智能扭力扳手機械結構設計論文
0引言
扭力扳手是一種能夠實時反饋并控制擰緊力矩的常用工具,可以施加準確的擰緊力矩。現有的扭力扳手都要先設定所需扭矩值再進行擰緊操作，這要求操作者對螺栓所需扭矩值有一定的掌握。對此，課題組研制了一款根據螺栓規格自動設定所需扭矩值的智能扭力扳手。該智能扭力扳手可實現自動識別螺栓規格，輔助設置相關參數，自動計算螺栓的許用扭矩，采用扭矩傳感器采集施加的扭矩值與許用扭矩值比較，達到許用值時扳手手柄出現微動失效，及時卸載并提示不再加力。機械機構部分主要實現自動計算許用扭矩和加力達到所需值時及時卸載失效，防止因用力過猛損壞零部件。
1設計思路
智能扭力扳手由控制系統和機械結構2部分組成。機械結構部分主要包括無級定位夾持機構和過載微動失效機構。夾持機構不但要適應不同規格的螺栓，還要實現關聯螺栓規格與所需扭矩值的傳感器功能。因此選用無級定位的方式既能實現夾持裝置活動端任意位置定位，用于夾持不同規格的螺栓，并且在加力時保持穩定，又可通過活動端與電位器關聯實現開口大小的檢測；過載微動失效機構實現過載后在電磁鐵的驅動下實現扳手頭部和手柄連接鉸鏈的輕微轉動，及時減小施加載荷，并提示操作者不再加力。
2設計原理
（1）無級定位夾持機構
夾持機構用于夾持螺栓六角頭，為了適應不同規格的螺栓，夾持開口大小必須可調。傳統的活動口扳手的調整是利用蝸輪蝸桿機構實現的，利用蝸輪蝸桿機構的反向自鎖實現活動端的定位，但是這種機構傳動效率低，扳手開口調節較慢。本文所設計的無級定位夾持機構通過滑塊在定位軌道中滑動調節開口大小，調節大小一步到位，效率較高，利用接觸面的摩擦力實現定位，穩定可靠。
（2）夾持機構原理分析
無級定位夾持機構由扳手頭主體、滑塊、活動端、銷軸等幾部分組成。如圖1所示，滑塊與活動端通過銷軸鉸接，滑塊在扳手頭主體的導槽中滑動，活動端的下表面在導軌上表面上滑動，活動端中間部位的三角形凸起用于夾持螺栓頭的定位。
（3）過載微動失效機構原理分析
由于智能扳手控制系統的輸出電壓最大為12V，低電壓電磁鐵的電磁力是有限的，因此利用鋼珠的滾動摩擦系數低特性，實現大載荷微動機構的低電壓驅動。過載失效機構原理。該機構由扳手頭部、聯接銷軸、扳手手柄、卡栓、復位彈簧、鋼珠、鎖緊套、電磁鐵等零部件組成，扳手頭部和手柄通過聯接銷軸鉸接，卡栓圓柱面有凹槽來配合鋼珠并在鎖緊套的作用下將卡栓定位。電磁鐵為動力元件，不通電時，鎖緊套在復位彈簧的作用下將鋼珠和卡栓鎖緊，卡栓的上表面與扳手頭部下表面相接觸，鉸接處無法轉動。當擰緊螺栓時，控制系統檢測施加的扭矩值并與所需值比較，當到達所需扭矩值時，給電磁鐵通電，鎖緊套在磁鐵吸力的作用下向下運動使鋼珠和卡栓解脫，卡栓解脫后在施加扭矩的作用下鉸接處發生轉動，轉到頭部與手柄壁接觸為止。扳手擰緊螺栓過程中力量較大，小電壓驅動的電磁鐵力量比較小，此機構巧妙的運用鋼珠摩擦系數小的特性，使用較小的驅動力使扳手在施加扭矩值達到所需值后及時卸載，有效防止扭矩值的進一步增大。
3仿真與優化
（1）有限元仿真
扳手頭部夾持機構受力較大，運用大型有限元分析軟件ANSYS對其進行靜力學仿真，驗證設計的合理性，并根據仿真結果進一步對模型進行優化。裝配體的有限元分析計算中，需要考慮各零件之間的接觸問題，本設計中接觸面之間的摩擦系數是重要參數。因此，首先要建立合理的力學模型，正確設置各接觸面的.接觸類型及摩擦系數。扳手擰緊螺栓時，夾持端面會受到被夾持件的反作用力。對夾持機構的夾持接觸面施加法向載荷，模擬螺栓的擰緊過程，有限元網格劃分模型如圖4所示。該扳手的使用范圍為M5～M24。經計算，擰緊M24的普通六角頭螺栓需要施加260Nm的扭矩，M24的螺栓六角頭對邊距為36mm，需要2個夾持面各施加大小約7kN的力。因此，分別對2個夾持端面施加法向載荷，大小均為7kN，設置活動端和滑塊與扳手主體的摩擦系數為0.3，在機構與手柄聯接處施加固定約束。
（2）結構優化
仿真結果顯示，該機構設計模型存在嚴重的應力集中現象，受力不均勻，這是由于模型設計中形狀突變造成的，可通過結構優化改善此問題。根據各個零件的應力云圖，各個零件分別做以下優化：①扳手主體。在夾持頭與主體聯接突變處，添加肋板進行加固，并將突變處更改為圓角過渡；②活動端。在活動端中間部位銷軸上方的突變處進一步加固，將圓角過渡更改為肋板，在活動端與主體接觸摩擦面位置受力較大處，對通槽中無干涉位置進行實體填充，直角改為圓角。
4結語
針對智能扭力扳手的總體方案，設計了其機械機構部分。巧妙的運用鋼球組合機構解決了小力驅動控制大力機構的微動，分析了夾持機構利用摩擦力實現無級定位的可行性。并運用ANSYS軟件對夾持機構的受力進行了靜力學分析，根據結果進行結構優化，優化后各部位的應力值滿足設計要求。機械結構的設計滿足了智能扭力扳手的設計需求，智能扭力扳手能有效解決技術資料在工程實際中運用較少的問題，能夠快速準確地施加擰緊力矩，智能化程度進一步提高。
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