電鎬傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：電鎬是一種較為常見的鑿破用電動(dòng)工具，俗稱破壞之王，被工程建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用于混凝土或磚石墻的鑿破、鏟除、開槽等。電鎬的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其傳動(dòng)系統(tǒng)不僅包含電動(dòng)機(jī)構(gòu)還包含氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，且二者為串聯(lián)組合。本文結(jié)合喜利得電鎬TE500-X（03）的設(shè)計(jì)實(shí)例，簡(jiǎn)要闡明了電鎬傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與方法，對(duì)電鎬設(shè)計(jì)者由一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電鎬傳動(dòng)原理；活塞運(yùn)動(dòng)分析、連桿受力分析、齒輪參數(shù)；傳動(dòng)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電鎬分為重型和輕型兩種，重型主要用于開采及港口、道路等工程建設(shè)，輕型主要用于房屋改造、室內(nèi)裝修、管道敷設(shè)、機(jī)械安裝等。TE500-X（03）為喜利得在2014-2017年間開發(fā)的一款手持式輕型電鎬，市場(chǎng)價(jià)約為5000元/臺(tái)，其體積417x108x140mm3、重量4.8Kg，額定輸入功率為1250W，額定輸入電壓包含110-125V、220-240V，最大錘擊頻率53.4Hz，單次沖擊能量約為7.5J，接觸阻力max.160N，最大鑿破效能1000cm3/min。在歐美、日韓及印度等年銷量約為15000臺(tái)，以其性能優(yōu)越、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、維修率極低著稱。

一、電鎬的傳動(dòng)原理

電鎬的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般包含動(dòng)力單元（馬達(dá)）、傳動(dòng)單元（齒輪箱、偏心軸和連桿）、能量轉(zhuǎn)換單元（氣缸）和執(zhí)行單元（撞錘和鑿子）幾部分。以TE500-X（03）為例，電鎬的典型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如下圖，其工作原理為：馬達(dá)通過主動(dòng)齒輪（小齒輪）驅(qū)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，偏心軸驅(qū)動(dòng)連桿擺動(dòng)，連桿帶動(dòng)動(dòng)力活塞在導(dǎo)管/氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)使導(dǎo)管內(nèi)氣體被頻繁壓縮和擴(kuò)張，錘擊活塞在導(dǎo)管內(nèi)壓縮（擴(kuò)張）氣體和空氣壓力的雙重作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊撞錘，撞錘推動(dòng)鑿子實(shí)現(xiàn)錘擊和鑿破作業(yè)。

二、 電鎬傳動(dòng)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵點(diǎn)

1. 導(dǎo)管內(nèi)徑/活塞外徑 由于鑿子的尺寸規(guī)格有對(duì)應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌的鑿子之間具有很強(qiáng)的互換性，導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)徑也無形中被系列化。常見的輕型電鎬導(dǎo)管內(nèi)徑有φ20、φ22、φ24、φ25、φ27、φ28、φ30、φ32、φ35、φ40mm等。導(dǎo)管內(nèi)徑大小直接影響電鎬外形尺寸和活塞沖擊力，以及導(dǎo)管內(nèi)各密封活塞的價(jià)格。一般先結(jié)合設(shè)計(jì)電鎬的輸出參數(shù)要求根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手機(jī)器的拆機(jī)分析結(jié)果先選用一個(gè)恰當(dāng)?shù)某Ｒ娭?，然后待活塞行程及馬達(dá)參數(shù)等確定后再進(jìn)一步優(yōu)化。不建議選用非常見值，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致密封元件無對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，定制密封件必然導(dǎo)致整機(jī)成本上升。本例中TE500-X（03）的要求的單次沖擊能量為7.5J（與上一代相同），重量和體積均要求比上一代小，由于其上一代電鎬的導(dǎo)管內(nèi)徑為φ32mm，故而傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中可初步選定導(dǎo)管內(nèi)徑D=φ27mm。

2. 活塞的運(yùn)動(dòng)分析 如上圖，偏心軸旋轉(zhuǎn)一周活塞完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)力活塞與錘擊活塞的間距L為變值。當(dāng)偏心軸位于位置1錘擊活塞位于錘擊位置時(shí)兩活塞間距L為設(shè)計(jì)值L0。 L0為氣缸設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證中一個(gè)重要可調(diào)參數(shù)，TE500-X（03）取L0=23mm。在偏心軸沿順時(shí)針方向由位置1經(jīng)位置2旋轉(zhuǎn)到位置3的過程中，動(dòng)力活塞和錘擊活塞均由左向右運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力活塞速度大于錘擊活塞速度，導(dǎo)管內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)。在偏心軸沿順時(shí)針方向由位置3經(jīng)位置4旋轉(zhuǎn)到1的過程中，動(dòng)力活塞由右向左運(yùn)動(dòng)，錘擊活塞則繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)一段距離后返程，在錘擊活塞運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換前的瞬間（動(dòng)力活塞約在位置4）兩活塞間距L達(dá)到最小值Lmin（2-6mm），此時(shí)導(dǎo)管內(nèi)壓強(qiáng)Pmax達(dá)到最大值（>15bar），導(dǎo)管內(nèi)高壓氣體爆破式為錘擊活塞加速，錘擊活塞在動(dòng)力活塞即將回到位置1時(shí)高速?zèng)_擊撞錘。之后重復(fù)下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。在上述運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，動(dòng)力活塞行程完全由偏心軸偏心距r確定，錘擊活塞行程約為L(zhǎng)0+r-Lmin。取Lmin=4mm，由[P0*π*（D/2）2+160]*（L0+r-Lmin）>7.5x1000、P0=1bar=0.1N/mm2得r>15.5mm，考慮空間結(jié)構(gòu)的緊湊性，取r=16mm。

3. 活塞、連桿及偏心軸受力 由活塞運(yùn)動(dòng)分析知?jiǎng)恿钊畲笞枇長(zhǎng)=L0時(shí)壓縮空氣產(chǎn)生的壓力，按極限情況（動(dòng)力活塞以位置3為起始位置、導(dǎo)管內(nèi)溫度直接為最高工作溫度）計(jì)算，此時(shí)壓強(qiáng)Pmax=P0*（L0+2r）*T2/Lmin/T0，其中T2max.=110+273.2=383.2K、T0min.=-20+273.2=253.2K，計(jì)算得Pmax=2.1N/mm2。對(duì)應(yīng)的動(dòng)力活塞阻力FN=（Pmax-P0）*π*（D/2）2=1145N，連桿拉力FS=FN/sin[atan（s/r）*（180°/π）]=1205N。偏心軸輸出扭矩TS=FS*r/1000=19.3N？m。

4. 傳動(dòng)齒參數(shù) 由偏心軸受力分析知傳動(dòng)齒輪傳遞的扭矩約為19.3N？m，結(jié)合機(jī)器空間結(jié)構(gòu)尺寸及同等規(guī)格電鎬的齒輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，齒輪模數(shù)選用1.125。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求TE500-X（03）錘擊頻率不低于50Hz的，即輸出齒輪（從動(dòng)輪）的轉(zhuǎn)速（偏心軸轉(zhuǎn)速）N2>50*60=3000min-1。根據(jù)馬達(dá)的特性曲線，輸入電壓為50-60Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速N0=20000-25000min-1。故而齒輪傳動(dòng)比Z1/Z2=N2/N0=3/25，受空間結(jié)構(gòu)限制，取Z1=6，Z2=40。

三、 電鎬傳動(dòng)零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電鎬傳動(dòng)零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包含齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電機(jī)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化和連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化三部分。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化屬于比較細(xì)節(jié)性的工作，需結(jié)合傳動(dòng)零件的實(shí)際設(shè)計(jì)過程分別介紹。

1. 齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化 TE500-X（03）的第一版齒輪為壓力角α=20°、螺旋角β=25°的斜齒圓柱齒輪，模數(shù)mn=1.125、主動(dòng)輪齒數(shù)z1=6、從動(dòng)輪齒數(shù)z2=40、從動(dòng)輪變位系數(shù)X2=-0.044、兩齒輪中心距o1o2=28.5。兩齒輪材質(zhì)均為16MnCr5，精度等級(jí)10級(jí)，表明滲碳處理，表面硬度HRC56～62、滲碳層厚度0.3+0.2mm范圍內(nèi)HRC52。在G2的PT樣機(jī)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，電鎬工作時(shí)間到達(dá)其額定壽命的95%～125%時(shí)，從動(dòng)輪幾乎無損耗、而主動(dòng)輪出現(xiàn)少量磨損、甚至個(gè)別蹦齒現(xiàn)象。利用金相分析儀對(duì)齒輪斷裂處微觀分析后發(fā)現(xiàn)，斷裂處存在齒根圓角過小、少量根切、刀痕等加工缺陷。為避免小齒輪根切、協(xié)調(diào)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的嚙合強(qiáng)度，在第一版的基礎(chǔ)上作如下改進(jìn)：增大齒根圓角；對(duì)兩齒輪作變位處理（中心距29.1），主動(dòng)輪正變位x1=0.6、從動(dòng)輪負(fù)變位x2=-0.083；主動(dòng)輪硬度由HRC56～62提高為HRC58～64。果然，在G3的QE小批量測(cè)試中，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪均在電鎬工作時(shí)間超過其額定壽命150%前無磨損。但是，在G4 的QN批量測(cè)試中，出現(xiàn)齒輪的軸向分力導(dǎo)致偏心軸摩擦齒輪箱蓋板的情況。拆機(jī)分析后發(fā)現(xiàn)，是由于軸承蓋板（兼具分擔(dān)齒輪軸向力分的作用）在批量制作時(shí)尺寸誤差增大，供應(yīng)商自作主張按上限作極大值控制，致使部分蓋板提供的反向預(yù)壓力變小，當(dāng)該預(yù)緊力和軸承軸向力不足以抵消齒輪軸向力時(shí)，偏心軸即在旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)軸向波動(dòng)。為解決這一問題，再次進(jìn)行如下優(yōu)化：將齒輪螺旋角β由25°變更為20°；變更軸承蓋板之控制方式，加工時(shí)控制尺寸最小值、驗(yàn)收時(shí)檢測(cè)彈力最小值。經(jīng)過上述優(yōu)化，最終批量生產(chǎn)的主動(dòng)輪參數(shù)為mn=1.125、z1=6、α=20°、β=20°、x1=0.6，從動(dòng)齒輪參數(shù)為mn=1.125、z2=40、α=20°、β=20°、x2=0.348，中心距o1o2=28.5mm。

2. 電機(jī)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化 在TE500-X（03）的傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)軸也就是馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸，也可稱為小齒輪軸或主動(dòng)齒輪軸。其結(jié)構(gòu)上分為主動(dòng)齒輪段、軸承固定段和BMC注塑段（用于風(fēng)扇、鐵芯與繞組、換向器的固定）三部分。由上文齒輪參數(shù)可知小齒輪齒頂圓直徑da1=φ10.58，為提高齒輪強(qiáng)度和方便其軸承（內(nèi)孔φ10）安裝，采用短齒制齒頂高系數(shù)，齒頂圓直徑優(yōu)化后為φ9.9+0-0.1mm。齒輪軸采用雙軸承支承。近齒端為一側(cè)骨架油封（齒輪側(cè)）另一側(cè)橡膠密封圈的深溝球SKF10x26x12.4。 采用一側(cè)帶骨架油封的軸承而不是常規(guī)的帶密封圈的軸承的原因是齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑和其它部位不同，其它部位為脂潤(rùn)滑而齒輪箱內(nèi)為油潤(rùn)滑。近齒端軸承外圈壓配于齒輪箱（鋁合金壓鑄件），內(nèi)孔與齒輪軸間采用過盈配合。遠(yuǎn)齒端采用兩側(cè)帶密封圈的深溝球軸承SKF 8x22x7-2RS，遠(yuǎn)齒端軸承固定于馬達(dá)外殼，內(nèi)孔與齒輪軸間亦采用過盈配合。綜合齒輪箱、軸承、齒輪軸（馬達(dá)轉(zhuǎn)子）、馬達(dá)定子、電機(jī)外殼、裝配夾具等尺寸公差計(jì)算后可知，電機(jī)裝配后不僅齒輪軸軸向定位公差較大，而且定子和轉(zhuǎn)子的同心度公差也偏大。但受供應(yīng)商加工水平、工廠裝配能力、零件成本等諸多因素的限制，這些公差很難進(jìn)一步減小，甚至在某些極限環(huán)境中有增大的可能。為補(bǔ)償齒輪軸安裝的軸向和徑向偏差，遠(yuǎn)齒端軸承座采用H-NBR材質(zhì)，不僅可補(bǔ)償軸向和徑向偏差，還可以提供一定的預(yù)緊力給齒輪軸，緩沖齒輪軸軸向分力對(duì)電機(jī)外殼的影響。電機(jī)軸的BMC注塑段需設(shè)計(jì)兩條槽底半徑0.9mm、槽深0.2mm、螺距15mm的螺旋槽，一條左旋一條右旋完全對(duì)稱，以增加BMC與電機(jī)軸間的附著力。此外，注塑時(shí)直接在近齒端軸承固定段和繞組段之間成型出花鍵軸，用于風(fēng)扇的固定，以免除加工風(fēng)扇固定用鍵齒，節(jié)約成本。

3. 連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化 連桿為塑料件，其一端通過柱銷與動(dòng)力活塞連接，最初柱銷的軸向定位通過卡簧實(shí)現(xiàn)。但卡簧本身和其安裝夾具及安裝均存在成本，優(yōu)化后取消卡簧，改為在柱銷中部外圓面車削半徑0.8mm深0.2mm的溝槽，對(duì)應(yīng)的連桿孔內(nèi)部設(shè)計(jì)半徑0.5mm高0.1mm的凸起，利用塑膠件的彈性將兩者壓配安裝。連桿另一端連接偏心軸，最初連接孔內(nèi)設(shè)計(jì)有帶PTFE圖層的卷制銅套，襯套不僅產(chǎn)生額外成本也增加安裝難度和工時(shí)。后來在巴斯夫工程師的建議下，取消襯套，連桿材料直接采用耐高溫自潤(rùn)滑的Ultramid A3WC4。

四、總結(jié)

電鎬傳動(dòng)設(shè)計(jì)涉及復(fù)雜的氣動(dòng)原理、曲柄滑塊動(dòng)力學(xué)和電機(jī)齒輪箱傳動(dòng)等。設(shè)計(jì)運(yùn)算中很難單線進(jìn)行，各數(shù)據(jù)間存在交叉調(diào)用反復(fù)調(diào)整的情況，如氣缸的相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)影響齒輪馬達(dá)的選擇，馬達(dá)齒輪的參數(shù)變化也會(huì)反過來影響氣缸相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。本文介紹的電鎬設(shè)計(jì)知識(shí)比價(jià)適用于工程師前期方案設(shè)計(jì)，為后期詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)仿真提供技術(shù)參考，減少設(shè)計(jì)仿真中盲目嘗試成本，提高整體設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成大先， 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第六版） 化學(xué)工業(yè)出版社， 2016.

[2] 杜巧連，韓屋谷， 《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》 科學(xué)出版社， 2009-09-01.

[3] 鄒慧君，張春林，李枸儀， 《機(jī)械原理》 高等教育出版社， 2006-5.

[4] 電錘（GB/T 7443-2007）， 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[5] 趙振杰， 《漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》 水利水電出版社， 2018-01.

作者簡(jiǎn)介：

張艷林，出生年月：1980.07.23，性別：女，民族：漢，籍貫：河南省 沈丘縣，當(dāng)前職務(wù)：機(jī)械工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：電動(dòng)工具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).