電動沖擊扳手扭矩仿真分析研究

楊 闖，王 典，沈治國，奚文超

（上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上海 200031）

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電動沖擊扳手扭矩仿真分析研究

楊 闖，王 典，沈治國，奚文超

（上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上海 200031）

摘要：簡要介紹電動沖擊扳手的工作原理及研究意義，以實際項目DC24 V電動沖擊扳手為例，通過3D模型軟件UG建立所需模型，導(dǎo)入虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS，通過反推法獲得此款電動沖擊扳手的最大扭矩，用扭矩測試設(shè)備對功能樣機(jī)進(jìn)行扭矩測試，測出的讀數(shù)與仿真分析的結(jié)果一致，證明仿真研究的正確性。

關(guān)鍵詞：電動工具；沖擊扳手；扭矩；ADAMS

0 引言

電動沖擊扳手屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于扭力鎖固或拆卸螺栓的作業(yè)場所。扳手工作時，電機(jī)經(jīng)行星減速器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)滾珠靠主壓力彈簧作用帶動沖擊塊旋轉(zhuǎn)，沖擊塊靠其兩個凸起撥動扳軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鎖固或拆卸螺栓。

虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS對由多個物體通過運(yùn)動副連接復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真較為成熟，其在高速車輛、機(jī)器人、航天器、高速機(jī)構(gòu)、精密機(jī)械等系統(tǒng)動力學(xué)方面都有廣泛的應(yīng)用。將電動沖擊扳手應(yīng)用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS進(jìn)行仿真，研發(fā)人員在設(shè)計階段即可提前獲知所設(shè)計扳手的性能，不僅節(jié)省時間、減少試制費(fèi)用，對產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計也提供了明確方向。

1 概述

電動沖擊板手主要由電機(jī)、行星齒輪系、主壓力彈簧系統(tǒng)、沖擊塊以及輸出軸等組成。圖1所示為DC24 V沖擊扳手總裝圖，本文以此進(jìn)行仿真研究。

圖1　DC24V電動沖擊扳手

2 虛擬樣機(jī)分析

2.1 建立3D模型

根據(jù)需要，建立DC24 V電動沖擊扳手3D模型，提取出分析所需的沖擊系統(tǒng)部分，利用UG與ADAMS接口類型.X_t對模型進(jìn)行導(dǎo)入。圖2所示為UG真實建立的3D模型以及模型導(dǎo)入ADAMS。根據(jù)電動沖擊扳手的實際3D模型以及選型的材料，編輯沖擊系統(tǒng)部分各零件屬性（顏色、位置、名稱和材料等）和定義模型的質(zhì)量信息。

圖2　模型

2.2 添加約束和施加載荷

對電動沖擊扳手扭矩進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確模擬出電動沖擊扳手真實的工作條件及工作狀態(tài)。首先設(shè)置沖擊扳手的連接關(guān)系，相關(guān)接觸物體之間均為接觸副。完整的接觸關(guān)系見表1。

表1　接觸關(guān)系

由于在電動沖擊扳手減速機(jī)構(gòu)中有潤滑油的作用，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.08。通過反復(fù)實驗，設(shè)置出合適的求解器及求解精度，進(jìn)行仿真試驗。最終沖擊機(jī)構(gòu)的完整約束和載荷的設(shè)定如圖3所示。

圖3　沖擊機(jī)構(gòu)的約束和載荷設(shè)定

3 仿真結(jié)果

3.1 整機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速分析

在此款DC24 V沖擊扳手中，通過行星齒輪機(jī)構(gòu)使電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動減速。行星齒輪機(jī)構(gòu)位于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸與輸出軸之間，且該行星齒輪機(jī)構(gòu)具有一個內(nèi)齒圈和三個行星齒輪。三個行星齒輪分別與轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸及內(nèi)齒圈相配合，貫穿各行星齒輪中心部的銷釘插入到與輸出軸相連接的主軸基部。三個行星齒輪位于相同的鉛直面內(nèi)，采用單級行星齒輪的結(jié)構(gòu)。行星齒輪的機(jī)構(gòu)簡化如圖4所示，齒輪的參數(shù)如表2所示。

表2　行星齒輪機(jī)構(gòu)

圖4　行星齒輪機(jī)構(gòu)簡化

當(dāng)電動沖擊扳手空轉(zhuǎn)時，此時的電動扳手相當(dāng)于電動螺絲刀，假設(shè)電機(jī)最大扭矩工作的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為15 516 r/min，電機(jī)的特性曲線如圖5所示。

理想狀態(tài)下，輸出軸的轉(zhuǎn)速為電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)速與行星齒輪的傳動比的比值，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)速為15 516 r/min，行星齒輪的傳動比為8.143，可知輸出軸的轉(zhuǎn)速為1 905 r/min。實際情況下應(yīng)考慮齒輪的摩擦系數(shù)以及諸多不易計算的因素，這里暫且估算行星齒輪的傳動效率η為95%，故理論計算中輸出軸的轉(zhuǎn)速為1 810 r/min。

圖5　電機(jī)特性曲線

當(dāng)電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩工作時，由圖5電機(jī)特性曲線可知，此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速為15 516 r/min，換算為93 096 d/s。在ADAMS中，對驅(qū)動進(jìn)行設(shè)置。仿真后，可以分析出輸出軸的運(yùn)動速度如圖6所示，輸出軸的運(yùn)動加速度如圖7所示。

圖6　輸出軸的運(yùn)動速度時域

圖7　輸出軸的運(yùn)動加速度時域

根據(jù)仿真得出的輸出軸運(yùn)動速度時域圖，可知輸出軸的運(yùn)動速度為10 700 d/s，換算為1 783 r/min，與理論計算值1 850 r/min誤差在5%以內(nèi)。證明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過設(shè)置電機(jī)最大效率點(diǎn)、空載點(diǎn)等電機(jī)轉(zhuǎn)速，也可以得出對應(yīng)狀態(tài)下輸出軸的轉(zhuǎn)速。

3.2 齒輪受力分析

行星齒輪傳動受力構(gòu)件主要有太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、軸和軸承等，在進(jìn)行齒輪以及軸的設(shè)計，軸承的選擇，都需要分析行星齒輪傳動中各構(gòu)件的載荷情況。如圖8、圖9分別是太陽輪與行星齒輪的受力時域圖和行星齒輪與內(nèi)齒圈的受力時域圖。

圖8　太陽輪與行星齒輪受力時域圖

圖9　行星齒輪與內(nèi)齒圈受力時域圖

3.3 整機(jī)的最大輸出扭矩

電機(jī)以最大輸出扭矩工作時，電動沖擊扳手的輸出扭矩最大。由電機(jī)的特性曲線可以得知，電機(jī)的最大扭矩M電機(jī)為0.2 974 N·m。在做ADAMS仿真分析時，用逆向思維去思考，即在輸出軸上剛開始施加250 N·m的力矩，然后通過每次多施加10 N·m進(jìn)行仿真分析，使得電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)的最小力矩，這個力矩就是電動沖擊扳手最大的輸出力矩。當(dāng)施加320 N·m的力矩時如圖10所示，沖擊塊脫扣，不實現(xiàn)扳手的功能。圖11是電機(jī)扳手工作時，輸出軸端扭矩的時域圖，圖12、圖13是電動沖擊扳手在施加320 N·m力矩時的起始工作狀態(tài)和電動沖擊扳手沖擊塊脫扣狀態(tài)。

圖10　輸出軸端的扭矩施加

圖11　輸出軸端扭矩的時域

圖12　電動沖擊扳手起始工作狀態(tài)

圖13　電動沖擊扳手沖擊塊脫扣狀態(tài)

4 扭矩測試

根據(jù)圖紙制作好樣機(jī)，然后將制作好的樣機(jī)充滿電，用扭力測試儀器多次進(jìn)行扭矩測試，見圖14。測試結(jié)果為311.93 N·m，仿真結(jié)果為320 N·m，試驗結(jié)果與仿真值誤差在5%以內(nèi)一致，證明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖14　扭矩測試儀測得值

5 結(jié)語

文中以DC24 V沖擊扳手為例，進(jìn)行ADAMS虛擬樣機(jī)的仿真模型，通過模擬真實樣機(jī)的工作狀態(tài)，提前獲知沖擊扳手的運(yùn)動狀態(tài)，最大扭矩等。采用實際功能樣機(jī)在扭矩測試設(shè)備上進(jìn)行測試，測試結(jié)果與仿真輸出數(shù)值一致，證明仿真的準(zhǔn)確性。設(shè)計工程師在實際設(shè)計過程中，通過不斷調(diào)整如電機(jī)的規(guī)格、行星齒輪的速比、沖擊塊大小等可獲得所需參數(shù)，節(jié)省了整個產(chǎn)品的設(shè)計周期。

參考文獻(xiàn)：

［1］李軍，邢俊文，覃文浩.ADAMS實例教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］楊闖.基于ADAMS的修枝機(jī)變速箱機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)仿真分析研究［J］.電動工具，2015（2）：1-5.

［3］陳峰華.Adams2012虛擬樣機(jī)技術(shù)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

Analysis and Research on Torgue Simulation of Electric Impact Wrench

Yang Chuang， Wang Dian， Shen Zhiguo， Xi Wenchao
SETRI （Group） Co.，Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200031， China

Abstract:This article briefly describes the working principle of electric impact wrench and significance in the actual project DC24 V electric impact wrench， for example， first through 3D modeling software UG establishes the desired model， and then the established 3D CAD model into virtual prototyping software Adams， access to this section by reverse extrapolation to the maximum torque of the electric impact wrench. The results of measured readings are consistent with the simulation analysis， which proves the correctness of the simulation study.

Keywords:Electric tools； Impact Wrenches； Torque； ADAMS

中圖分類號：TM02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2796（2016）02-0001-05

［收稿日期］2016-01-20

［作者簡介］楊闖（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要從事充電式園林工具及電動工具整機(jī)產(chǎn)品研發(fā)工作。