活動棘輪扳手設計

【摘要】隨著社會生產(chǎn)和科學技術的高速發(fā)展，機械的運用為人來帶來了前所有未的方便，但機械的維修依舊是生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可忽視的一部分，為了維修的方便快捷，人們對機械維修工具的功能要求也就提出了越來越高的要求。活動棘輪扳手是一種簡單集合了活動扳手和棘輪扳手優(yōu)點于一體的維修工具，可以幫助人類提供更多的方便，本論文在機械設計的基礎上，通過市場調查和研究，完成了這種活動棘輪扳手的設計方案。本設計方案通過結合棘輪機構，主要利用了棘輪旋轉時無法逆轉的特性，實現(xiàn)對扳手開口大小的改變以及扳手的單向旋轉，最后實現(xiàn)了一把扳手同時集合了棘輪扳手的單向旋轉和活動扳手的可調整，完成了扳手如何在狹小空間的快速工作和廣泛的工作對象，對工作對象不產(chǎn)生不必要的損害，同時扳手不會對人體造成傷害。此設計方案本著操作簡單方便，節(jié)能環(huán)保，對人體及工作對象無損害等目的進行。適用于普通大眾，不需要專業(yè)技能和技術培養(yǎng)便可輕松簡便的使用本工具。

【關鍵詞】棘輪扳手；活動扳手；無害；方便快捷

本課題是自己所選擇，來自日常及生產(chǎn)現(xiàn)場常用工具扳手，扳手是維修及生產(chǎn)的重要工具的一種，同時扳手也帶來了很大的煩惱：在維修中選擇活扳手？呆扳手還是棘輪扳手？無論哪種扳手都會被限制于特定場合。鑒于螺母已成為機械設備中最重要的緊固件，扳手的作用日顯重要，扳手的種類也是日漸增加，如扭矩扳手、棘輪扳手、活動扳手等。扳手具有高強度、壽命長、機械性能穩(wěn)定，同時其受力部位不會產(chǎn)生彎曲、變形、裂口等優(yōu)點。

棘輪機構屬于間歇運動機構，大部分用于傳遞平行軸運動。在機械結構中，棘輪機構一般應用在轉速不高并且要求間歇轉動的裝置中，如牛頭刨床工具機臺橫向進給機構、自行車后軸齒式棘輪超越機構、手動絞車中防逆轉機構、超越離合器以及剎車器等機構。棘輪機構工作時一般會伴隨著噪聲和振動，因此不會長時間使用，并且磨損較大易損，對于扳手的間歇性使用且工作時間不長的特點完全能夠滿足。但是市面上所提供的棘輪扳手在應對不同型號的螺母時，需要進行開口的換裝，在不同型號的螺母維修上沒有活動扳手方便。

活動扳手利用螺桿傳動原理，可以在一定尺寸范圍內(nèi)調節(jié)自身開口大小，可以將不同規(guī)格型號的螺栓或螺母擰轉，范圍內(nèi)的螺母都可以用一個活動扳手搞定，無疑為生產(chǎn)維修降低了成本。但因活動扳手無法滿足扳手的單向旋轉，不具備工作的連續(xù)性，無法實現(xiàn)原位置持續(xù)操作，在狹窄的工作空間內(nèi)無法滿足螺母的快速安裝。

同時設計中不可忽視的因素是人體工程學。人體工程學起源于歐美，強調“以人為本”的概念，強調了人的衣食住行從人的自身出發(fā)，在以人為主體的前提下再考慮其他因素。因此，符合人體工程學的良好設計可以減輕人的勞動，節(jié)約時間，同時不危害人體健康，心情愉悅的進行工作，提高工作效率，而良好的設計得益于正確的使用人體工程學原理。

本人設計的活動棘輪扳手集活動扳手和棘輪扳手的優(yōu)點于一體，同時實現(xiàn)扳手的單向旋轉和同一扳手應對多種型號的螺母，且不用換裝扳手套口。如何實現(xiàn)扳手的單向旋轉且不用離開工作元件，完成對M8-M12螺母的松緊，為解決這一系列的問題，通過查閱棘輪扳手和活動扳手的專利以及文獻，分析其工作時優(yōu)缺點。包括活動棘輪扳手的內(nèi)部結構；同時對于開口扳手因為只有兩個受力面，經(jīng)常對螺母造成磨損，故此本設計中采用的三爪開口即三個板唇都是活板唇，可有效降低扳手對螺母的損害。工具是為了方便生產(chǎn)和維修，因此在設計中力求結構簡單，方案可行，節(jié)約成本，精度保證要求即可。

機械結構中，采用兩個棘輪相扣的盒式結構，在保證扳手實現(xiàn)單向擰緊螺母的同時，也實現(xiàn)了開口大小的可調整，并繪制出扳手所需要主要零件圖以及繪制出完整立體組裝圖。

首先，采用棘輪結構，利用棘輪的運動的不可逆性，做到扳手的單向旋轉。棘輪，英文名稱：ratchet，定義是具有齒形表面或者摩擦表面的輪子，由棘爪推動作步進運動或者利用棘爪進行間歇運動，類似齒輪的形狀，一般與號盤配合、控制號盤變換的零件。棘輪機構的優(yōu)點是：結構簡單、運動可靠、制造方便。缺點是：工作時有較大的沖擊和噪音，同時運動精度較差。比較適用于速度較低和載荷不大的場合。

其次，扳手開口大小的改變，同樣利用棘輪裝置的不可逆性，通過旋轉棘輪，利用棘輪內(nèi)部所帶有的斜面擠壓連桿，帶動板唇內(nèi)外運動，做到開口大小的改變。

最后，在整個扳手設計中，只在關鍵部分和必要部分進行創(chuàng)新或特殊設計，在結構和零件構成方面，能采用市面所有的零件時，一般不進行特殊設計說明。

參考市面所流通的棘輪扳手單向旋轉的結構，采用棘輪實現(xiàn)扳手的單向旋轉，模仿車床卡盤機構實現(xiàn)三爪開口的活動。連接和緊固構件依靠螺釘和擋板墊圈。

根據(jù)設計意圖和機械設計標準，扳手在工作時至少要保證板唇的長度大于等于螺母的邊，所以板唇長度保證至少大于等于M12螺母的邊長，且不用造成過大導致比不必要的材料浪費，所以螺母為M8時，即在扳手最小適用范圍下，板唇應該正好形成正三角形，所以扳手的板唇長度應為14.38/2×3=21.57mm。

當螺母為M12時，板唇長度只要滿足大于等于螺母邊長即可，即20.03/2≈10mm。21.57mm遠大于10mm，所以長度取10～21.57之間，為了滿足設計要求和不必要的材料和空間浪費，設計為13mm。又根據(jù)國標尺寸表格查出，螺母厚度為6.8～10.8mm，所以板唇高度設計為12mm。

所以板唇長度13mm，高度12mm，左右兩邊進行30°倒角。同時為了避免扳手在工作時因為受力影響導致與螺母接觸不良，所以板唇采用斜面，角度約為174°；板唇厚度為2mm。板唇的運動來源于連桿，需要與連桿進行連接，中間安裝直徑3mm，長度7mm，螺帽直徑5mm的螺釘固定在連桿上，最終數(shù)據(jù)可根據(jù)后面結構進行調整，在本設計中，共需要相同的板唇3個。在工作中，板唇是與螺母直接接觸的構件，故此磨損較大，材料可采用高強度耐腐蝕耐磨損的鉻釩鋼。

在本次設計中，關鍵機構采用機械中最常用的外嚙合式的棘輪機構，它一般由棘輪、止動棘爪、和機架組成。主動件套在與棘輪連接的從動軸上，在本次設計上，沒有主動軸以及與棘輪固連的從動軸，驅動棘輪轉動的只是人手的力量，故此，在設計中不考慮主動軸和從動軸。

內(nèi)部棘輪是控制扳手開口大小的部件。當板唇開到最大，即裝卸M12螺母時，內(nèi)部棘輪內(nèi)環(huán)直徑最小為20.03mm，而板唇長度為13mm，假設螺母邊長為13mm，則螺母對角長為26mm，即螺母外接圓直徑為26mm，實際上扳手的適應范圍在M8到M12，所以內(nèi)棘輪直徑在20~26mm之間便可，再考慮誤差和外環(huán)棘輪對內(nèi)棘輪的固定，所以內(nèi)環(huán)直徑定為26mm。

根據(jù)M8~M12螺母尺寸，可以得出板唇工作時內(nèi)外所移動所需距離最小約為：2.5+2.5=5mm。再考慮外環(huán)壁厚度3mm，棘輪外環(huán)直徑?。?6+5×2+3×2=42mm。

考慮到外棘輪，高取10mm。殼厚度為2mm，外側有高5mm直徑4mm的圓柱形手柄，用來旋轉棘輪，利用棘輪環(huán)內(nèi)部帶有半徑為18mm的弧，對連桿進行擠壓以控制開口的縮小。

在機構設計中需要注意到機械運動過程中不能產(chǎn)生撞擊，導致構件壽命縮減，所以在弧的另一端有半徑為20mm的弧，防止連桿復位時產(chǎn)生撞擊，在兩段弧之間帶有半徑為3mm的圓角，使連桿運動圓滑不會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。棘輪外環(huán)帶有棘輪齒，用來防止扳手在裝卸螺栓時板唇因受力帶動連桿導致棘輪反向旋轉，使得扳手不能鎖死。棘輪圍繞中心軸陣列共24齒，最終尺寸可進行小幅度調整。

連桿連接著內(nèi)部棘輪和板唇，所需要承受高強度的載荷，并且與外殼有著高強度的摩擦，同時要保證對板唇所帶來的扭力有一定的承擔，故此材料應采用高強度的優(yōu)質碳素結構鋼。尺寸方面選擇底面為正方形的長方體，底面邊長6mm，長度要計算到板唇所需移動最小距離和板唇與內(nèi)棘輪內(nèi)環(huán)距離：5+4=9mm。一面帶有深7mm，直徑3mm的螺紋孔，用來安裝與板唇相連接的螺栓；配合內(nèi)棘輪設計方案一中與連桿相接觸的弧，所以底部應作為圓面，半徑為18mm，底部上下兩面有突起擋板，防止連桿在矩形彈簧的作用下從內(nèi)部滑出，在連桿與外殼之間安有矩形彈簧，對連桿進行復位，從而達到內(nèi)部棘輪對開口大小的控制。在本設計方案中，需要相同的連桿共計3個。

棘輪模數(shù)、齒數(shù)的確定。與一般齒輪相同，棘輪的相關尺寸也是用m作為計算的基本參數(shù)，但是棘輪的標準模數(shù)是按照棘輪的齒頂圓直徑da來計算的：m=da/z，棘輪齒數(shù)z一般是由棘輪機構的使用條件以及運動要求選定，棘輪齒數(shù)z越大，扳手能夠實現(xiàn)的最小擺角就越小。為便于加工時拉刀的分度，提高棘輪的分度精度，一般常選擇能盡除360°的整數(shù)，如20、24、30、36等，在設計方案中考慮扳手使用螺母尺寸較小，選用適中的24個齒。在內(nèi)環(huán)棘輪中da=42mm，Z=24 所以 m=1.75，因為本設計中扳手屬于概念產(chǎn)品，故此模數(shù)選用了模數(shù)系列表中的第二系列。

外環(huán)棘輪：在本扳手設計方案中，外環(huán)棘輪是扳手進行單向旋轉的關鍵，同時外環(huán)棘輪對內(nèi)部棘輪進行固定以及內(nèi)部棘輪的制動齒安裝于外環(huán)棘輪內(nèi)，齒部也是磨損較高的結構，對加工精度要求不是很高，材質上選擇不銹鋼3Cr17。內(nèi)棘輪內(nèi)環(huán)直徑為26mm，外棘輪內(nèi)環(huán)是對內(nèi)部棘輪固定的部位，厚度為2mm，所以棘輪環(huán)小徑設為22mm，成正三角形分布三個邊長為6mm的正方形孔，用來安裝連桿，安裝彈簧后可進行局部結構調整。外環(huán)帶有齒，高為0.5mm，圍繞中心軸陣列為24個齒，外環(huán)棘輪模數(shù)取 m=2.25mm，所以外環(huán)棘輪大徑取值為2.25×24=54mm高度為10+3=13mm。同時，在內(nèi)環(huán)外側可做出相應的槽，用來安裝防止內(nèi)環(huán)棘輪脫落的擋板墊圈。

外環(huán)棘輪外套：在本設計中，外套是整個扳手最基本框架，內(nèi)部安裝有內(nèi)外兩個不同功能的棘輪，實現(xiàn)了扳手的單向旋轉和開口大小的改變，同時也是扳手的手柄所在，人對外套進行施力達到裝卸螺母的目的，外套加工精度要求低，手感舒適外形優(yōu)美，同時重量適中，強度較高，內(nèi)部安裝有外環(huán)棘輪的制動齒，控制外環(huán)棘輪的單向旋轉。尺寸方面，厚為15mm，因為外環(huán)棘輪大徑為54mm，所以外套小徑可以取54mm，安裝有3~6個止動齒，大徑可取64mm，保證了一定的承壓作用，手柄長度根據(jù)一般扳手尺寸由棘輪圓心處起，取200mmX40mm，外套尺寸可根據(jù)個人意愿可以進行一定范圍的調整。

扳手手柄部分邊緣進行倒圓角設計，防止在使用扳手時邊角棱角對手造成劃傷，也會使手感更舒適，同時為了扳手外形美觀大方，在各個連接點做出相應的圓角，在尾端做出圓孔，方便扳手放置，同時需要注意的是手柄不宜過長，扳手手柄過長會造成比例失調，用力不當會造成螺母的損壞。

在扳手設計中，還需要一些其他的零部件，其中包括彈簧、螺栓、擋板和棘輪止動齒，這些零部件不需要進行特殊說明，都可以自行選用市面上現(xiàn)有的即可。

結論：

最后，我此次設計的活動棘輪扳手是一種理論上實用的概念產(chǎn)品。其使用方便、安全，簡潔易懂，不存在安全隱患，同時扳手結構簡單，不宜損壞，有一定的市場潛力。當然其中也有很多不盡如人意的地方，比如扳手適應范圍僅為M8~M12，等不足之處，希望大家多多批評指正，提出寶貴的意見，讓我可以有所改進。

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