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長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙
前 言
螺栓連接是一種普遍可靠的連接方式。其中高強(qiáng)度螺栓鏈接廣泛使用在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中。
由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過小時(shí)，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強(qiáng)度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅(jiān)苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩?cái)Q緊，工人擰緊螺母的過程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低。綜合以上三點(diǎn)原因，在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)，我們采用電動(dòng)扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。
電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
在長期的使用中，電動(dòng)扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計(jì)有點(diǎn)——體積小、重量輕、操作方便快捷、安全可靠，從而使電動(dòng)扳手成為施工現(xiàn)場不可缺少、不可替代的專用工具。從總體上看，電動(dòng)扳手基本上可在設(shè)計(jì)壽命范圍正常工作，無需大修，施工現(xiàn)場也未發(fā)生任何由于漏電等原因引起的安全事故，從而得到使用單位的好評。
個(gè)別的電動(dòng)扳手，在使用中曾發(fā)生柔輪筒體底部斷裂失效的現(xiàn)象，這一事實(shí)驗(yàn)證了柔輪光彈性試驗(yàn)得到的結(jié)論——柔輪工作時(shí)的切應(yīng)力及殼壁內(nèi)的正應(yīng)力的最大值均發(fā)生在柔輪的根部（并有應(yīng)力集中的影響），根部是最危險(xiǎn)的截面。因此，改善柔輪根部的結(jié)構(gòu)和加工品質(zhì)是提高強(qiáng)度和使用壽命的關(guān)鍵措施。
多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，自行研制的電動(dòng)扳手成功替代了進(jìn)口產(chǎn)品，為國家節(jié)省了大量外匯，也為生產(chǎn)研制單位帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
由于時(shí)間倉促和作者的知識水平有限，論文中的錯(cuò)誤和不足在所難免，請各位老師給予批評指正。
第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)分析
1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
題目：電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)
參數(shù)：（1）電源電壓：220V；
（2）輸出最大力矩：1010N.m；
（3）一機(jī)多用：能適用于M16、M20、M22.和M24四種螺栓；
（4）每一工作循環(huán)時(shí)間：3~5s；
（5）電動(dòng)扳手體積小，重量輕，操作簡便，工作可靠。
具體要求：（1）通過閱讀參考資料，現(xiàn)場調(diào)研，了解現(xiàn)有電動(dòng)扳手的機(jī)構(gòu)、組成及工作情況；了解電動(dòng)扳手的工作原理并撰寫開題報(bào)告；
（2）方案設(shè)計(jì)，根據(jù)查閱的資料提出若干解決問題的方案并加以討論；
（3）進(jìn)行電動(dòng)扳手的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)指導(dǎo)老師的要求做必要的計(jì)算；
（4）完成電動(dòng)扳手的總裝配圖及典型零件圖（共四張零號圖紙）；
（5）完成文獻(xiàn)資料分析報(bào)告（含1——2篇外文翻譯）；
（6）撰寫設(shè)計(jì)說明書一份。
1.2 設(shè)計(jì)意義
在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強(qiáng)度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。
由于高強(qiáng)度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個(gè)比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過大時(shí)，不能保證螺栓的強(qiáng)度；當(dāng)擰緊力矩過小時(shí)，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強(qiáng)度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅(jiān)苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩?cái)Q緊，工人擰緊螺母的過程中會(huì)有很多不便，工作效率也會(huì)很低。綜合以上三點(diǎn)原因，在擰緊高強(qiáng)度螺栓時(shí)，我們采用電動(dòng)扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。
電動(dòng)扳手以220V交流電源為動(dòng)力進(jìn)行工作，可以保證每個(gè)螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)，采用電動(dòng)扳手代替手動(dòng)扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
第2章 方案設(shè)計(jì)
2.1 基本結(jié)構(gòu)的分析與選擇
電動(dòng)扳手與機(jī)床、汽車等大型機(jī)器比較起來雖然比較小巧簡單，但也是一種完整的機(jī)器，它應(yīng)該由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)組成。
根據(jù)前述設(shè)計(jì)任務(wù)要求，動(dòng)力機(jī)應(yīng)選用電源為220V的交流電機(jī)。
由于電動(dòng)扳手為人工操作，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)該體積小、重量輕、絕緣好，以便于操作，并保證人身安全。大功率高轉(zhuǎn)速防護(hù)式串激電機(jī)能基本滿足這個(gè)要求。這種電機(jī)在制造中采用滴浸泡轉(zhuǎn)子，電焊整流子等新工藝，外殼采用熱固性工程塑料，電樞為接軸，從而形成雙重絕緣結(jié)構(gòu)，使用電安全有保證。
由于電動(dòng)扳手工作時(shí)，需要內(nèi)外套筒反轉(zhuǎn)，因此要選擇一組行星輪系。
漸開線行星齒輪傳動(dòng)按齒輪嚙合方式可分為NGW、NW、ZUWGW、NN、WW、NGWN和N等類型。其中WW、NN、NGWN這三種類型的傳動(dòng)比可達(dá)到很大，但是傳動(dòng)效率也會(huì)隨著傳動(dòng)比的增加而下降，而ZUWGW型行星齒輪傳動(dòng)主要用于差動(dòng)裝置，因此在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中除去這四種類型而對其他三種類型進(jìn)行比較。
動(dòng)軸輪系的運(yùn)動(dòng)簡圖如下：
1) NGW 2) NW 3) N
圖1 NGW、NW和N型行星輪系簡圖
其中NGW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍在1.13~13.7之間，效率可以達(dá)到0.97~0.99，它的特點(diǎn)是效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，傳動(dòng)功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件，但單級傳動(dòng)比范圍較小。
NW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍可達(dá)到1~50，效率也可以達(dá)到0.97~0.99，特點(diǎn)是效率高徑向尺寸比NGW型小，傳動(dòng)比范圍比NGW型大，可用于各種工作條件。但雙聯(lián)行星齒輪制造、安裝都很復(fù)雜，故時(shí)不宜采用。
N型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍可達(dá)到7~100，效率可達(dá)到0.8~0.94，特點(diǎn)是傳動(dòng)比范圍較大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積及重量小，但效率比NGW型低，且內(nèi)嚙合變位后徑向力較大，使軸承徑向載荷加大，適用于小功率或短期工作的情況。
綜合上述分析，在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中選擇了NGW型行星齒輪傳動(dòng)。
由于所選電機(jī)轉(zhuǎn)速特別高，而輸出轉(zhuǎn)速還很小，傳動(dòng)比很大，而NGW型行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比不會(huì)超過10，因此要選擇一種大降速比的傳動(dòng)方式。
經(jīng)調(diào)查，可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的傳動(dòng)方式有蝸輪蝸桿傳動(dòng)和諧波齒輪。
蝸輪蝸桿傳動(dòng)是由蝸桿和蝸輪組成的傳動(dòng)副。傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲小；傳動(dòng)效率低，引起發(fā)熱和溫升較高。蝸桿傳動(dòng)用于動(dòng)力傳動(dòng)時(shí)，降速比i可達(dá)到5~80，傳力很小，主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，i可取到500或更大。并且它用于傳遞量空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。所以在電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)中不考慮這種傳動(dòng)方式。
諧波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比大而且范圍寬；同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)多，承載能力大，體積小，重量輕；傳動(dòng)效率較高，單級效率為65%~90%；傳動(dòng)精度高；回差小，易于實(shí)現(xiàn)零回差傳動(dòng)；傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。諧波齒輪傳動(dòng)符合電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)要求，因此在電動(dòng)扳手設(shè)計(jì)中選用諧波齒輪傳動(dòng)。
綜合上述分析，本設(shè)計(jì)選用諧波齒輪配合NGW型行星輪系傳動(dòng)系統(tǒng)，又由于電機(jī)軸不能直接聯(lián)接諧波齒輪，所以在諧波齒輪傳動(dòng)之前，使用一組定軸輪系。
a) b) c)
圖2 扳手工作原理示意圖
1-夾緊頭 2-定力矩切口 3-螺栓部分 4-螺母
5-墊片 6-被緊固體 7-內(nèi)套筒 8-外套筒 9-頂桿
電動(dòng)扳手的工作機(jī)構(gòu)為擰緊螺母的外套筒8和擰斷螺栓（在定力矩切口處）的內(nèi)套筒7，如圖2所示。工作時(shí)這兩個(gè)套筒的力矩相等，方向相反。如果利用這個(gè)特點(diǎn)，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成封閉系統(tǒng)，兩個(gè)相反的力矩就可以在電動(dòng)扳手內(nèi)部平衡，操作者不受外力的作用，從而使操作變得輕便、簡單。
由于動(dòng)力機(jī)采用了高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，因此動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)構(gòu)（套筒）之間就需要采用大傳動(dòng)比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。行星齒輪傳動(dòng)（NGW型單機(jī)傳動(dòng)比i=3~12）、漸開線少齒差齒輪傳動(dòng)（單機(jī)傳動(dòng)比i=10~100）、擺線少齒差齒輪傳動(dòng)（單級傳動(dòng)比i=11~87）和活齒少齒差齒輪傳動(dòng)（單級傳動(dòng)比i=20~80）等如果用電動(dòng)扳手，均需多級串聯(lián)使用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力線較長，會(huì)引起系統(tǒng)剛度下降、運(yùn)動(dòng)鏈累計(jì)誤差較大，這是不利的。因此，少齒差齒輪傳動(dòng)，其行星輪的軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，他們都需要一個(gè)運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也是不足之處。
諧波齒輪傳動(dòng)通過柔輪的彈性變形，利用了內(nèi)嚙合少齒差傳動(dòng)可獲得大速比的原理，將行星輪系的運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)簡化為低速構(gòu)件具有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，不需要等角速比機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)直接輸出。因此諧波傳動(dòng)具有速比大，機(jī)構(gòu)件數(shù)量少，體積小重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，效率高，無沖擊等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)扳手?jǐn)嗬m(xù)、短時(shí)的工作特點(diǎn)恰好克服了柔輪由于變形而易產(chǎn)生疲勞斷裂的不足。諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力傳遞時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩的大小受柔輪尺寸的限制，故不宜將其設(shè)計(jì)為電動(dòng)扳手的最終輸出。
綜合上述的分析，采用諧波齒輪傳動(dòng)與行星輪系傳動(dòng)串聯(lián)的設(shè)計(jì)是一種比較全面地、最大限度地滿足電動(dòng)扳手工藝要求的最佳選擇。
2.2 總體方案的擬定
從上述分析來看，電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)要點(diǎn)集中在電動(dòng)機(jī)的選擇和傳動(dòng)形式的確定。在滿足輸出力矩（1010N.m）要求的前提下，盡量使整機(jī)體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。據(jù)此，初步確定電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)方案簡圖如圖3所示。電動(dòng)扳手整機(jī)由電動(dòng)機(jī)1、定軸齒輪傳動(dòng)2、諧波齒輪傳動(dòng)3、NGW行星齒輪傳動(dòng)4、外套筒5和內(nèi)套筒6組成。外套筒5用來把住螺母4，內(nèi)套筒用來把住高強(qiáng)度螺栓尾部的梅花頭，如圖2所示。圖1中的、、是定軸齒輪傳動(dòng)的齒數(shù)；和是諧波傳動(dòng)剛輪和柔輪的齒數(shù)；是諧波發(fā)生器；a、g、b和H是NGW行星齒輪傳動(dòng)的太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和轉(zhuǎn)臂。這是一種行星輪系與諧波輪系雙差動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)方案，其原理可作如下分析：
諧波齒輪傳動(dòng)輪系的自由度F可用下式計(jì)算：
圖3 電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)方案簡圖
1-電動(dòng)機(jī) 2-定軸齒輪傳動(dòng) 3-諧波齒輪傳動(dòng)
4-NGW行星齒輪傳動(dòng) 5-外套筒6-內(nèi)套筒
式中 ——平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)：
——機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)；
——機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)。
鑒于圖3電動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸均互相平行，因此該機(jī)構(gòu)可視為平面機(jī)構(gòu)。
對于諧波齒輪傳動(dòng)：=4，=3，=1，其自由度為
對于行星輪系，其自由度也為2。因此在無任何約束條件下，兩機(jī)構(gòu)均為自由度等于2的差動(dòng)機(jī)構(gòu)。由此機(jī)構(gòu)組成的電動(dòng)扳手?jǐn)Q緊螺栓的過程分兩階段：
階段1：在螺栓、螺母與扳手處于松動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由度為2的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即內(nèi)外套筒同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。
階段2：當(dāng)夾緊力增大到一定值后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由度為1的NGW型行星傳動(dòng)，即外套筒固定，內(nèi)套筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到擰斷螺栓的梅花頭。
采用差動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的：
（1）、為消除內(nèi)套筒與螺栓梅花頭、外套筒與螺母之間的安裝角度誤差，電動(dòng)扳手必須具備可手動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)、外套筒產(chǎn)生相對角位移，確保內(nèi)、外套筒順利地進(jìn)入工作的準(zhǔn)備位置。
（2）設(shè)計(jì)時(shí)，為讓出中心頂桿的位置，電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)不可“一”字布置。實(shí)際中采用的并列布置造成機(jī)殼形狀復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體，構(gòu)成差動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使內(nèi)、外套筒及相關(guān)輪系結(jié)構(gòu)之間形成封閉力線，從而機(jī)殼不承受外力矩，則機(jī)殼的加工性能大大改善。
按上述機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的電動(dòng)扳手，其操作步驟（圖2）如下：
1） 高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊在被緊固件上，如圖2a所示；
2） 將內(nèi)套筒插人螺栓尾部的梅花頭，然后微轉(zhuǎn)外套筒，使其與螺母套正，并推到螺母根部，如圖2b所示；
3） 接通電源開關(guān)，內(nèi)外套筒背向旋轉(zhuǎn)將螺栓緊固，待緊固到螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)力矩時(shí)，將梅花頭切口扭斷；
4） 關(guān)閉電源，將外套筒脫離螺母，用手推動(dòng)開關(guān)上前方的彈射頂桿觸頭9，將梅花頭從內(nèi)套筒彈出，緊固完畢，如圖2c所示。
第3章 電動(dòng)扳手的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算
3.1 整機(jī)傳動(dòng)比的確定
根據(jù)調(diào)查和類比、決定選用功率P=1.35kW，轉(zhuǎn)速n=20000r/min的220v交直流兩用串激電動(dòng)機(jī)。此電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩
取定軸齒輪的傳動(dòng)效率，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，則整機(jī)的傳動(dòng)效率
已知扭斷螺栓切口處的定力矩。據(jù)此可決定整機(jī)的總傳動(dòng)比
3.2 各傳動(dòng)比的確定
取定個(gè)輪系的齒數(shù)：
定軸輪系
諧波齒輪傳動(dòng)
行星齒輪傳動(dòng)
整機(jī)的傳動(dòng)路線為：定軸輪系（z1、z2、z3）→諧波傳動(dòng)（f、zR、zG）→行星輪系（a、g、b、H）
定軸輪系傳動(dòng)比
齒輪z3帶動(dòng)諧波發(fā)生器f，使柔剛輪產(chǎn)生相當(dāng)運(yùn)動(dòng)，由于剛輪G和內(nèi)齒輪b與外套輪連為一體（圖52.3-2），所以在擰斷螺栓梅花頭時(shí)，剛輪是固定的，柔輪輸出，如圖（52.3-3）所示。
此時(shí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比
傳動(dòng)比帶符號，說明波發(fā)生器1的轉(zhuǎn)向于柔輪2的轉(zhuǎn)向相反，如圖4所示：
圖4 諧波傳動(dòng)簡圖
1 - 波發(fā)生器 2 - 柔輪 3 – 剛輪
柔輪輸出帶動(dòng)行星傳動(dòng)的太陽輪a，此時(shí)因內(nèi)齒輪b固定，轉(zhuǎn)臂H輸出（圖4），行星輪系的傳動(dòng)比
整機(jī)的傳動(dòng)比
完全符合由轉(zhuǎn)矩確定的傳動(dòng)比要求。
3.3 諧波齒輪傳動(dòng)和行星輪系運(yùn)動(dòng)分析
諧波齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比）為
（3-1）
式中、、──分別為柔輪、剛輪和波發(fā)生器的角速度。
──柔輪和剛輪的齒數(shù)。
行星輪系轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比）為
（3-2）
式中、、──分別為太陽輪a、內(nèi)齒輪b和轉(zhuǎn)臂H的角速度。
────b輪和a的齒數(shù)。
此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)條件（圖4）可得
= （3-3）
= （3-4）
由式（3-1）~（3-4），經(jīng)整理后可得
（3-5）
具體將數(shù)據(jù)帶入有關(guān)公式：
將上述數(shù)據(jù)代人式（3-5），得
（3-6）
推到出的式（3-6）為電動(dòng)扳手諧波齒輪傳動(dòng)與行星輪系傳動(dòng)的串聯(lián)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程式，表達(dá)出輸入與雙輸出之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
由式（3-6）可見，當(dāng)外套筒固定時(shí)，與旋向相反；當(dāng)內(nèi)套固定時(shí)，與旋向相同，因此當(dāng)整機(jī)無任何外約束時(shí)，與呈旋向相反的雙輸出運(yùn)動(dòng)。
第4章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與校核
4.1 定軸輪系的設(shè)計(jì)
根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；精度等級選8級精度；為了增加傳動(dòng)件的壽命小齒輪、大齒輪均采用GCr15。
初選小齒輪齒數(shù)Z1=17，大齒輪齒數(shù)Z2=58，介輪齒數(shù)Z3=48。
4.1.1 .按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(1) 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式計(jì)算
（4-1）
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1) 試選載荷系數(shù)Kt=1.3 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
2) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7選得齒寬系數(shù) φd=0.6
3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6查表得材料GCr15的彈性影響系數(shù)
4) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d按齒面硬度查表得齒輪得接觸疲勞強(qiáng)度極限為σHLim=534MPa
5) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN=0.9
6) 計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力
失效概率取1%安全系數(shù)S=1由式
（4-2）
得 （σH1）=KHN1σlim/S=408MPa
(2) 計(jì)算
1) 計(jì)算小齒輪分度圓直徑帶入中較小得值
==19.2
2) 計(jì)算圓周速度
3) 計(jì)算齒寬及模數(shù)
4) 計(jì)算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)=1
根據(jù)V=19.84m/s 8級精度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)=1.35
直齒輪
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)， =1.241
由 =1.241得=1.26
故動(dòng)載荷系數(shù)
5) 按實(shí)際得動(dòng)載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑。
6)計(jì)算模數(shù)
4.1.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算公式為：
（4-3）
確定計(jì)算參數(shù)
1) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20c查得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度
2) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18查取彎曲疲勞壽命系數(shù)
3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)得
4) 計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)
5) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查取齒形系數(shù)
6) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查取應(yīng)力校正系數(shù)：
由表10-5查得
7) 計(jì)算大小齒輪得并加以比較：
小齒輪較大
4.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算
對此結(jié)果，由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)最大，因此可取大于此模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取1.25
則計(jì)算小齒輪取最小齒數(shù)Z1=17 則 Z2=58 Z3=48
計(jì)算校核后的齒數(shù)：
計(jì)算中心距:
計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑：
齒寬修正后?。築1=10 ，B2=10 ，B3=14
4.2 諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
4.2.1 諧波齒輪傳動(dòng)參數(shù)的確定
根據(jù)上述的分析設(shè)計(jì)，確定了諧波齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)如下：
傳動(dòng)比
柔輪變形波數(shù)U=2
柔輪齒數(shù)
剛輪齒數(shù)
模數(shù)m=0.4mm
柔輪壁厚H=0.5mm
齒寬b=20mm
柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定如下：
全齒高
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒形角
變位系數(shù)
剛輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定如下：
全齒高
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒形角
變位系數(shù)
柔輪和剛輪均采用漸開線齒形。
波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器：
長軸
短軸
采用23個(gè)直徑為7.14mm滾珠的薄壁軸承。
4.2.2 柔輪結(jié)構(gòu)形式的選擇
柔輪分杯形柔輪、整體式柔輪、具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪、齒嚙式聯(lián)接的環(huán)形柔輪、鐘形柔輪、密封柔輪。其中密封柔輪用于密封式諧波齒輪減速裝置；鐘形柔輪的結(jié)構(gòu)形狀保證齒圈變形時(shí)輪齒與柔輪軸線平行，軸向尺寸較小，強(qiáng)度高，壽命長，但加工復(fù)雜；整體式柔輪結(jié)構(gòu)簡單，扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動(dòng)精度和效率較高，但工藝性差，材料利用率低；而具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，軸向尺寸較小，但與杯形柔輪相比，其傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度有所降低，并且這種柔輪主要用于復(fù)式傳動(dòng)；相比之下杯形柔輪更適合使用在電動(dòng)扳手中，它扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動(dòng)精度高，承載能力大，效率高。
圖5 杯形柔輪的尺寸圖
4.2.3 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)算
由于諧波齒輪的柔輪好剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲率半徑之差很小，所以齒輪工作時(shí)很接近于面接觸。因此，齒輪工作表面的磨損可由齒面的比壓p來控制。齒輪工作表面的耐磨損能力可用下式計(jì)算
（4-4）
式中 T——作用在柔輪的上的轉(zhuǎn)矩（Nm）,本設(shè)計(jì)T=10Nm；
dR——柔輪分度圓直徑（mm），本設(shè)計(jì)dR=80mm；
hn——最大嚙合深度（mm），如不考慮嚙合的空間特性，可近似的
hn=（1.4~1.6）m，本設(shè)計(jì)hn=1.4x0.4=0.56mm；
b——齒寬（mm），b=20mm
zv——當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù)，一般可取zv=（0.075~0.125）zR，本設(shè)計(jì)取zv=0.075x200=15;
K——載荷系數(shù)，取K=1.3~1.75，本設(shè)計(jì)取K=1.5；
pp——齒面許用比壓，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，可取pp=8MPa。
可見，符合耐磨性要求。
4.3 柔輪強(qiáng)度計(jì)算
諧波齒輪傳動(dòng)工作時(shí)，柔輪筒體處于應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動(dòng)變化。若分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，則正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為：
（4-5）
由變形和外載荷引起的切應(yīng)力分別為：
（4-6）
應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為：
（4-7）
式中 T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩（）本設(shè)計(jì)T=10;
——頭論齒根處的壁厚（mm），本設(shè)計(jì)=0.6mm;
Dp——計(jì)算平均直徑（mm），Dp=dfR-h1，本設(shè)計(jì)
Dp=（82.88-0.6）mm=81.28mm；
E——彈性模量（MPa），本設(shè)計(jì)E=206x103MPa；
——變形系數(shù)（mm），=dG-dR，本設(shè)計(jì)=（80.8-80）mm=0.8mm
將具體數(shù)據(jù)代人式（4-5）~式（4-7），得
柔輪的工作條件惡劣，為了使柔輪在額定載下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞損壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用30CrMnSiA作為柔輪的材料。30CrMnSiA的力學(xué)性能如下：
球化處理后硬度為24~26HRC.
取
取
柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為：
（4-8）
（4-9）
式中 ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=1.7~2.5，本設(shè)計(jì)取=2.5；
——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=（0.8~0.9），本設(shè)計(jì)取=0.9=0.92.5=2.25。
將具體數(shù)據(jù)代人式（4-8）和式（4-9）中，得
柔輪的安全系數(shù)
（4-10）
將以上具體數(shù)據(jù)代人上式得
此值大于許用安全系數(shù)1.5，故柔輪強(qiáng)度滿足要求。
4.4 行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
4.4.1齒輪嚙合參數(shù)的確定
根據(jù)草圖設(shè)計(jì)和類比，行星齒輪傳動(dòng)的嚙合參數(shù)取定如表1所示。
4.4.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn)
根據(jù)電動(dòng)扳手的工作方式和載荷特點(diǎn)，可以認(rèn)為其齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度和承載能力受齒輪彎曲強(qiáng)度的限制，而齒輪的接觸強(qiáng)度是次要的，因此僅需進(jìn)行輪齒彎曲強(qiáng)度的計(jì)算。
表 1 行星齒輪傳動(dòng)嚙合參數(shù)
參數(shù)名稱
代號 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪
齒數(shù)
模數(shù)
分度圓壓力角
行星輪數(shù)
變位系數(shù)
齒頂高降低系數(shù)
實(shí)際中心距離/mm
分度圓直徑/mm
齒頂圓直徑/mm
全齒高/mm
嚙合角
齒根圓直徑/mm
理論中心距/mm
m 2 2 2
z 11 17 46
1 1
X 0.47 0.434 0.713
0.136 0.011
29.536 29.536
d 22 34 92
27.336 39.192 90.808
h 4.228 4.228 4.522
18.88 30.736 99.85
a 28 19
(1) 齒輪強(qiáng)度計(jì)算的受力分析
電動(dòng)扳手中的這種NGW行星機(jī)構(gòu)，因齒傾斜角為，并且行星齒數(shù)大于2（=3），基本構(gòu)件為三個(gè)，即太陽輪a、轉(zhuǎn)臂H和內(nèi)齒輪b。在輪距作用下，當(dāng)構(gòu)件中各行星齒輪均勻受力時(shí)，各構(gòu)件必然處于平衡狀態(tài)，因此三個(gè)基本構(gòu)件對于軸承作用的點(diǎn)徑向力。電動(dòng)扳手的行星減速機(jī)構(gòu)正是利用這一點(diǎn)，采用了將太陽輪、轉(zhuǎn)臂作為浮動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到在工作狀態(tài)中，各構(gòu)件可以自動(dòng)調(diào)整、載荷均勻，從而提高了使用壽命，并且可以降低制造精度。在本機(jī)構(gòu)中，齒輪加工采用的精度為8級（GB/T 10095—1988）。
(2) 強(qiáng)度驗(yàn)算的兩個(gè)初始條件
1) 當(dāng)系統(tǒng)輸出到最大轉(zhuǎn)矩是，測得轉(zhuǎn)臂H的轉(zhuǎn)速為8r/min，此時(shí)太陽輪的轉(zhuǎn)速
2) 考慮到超載的因素，取驗(yàn)算的最大轉(zhuǎn)矩為（N.m），載荷特點(diǎn)為永久單向，太陽輪a為主動(dòng)輪。
(3) 確定中心齒輪的轉(zhuǎn)矩
基本運(yùn)算公式為：
（4-11）
式中 ——a輪和b輪的轉(zhuǎn)矩；
——行星輪系轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。
由式（4-11）可見，作用在基本構(gòu)件上的力矩的帶有反號的比值，等于這些構(gòu)件相對于第三個(gè)基本構(gòu)件的角速比的倒數(shù)。由式（4-11）可計(jì)算a輪的轉(zhuǎn)矩Ta。
(4) 確定系數(shù)
為載荷在行星輪之間分配不均的系數(shù)。當(dāng)基本構(gòu)件H游動(dòng)，且np=3時(shí)，對于計(jì)算彎曲應(yīng)力，取=1.15。
確定載荷系數(shù)K：
K=KjKd （4-12）
式中 Kj——齒面載荷分布不均勻系數(shù)，
Kj=1+（Q-1）μ
式中Q是齒輪的幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，μ是系數(shù)，一般取μ=0.3,μ值與載荷變化有關(guān)。
——?jiǎng)虞d系數(shù)，=1+2N，N是與結(jié)構(gòu)尺寸及圓周速度有關(guān)的系數(shù)。(5) 確定太陽輪a和行星輪g的齒形系數(shù)
因行星嚙合為角變位，所以齒形系數(shù)為
（4-13）
式中 ——標(biāo)準(zhǔn)齒形系數(shù)，一般選取=0.29，=0.30。
H——全齒高，。
所以分別按下式計(jì)算：
(6) 太陽輪a和行星輪g的輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算式
太陽輪a的輪齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn)
（4-14）
式中 ——齒根彎曲應(yīng)力（MPa）；
——太陽輪a轉(zhuǎn)矩，由式（4-11）計(jì)算而得；
——載荷系數(shù)，由式（4-12）計(jì)算而得；
b——齒寬（mm）；
d——太陽輪a的分度圓直徑（mm）；
m——齒輪模數(shù)（mm）；
——太陽輪a的齒形系數(shù)；
——輪齒許用齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。
行星輪g的輪齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算式為
（4-15）
式中 ——行星輪g的齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。
(7) 確定齒輪的許用彎曲應(yīng)力
取太陽輪a的材料40Cr，整體淬火，硬度49~51HRC；作用在輪齒上的載荷的方向不變，輪齒受單向彎曲應(yīng)力。
取行星輪g的材料為GCr15，高頻表面淬火，齒面硬度為51~54HRC；作用在輪齒上的載荷的方向?yàn)樽兿驅(qū)ΨQ，輪齒雙向彎曲應(yīng)力。
如果齒根圓角出的表面粗糙度時(shí)，則輪齒根部的許用彎曲應(yīng)力可用下式計(jì)算
對太陽輪a （4-16）
對行星輪g （4-17）
式中 ——與齒輪的材料、加工精度及熱處理工藝有關(guān)的基本應(yīng)力值（MPa）；
——鋼質(zhì)齒輪齒根彎曲強(qiáng)度許用安全系數(shù)，可取=1.5~2.0
(8) 行星輪g與內(nèi)齒輪b的齒輪強(qiáng)度
由于內(nèi)齒輪b采用了經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的38CrMnAl材料，又經(jīng)表面滲碳處理，并且g、b齒輪室內(nèi)嚙合，所以齒輪的承載能力要比a、g齒輪大得多，其輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算可以從略。
第5章 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇與校核
5.1 軸承的選擇與校核
5.1.1 軸承的選擇
由于行星輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生軸向載荷，并且極限轉(zhuǎn)速較低，徑向尺寸小，因此行星輪與行星輪軸之間選用不能承受軸向載荷，不能限制軸向位移，極限轉(zhuǎn)速低的滾針軸承。盡管滾針軸承具有較小的截面軸承仍具有較高的負(fù)載承受能力，可以承受較大的徑向力，特別適用于這種徑向空間受限制的場合。
表2 所選用滾針軸承（GB/T5801）的參數(shù)
代號
基本尺寸
（mm）
基本額定載荷（kN）
極限轉(zhuǎn)速
（r/min）
d
D
B
Cr
Cor
脂潤滑
油潤滑
NA6901
12
24
22
16.2
21.5
13000
19000
由于電動(dòng)扳手中定軸輪系均采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，因此對于扳手中的其它軸承選用能承受一定的雙向軸向載荷，軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)，極限轉(zhuǎn)速較高的深溝球軸承。
表3 所選深溝球軸承（GB/T276）的參數(shù)
代號
基本尺寸
（mm）
基本額定載荷
（kN）
極限轉(zhuǎn)速
（r/min）
d
D
B
Cr
Cor
脂潤滑
油潤滑
61903
17
30
7
4.60
2.6
19000
24000
6201
12
32
10
6.82
3.05
19000
24000
6200
10
30
9
5.10
2.38
20000
26000
6004
20
42
12
9.38
5.02
16000
19000
5.1.2 軸承的校核
以代號為6201的深溝球軸承為例，對軸承進(jìn)行校核。由于軸承受載荷非常小，因此對軸承的校核只針對軸承的壽命進(jìn)行校核即可，軸承壽命的校核公式為：
（5-1）
實(shí)際計(jì)算時(shí)，用小時(shí)數(shù)表示壽命比較方便。這時(shí)可將式（5-1）改寫為：
（5-2）
式中 C——軸承的基本額定動(dòng)載荷；
P——軸承所受的載荷；
n——軸承轉(zhuǎn)速，在本設(shè)計(jì)中n=20000r/min；
——指數(shù)，對于球軸承=3；
將數(shù)據(jù)帶入式（5-2）得：
由此數(shù)據(jù)可以看出結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10年，對于其它軸承也是如此，在這里就不一一校核。
5.1.3 軸承的潤滑方式
由于脂潤滑可以起到密封作用，且維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長，設(shè)計(jì)簡單，因此在電動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)中軸承都采用二硫化鉬脂潤滑。
5.2鍵的選擇與校核
5.2.1鍵的選擇
由于直齒輪傳動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生軸向力，因此可以選擇普通平鍵來傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。并且普通平鍵對軸上的零件不會(huì)起到軸向固定作用，因此也可以做導(dǎo)向鍵。普通平鍵的工作面是兩側(cè)面，工作時(shí)，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩，并且平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性好等優(yōu)點(diǎn)。
在電動(dòng)扳手中所選用的平鍵的尺寸如下：
聯(lián)接鍵 軸與小齒輪聯(lián)接處： b×h×L=4×4×8
套筒與大齒輪大齒輪 19 34 92 1