机电一体化技术气动冲击扳手的结构设计本科学位论文.doc

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1、摘 要本课题主要在研究对象是通用气动冲击扳手。 首先是对气动冲击扳手内部结构和相关零件进行建模和分析，通过对通用紧固件的分析，收集工程数据，在此基础上运用专业的三维实体造型软件对其进行实体造型设计和建模仿真，再对模型各个受力部件、主要的冲击部分进行必要的计算和改进，进一步改良和完善本课题的设计。 本课题目在工程机械设计和理论试运行数据为基础的前担下，动用了工业设计的相关设计理念，这两方面的有机结合在一定程度上使本课下周的设计更体现了现代机械设计制造的先进性。关键字： 气动冲击扳手 实体造型 测量 逆向 曲线和曲面目 录一.引言4二气动冲击扳手的研究和意义 4 2.1气动冲击扳手的不足4三气动冲

2、击扳手的工作原理 5 3.1工作原理 5四.气动冲击扳手在国内外的研究与分析 6 4.1 气动冲击扳手的调查 6 4.2 CAD技术的发展 7五. 气动冲击扳手的结构设计及装配 8 5.1 气动冲击扳手的零件结构设计 85.2 气动冲击扳手的装配 12 5.3 相关数据分析 15 六致谢 19七参考文献 20一 . 引言制造业是国民经济的支柱产业，无论是在发达国家，还是在发展中国家，制造业在国民经济中均占据主要地位。而设计作为产品制造的前提，它的完善和发展正不断的为制造业注入新的动力。在当前竞争激烈，需求变化非常迅速的市场环境下，传统的机械设计制造技术正发生着深刻的变革，先进设计制造技术显著地

3、表现出了高质量、快响应、灵活、敏捷等特点。极大的满足了机械设计人员多样化、快速化、概念化的设计需求。同盟时也可以在产品设计阶段来完善产品，不用浪费大量的人力财力。同时，工业产品作为设计制造的终端工具在使用过程中必须要体现出以人为本的设计要求。目前较多的机械常用工具的外形设计上都是基于工程数据的纯机械造型，在很大层度上忽略了工具使用者作为工作主体的概念。为了体现工业设计的人机理念，工业产品的设计越来越向人性化设计迈进。从而在外观、适用、性能等各个方面达到最理想的效果。产品设计的快速化、多样化、功能化、人性化等特点，将进一步推动制造业在市场上的不断发展。二. 气动冲击扳手的研究和意义在机械制造来中

4、,各种螺纹联接的应用十分广泛,螺纹装配技术是机电工业的共性技术.重要的是机电产品,如发电机,变电器,汽车,拖拉机,机床等对装配质量的要求很高,因此对通用拧紧工具的要求也越来越高,气动冲击扳手的主要特点有以下四点:1耐高气压,2动力强大,3性能稳定.4使用寿命长. 据相关资料表明，全国汽车、拖拉机、发动机等动力机械厂超过100家，配件厂超过500家。需要大量不同精度的装配工具和装配系统来满足工艺上的需要。以每个主机厂需要单轴扳手100台，每个配件厂需单轴扳手10台估算，则该行业需单铀扳手1.5万台。如果考虑压缩机、电机电器和工程安装等行业，则全国大概需要气动冲击扳手5万台。加上常规的冲击式电动扳

5、子需求量5万台，市场前景十分可观。进口的拧紧工具及装配系统的价格经国产的要贵,近年来，中国国内有能力开发这些工具和装配系统。其价格都要比国外的便宜，如果一发成功后，可以节约大量外汇，减少维修技术人员的维修工作和昂贵工资，其经济效益和社会效益都非常显著。2.1气动冲击扳手的不足虽然已经完成了本课题的设计，但还有很多地方值得进一步提高和改进。比如在实体建模方面，如果能实现仿真运动那就更理想了。在测量扫描时，点数据的数量也可以加大，虽然这会导致计算的复杂层度，使本课题目的设计更加复杂，但如果能进行大数据采集、分析的话，那么数据重建后所形成的曲面就会更加完美。三.气动冲击扳手工作原理3.1 工作原理气

6、动冲击扳手产品分类较多，本课题主要研究枪式的手握型，其外观如图所示 气动冲击扳手气动冲击扳手的主要工作部件由两部分组成，分别是气动马达部分和冲击锤打部分， 气动马达 冲击锤打气动马达组件主要由偏心汽缸、旋转转子、活叶片和密封端盖等部件组成，主要完成气能 转换为高扭力的动能。被压缩的空气气流从空气压缩机出来，经过管路，从汽缸两个端盖上的进气口进入汽缸室内，再利用汽缸的偏心设计，将气流喷向旋转转子上的活叶片，于是活叶片带动旋转转子产生旋转动作，活叶片在离心力的作用下和汽缸内壁贴紧，把进气口和出气口动态的隔离，此后转子就利用气流在活叶片上产生的压力差恒速的转动，当活叶片在做圆周旋转时，它每到一个固定

7、角度就经过排气孔，排气孔将集中在每一间隔活叶片内的气流排出，而排出的气流同時与进气至密闭式汽缸室内，重复回转后被充分利用，因此有了高转速的转子，将高速转子透过机械结构由原来的气能转换为高扭力的动能。冲击锤打组件主要由惯性冲击架、传动套、冲击爪和扭力输出轴等组成，主要将恒定扭力转换为高强度的脉冲扭力，以实现高扭力作业的需要。从汽缸组输出的恒定扭力通过花键连接带动锤打组的惯性冲击架，使冲击架高速飞转产生高强度的旋转惯性。如果在联接件比较松的情况下，冲击架直接带动输出轴，此时输出的是冲击扭力；如果联接件较紧，而且所需要的扭紧力比冲击架输出的扭力大时，在冲击架旋转一周的过程中，安装在冲击架上的冲击爪就

8、会冲击一下输出轴的外切线，把冲击架的惯性转化为高强度的脉冲扭力。在冲击一次输出轴后，冲击爪和输出轴出现锁死，锤打组各部件有一个瞬时的停顿，这时连接在风马达旋转转子上的传动套在恒扭力的作用下，拨开冲击爪和输出轴的死锁，冲击架继续在恒扭力的作用下高速飞转产生高惯性，开始下一次的冲击。四.气动冲击扳手在国内外的研究及分析4.1 气动冲击扳手调查 国外的机电、汽车制造行业已普遍采用可控扭矩、可控转角和控制屈服点的审批权紧工具，并采用了微机控制的智能型装配系统。在气动工具方面，比较著名的有英格兰公司，该公司主要生产气动工具等，是全美最大的机械及设备生产厂家，拥有ARO ，BEEBE，CHARLESMAI

9、RE等一些气动产品品牌。 中国机电、汽车产品的装配拧紧工具目前还比较落后，虽然有江苏通润机电集团等一些进出口公司，但是他们生产制造的拧紧工具主要以手动扳手为主。而在气动工具方面的生产单位，无论从装配质量还是多用性上都与国外产品有较大差距。也不能系列地批量供应生产急需的中、高档拧紧工具及装配系统，为此国家每年都要花费大量外汇购买国外产品及备件。为适应汽车等现代机电产品的高性能、高可靠、高安全性能的要求和自动化生产的需要，螺纹拧紧装配工具及系统正在向低能耗、低噪声、控制精确等方向发展。我们国家的通用拧紧工具制造厂商正致力于开发定扭矩的气动、电动扳手等，目前主要开发方向有心下几点：1定扭矩气动扳手的

10、扭矩精度要达到0.08-0.1。2是冲击式定扭矩电动扳手的扭矩控制精度要要达到0.08-0.15。3定扭矩内燃动力扳手。 气动冲击扳手提供动力的主要是压缩的高压空气。以空气作为动力原料，取材方便而且没有污染。气动扳手不像液压扳手，液压扳手在密封性上有很高的要求，而且液压扳手的出液口的液体也必须回流，使其在液压机里面反复循环地压缩和收集，但气动扳手的出气口的气体不需要回流，可以直接排放在空气里，因此也在一定程度上减轻了压力机的技术要求。和电动扳手相比，气动扳手具有较高的安全性，要产生高强度的转动动力，必须要有高压和强电流，因此在技术上必须要求有很高的材料绝缘性。冲击扳手和定扭矩扳手相比较主要是冲

11、击扳手能产生高强度的瞬时冲击力，满足高扭力联接的需要。4.2 CAD技术的发展 CAD造型技术:起步于50年代,随着在计算机屏幕上绘图成为可能而开始迅速发展.人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时和低精度的传统手工绘图。当时，CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术，CAD的含义仅仅是图板的替代品（Computer Aided Drawing）。CAD技术从出现到逐渐走向成熟经历了无数的风风雨雨，但是仍然可以把它归结为CAD技术发展的四次技术革命。即(1曲面造型技术、2实体造型技术、3参数化技术、4变量化技术)。 曲面造型技术：60年代

12、出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM无法实现。飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维CAD带来了良好的机遇，为了解决飞机和汽车设计制造中遇到的大量自由曲面问题，法国人提出贝赛尔算法，使得人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司开发者们能在二维绘图系统CADAM的基础上，提出以表面模型为特点的自由曲面建模方法推出了三维曲面造型系统CATIA。CATIA的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现了在计算机内较完整地描

13、述产品零件的主要信息，同时也为CAM技术的开发打下了基础。曲面造型系统带来了第一次CAD技术革命，它改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段有了质的飞跃，新车型开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到约3年。汽车工业对CAD系统的大量采用，反过来也大大促进了CAD技术本身的发展。实体造型技术：80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的份额，以CV、SDRC和UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70年代末到80年代初，

14、CAE和CAM技术也有了较大发展。表面模型使CAM问题基本得到解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心和惯性矩等，对CAE十分不利。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，有助于统一CAD、CAE和CAM的模型表达，给设计带来了方便，代表着未来CAD技术的发展方向。但实体造型技术在带来了算法的改进和未来发展希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的计算机硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，离

15、实际应用还有较大的差距。另外，面对算法和系统效率的矛盾，许多赞成采用实体造型技术的公司并没有下大力气进行开发，而是转向攻克相对容易实现的表面模型技术。在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。 CAD技术基础理论的每一次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。五.气动扳手零件结构设计及装配5.1 气动扳手零件结构设计气动冲击扳手的气动马达部分主要由气缸、转子、气缸前端盖、气缸后端盖、活动叶片这几个零件组成气缸如图4-1所示。建模过程主要由旋转、切除、打孔等功能来完成。 图5-1

16、气缸 气缸壁左右两侧的打孔是作为进气孔使用，两侧分别控制转子的正反转动。气缸底部的两个孔作为出气孔使用。进气孔连接高压气体，出气孔直接和外界相通，两个气压在转子活动叶片上所形成的压力比就导致转子的转动，气缸的偏心设计也就是应用了这个原理。气缸两侧的进气孔的作用主要是使活动叶片均匀受力，气缸所需的高压气体是一部分是经过气缸后端盖直接进入气缸，另一部分是经过气缸两侧的进气孔传到后端盖的气槽再进入气缸。气缸后端盖如图4-2所示。建模过程也主要由旋转、切割、打孔等功能来完成。 图5-2 后端盖中间两个导气槽使气流进入气缸，左右两个通孔接受高气压气流，并和气缸两侧的进气孔连接，传导气流到气缸前端盖。气缸

17、前端盖如图4-3所示，建模过程和前端盖相似，就是左右两侧形成不通孔。 图5-3 前端盖 接受到气缸两侧进气孔传来的气流，通过导气槽进入气缸。这样气缸里的活动叶片两侧同时受力，均匀的受到等力驱动。气动马达的转子如图4-4所示。建模过程主要由拉伸、切割、阵列等功能来完成。图5-4 转子转子主体开6等分活动叶片槽，联接花键采用11齿渐开线花键。带花键一端和前端盖配合，另一端和后端盖配合。气动马达后端盖的高压气流，也是通过机壳盖的导气槽得到的。机壳盖如图4-5所示。建模过程主要由拉伸、切割、打孔等功能来完成的。图5-5 机壳盖机壳盖和机壳配合，主要承受扳手的后推力，导气槽主要作用就是将来自扳手把手部分

18、进气管道的气流传导到气缸内部，并利用活动叶片两面受力的压力差驱动转子转动。它和机壳配合时要求密封配合，因此采用钢纸作为垫片，机壳盖垫片如图2-6所示。气动冲击扳手的冲击锤打组件主要由冲击架、传动套、冲击爪这几部分组成。冲击架如图4-6所示。建模过程主要由旋转、拉伸、打孔等功能来完成。图5-6 冲击架在气动冲击扳手中，冲击架主要就是作为储能元件被使用，它后端口安装一个传动套，用来接受来之气缸组件中转子输出的扭矩。传动套如图4-7所示。建模过程主要由旋转、切割、阵列等功能来完成。图5-7 传动套花键联接部分和气动马达转子的花键配合，也是11齿渐开线花键。上面开口部分就是为了拨动冲击爪。冲击爪如图4

19、-8所示。建模过程主要由旋转、拉伸、切割等功能来完成。图5-8 冲击爪冲击爪轴安装在冲击架的两个安装孔上，方形部分和传动套的开口作用，爪扣部分主要和输出轴作用。在传动套的拨动下，周期性的对输出轴进行冲击。气动冲击扳手输出轴如图4-9所示。建模过程主要由旋转、拉伸、扫掠等功能来完成。图5-9 输出轴输出轴在开爪扣糟时，要求考虑制作工艺，因此有一段过度部分来满足零件加工制作过程中刀具切割的路径。输出轴爪扣槽部分和冲击爪扣作用，当冲击爪受到传动套拨动和输出轴碰撞时，既可输出冲击扭矩，当空载时输出气动马达转子的恒定扭矩。输出轴输出联接端采用14厘米的方形联接键。和紧固件套筒联接时为了避免高强度冲击产生

20、的联接不稳定，因此在输出轴端的机壳外端贴附一个离合器机壳来缓减冲击。离合器机壳如图4-10所示。建模过程主要由旋转功能来完成。图5-10 离合器机壳输出轴的高速转动会对机壳产生强摩擦，为了保护机壳，就在其内部附加一个低粗糙度的套筒柄。套筒柄如图2-11所示。它将输出轴和机壳隔开，既保护了机壳不受摩擦，也作为滑动轴承来支持输出轴的高速转动。考虑到高压废气高速排除机体所带来的不利因素，在设计扳手时，要在出气口加一个排气变流装置。高压废气流受到凸弧面的阻挡，速度自然下降。图5-11 套筒柄5.2气动扳手装配以上对相关零件进行了实体建模后，下面要对其进行装配，以实现各个组件的功能。气动马达组件的装配图

21、如图5-12所示。图5-12气动马达装配图转子在偏心气缸内的装配位置如图5-13所示。图5-13 气动马达剖面图偏心设计就可以造成压力差。这也是气动马达的设计原理。冲击锤打组件的装配图，如图5-14所示。图5-14冲击锤打组件装配图冲击爪和传动套的配合情况，如图5-15所示。图5-15冲击爪和传动套配合图冲击爪和输出轴相对位置，如图5-16所示。图5-16 冲击爪和输出轴相对位置冲击爪受传动套的拨动，可以使其和输出轴相顶或分离。在分离时，冲击架利用本身的惯性特点对转动扭矩进形储能；当相顶时，冲击架积蓄的扭矩通过冲击爪传递给输出轴。致使输出轴输出高强度的冲击扭矩。冲击完成后，冲击爪再次和输出轴分

22、离。这样就形成一个周期性的扭矩储能和冲击锤打的过程。气动马达和冲击锤打组件这两部分的配合就形成了气动冲击扳手的主要工作部分。气动马达、冲击锤打组件、输出轴装配图，如图5-17所示。 图5-17内心主要部件装配图5.3 相关数据分析 气动马达以高压空气作为动力源，高压空气进入汽缸内，对活动叶片产生压力，带动转子转动。如图2-22为气动马达横截面，来计算分析数据。图5-18气动马达横截面圆O1 是转子横截面，半径R1为21.8，圆O2 是汽缸横截面，半径R2为18.65，图上两个截圆的中心距O1 O2 为2.7。AB为气动马达活动叶片受力部分。角a、b、c的关系为： （5-1）对于三角形AO1 O

23、2 ，由正弦定理： （5-2）可得： （5-3）再由余弦定理： （5-4）得： （5-5）气动马达叶片的长度L=34.9，所以实际受力面积是S=ABL。高压气体的压强为90个大气压，P=9.09106 N/m2，叶片上受到的力N=PS。所产生的扭矩为： （5-6）气动马达和冲击锤打组件的联接采用渐开线花键联接。 花键采用11齿啮合（z =11），分度圆压力角为30度（ =30），模数为0.9（m =0.9）。分度圆直径为： （5-7）齿顶高和齿根高分别为： （5-8）式中分别为齿顶高系数和顶隙系数。GB1356-88规定标准值分别为1和0.25，非标准短齿为0.8和0.3。齿顶圆直径为： （5

24、-9）齿根圆直径为： （5-10）齿厚为： （5-11）由以上式子可计算得出联接花键轴的各个参数，部分主要参数见表2-1。表2-1 花键轴主要参数齿数分度圆压力角模数分度圆直径齿根圆直径起点圆直径周节齿厚齿根圆弧公法线长11300.91099.55.922.993.7910气动马达转子上的花键轴测量方法如图5-19。 图5-19 联接花键测量方法当气动扳手空载时，输出扭矩就是T，而当冲击爪开始冲击输出板轴时，由于惯性扭矩的集中，就会产生高强度的扭矩。冲击架剖面图如图2-24所示。图5-20 冲击架剖面图计算转动惯量： （5-12）冲击架由三部分组成： （5-13）其中J 1为： （5-14）其

25、中J 2为： （5-15）其中J 3为： （5-16）综合以上式子，再由 可以得到气动马达的转速为w=5000 r/min，板轴输出的最大扭矩为T=580 Nm。 致谢本课题已经完成扳手主要工作部件的建模和装配，并对相关数据进行了计算和分析。同时扳手的外形做了测量、造型和数据重建等各方面的工作。在本课题的实体建模、模型制作和外形设计上都充分体现了工业设计中人机工程的相关理念。虽然很好的完成了本课题的设计，但还有很多地方值得进一步提高和改进。比如在实体建模方面，如果能实现仿真运动那就更理想了。在测量扫描时，点数据的数量也可以加大，虽然这会导致计算的复杂层度，使本课题的设计更加复杂，但如果能进行大

26、数据采集、分析的话，那么数据重建后所形成的曲面就会更加完美。参考文献 1 全宏工作室编著,前沿CAD工作室改编.Solid Works 2000中文版高级零件篇. 北京大学出版社, 2001.3.2（美）Solid Works（苏利德沃克斯）公司编著.Solid Works基本建模技术：零件与装配体.清华大学出版社, 2003.4.3 朱心雄.自由曲线曲面造型技术.科学出版社, 2000.1.4 张宇，范宇，初学丰.逆向工程技术原理及其关键技术.昆明理工大学学报，Vol.24 No.4.5 许智钦.孙长库.3D逆向工程技术.中国计量出版社,2002.4.6 金涛,童水光等.逆向工程技术.机械工业出版社，2003.8.7 宫六朝.工业造型艺术设计.花山文艺出版社，2002.3.8 （日）清水吉治著.马卫星译.产品设计效果图技法.北京理工大学出版社，2003.10.9 陆红阳.喻湘龙.工业产品设计.广西美术出版社，2003.8.10 赵玉亮.工业设计模型工艺.高等教育出版社，2001.7.19