中滑动，活动端的下表面在导轨上表面上滑动，活动端中间部位的三角形凸起用于夹持螺栓头的定位。

（3）过载微动失效机构原理分析

由于智能扳手控制系统的输出电压最大为12V，低电压电磁铁的电磁力是有限的，因此利用钢珠的滚动摩擦系数低特性，实现大载荷微动机构的低电压驱动。过载失效机构原理。该机构由扳手头部、联接销轴、扳手手柄、卡栓、复位弹簧、钢珠、锁紧套、电磁铁等零部件组成，扳手头部和手柄通过联接销轴铰接，卡栓圆柱面有凹槽来配合钢珠并在锁紧套的作用下将卡栓定位。电磁铁为动力元件，不通电时，锁紧套在复位弹簧的作用下将钢珠和卡栓锁紧，卡栓的上表面与扳手头部下表面相接触，铰接处无法转动。当拧紧螺栓时，控制系统检测施加的扭矩值并与所需值比较，当到达所需扭矩值时，给电磁铁通电，锁紧套在磁铁吸力的作用下向下运动使钢珠和卡栓解脱，卡栓解脱后在施加扭矩的作用下铰接处发生转动，转到头部与手柄壁接触为止。扳手拧紧螺栓过程中力量较大，小电压驱动的电磁铁力量比较小，此机构巧妙的运用钢珠摩擦系数小的特性，使用较小的驱动力使扳手在施加扭矩值达到所需值后及时卸载，有效防止扭矩值的进一步增大。

3仿真与优化

（1）有限元仿真

扳手头部夹持机构受力较大，运用大型有限元分析软件ANSYS对其进行静力学仿真，验证设计的合理性，并根据仿真结果进一步对模型进行优化。装配体的有限元分析计算中，需要考虑各零件之间的接触问题，本设计中接触面之间的摩擦系数是重要参数。因此，首先要建立合理的力学模型，正确设置各接触面的接触类型及摩擦系数。扳手拧紧螺栓时，夹持端面会受到被夹持件的反作用力。对夹持机构的夹持接触面施加法向载荷，模拟螺栓的拧紧过程，有限元网格划分模型如图4所示。该扳手的使用范围为M5～M24。经计算，拧紧M24的普通六角头螺栓需要施加260Nm的扭矩，M24的螺栓六角头对边距为36mm，需要2个夹持面各施加大小约7kN的力。因此，分别对2个夹持端面施加法向载荷，大小均为7kN，设置活动端和滑块与扳手主体的摩擦系数为0.3，在机构与手柄联接处施加固定约束。

（2）结构优化

仿真结果显示，该机构设计模型存在严重的应力集中现象，受力不均匀，这是由于模型设计中形状突变造成的，可通过结构优化改善此问题。根据各个零件的应力云图，各个零件分别做以下优化：①扳手主体。在夹持头与主体联接突变处，添加肋板进行加固，并将突变处更改为圆角过渡；②活动端。在活动端中间部位销轴上方的突变处进一步加固，将圆角过渡更改为肋板，在活动端与主体接触摩擦面位置受力较大处，对通槽中无干涉位置进行实体填充，直角改为圆角。

4结语

针对智能扭力扳手的总体方案，设计了其机械机构部分。巧妙的运用钢球组合机构解决了小力驱动控制大力机构的微动，分析了夹持机构利用摩擦力实现无级定位的可行性。并运用ANSYS软件对夹持机构的受力进行了静力学分析，根据结果进行结构优化，优化后各部位的应力值满足设计要求。机械结构的设计满足了智能扭力扳手的设计需求，智能扭力扳手能有效解决技术资料在工程实际中运用较少的问题，能够快速准确地施加拧紧力矩，智能化程度进一步提高。

作者：赵排航 王克印 黄海英 陈玉昆 单位：军械工程学院