UG軟件對電動沖擊扳手沖擊機(jī)構(gòu)輸出扭矩的仿真試驗探索

曹友文

（ 南京久馳機(jī)電實業(yè)有限公司，江蘇 南京 211102 ）

0 引言

沖擊機(jī)構(gòu)是電動沖擊扳手等電動工具產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。沖擊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為沖擊功。行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)使得傳遞功率大、扭矩輸出穩(wěn)定，以此獲得比電機(jī)本身扭矩大數(shù)十倍至上百倍的輸出扭矩，從而達(dá)到擰緊螺栓的目的。本文以DC20 V電動沖擊扳手為例，利用UG軟件分析扳手的輸出扭矩，通過實驗驗證分析結(jié)果的正確性。

1 結(jié)構(gòu)

某款沖擊扳手外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，其沖擊機(jī)構(gòu)由主軸、壓縮彈簧、沖擊錘、鋼球和輸出軸等部件組成，主軸上有V型槽，沖擊錘內(nèi)壁V型槽與主軸V型槽相對應(yīng)，鋼球放置于兩個V型槽之間的空隙內(nèi)，在沖擊錘內(nèi)腔的壓縮彈簧壓力作用下，將主軸、沖擊錘、鋼球連接成整體。沖擊錘的前端為輸出軸，在擰緊或拆卸螺栓時，輸出軸的四方頭與套筒連接，兩翼與沖擊錘的凸臺撞擊，如圖2所示。

圖1 外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 沖擊機(jī)構(gòu)示意圖

沖擊機(jī)構(gòu)的運動可分為小扭矩輸出和大扭矩輸出兩個階段。小扭矩輸出對應(yīng)螺栓擰緊的過程，大扭矩輸出對應(yīng)螺栓完全擰緊。

小扭矩輸出時，螺栓僅受到較小的摩擦阻力。沖擊機(jī)構(gòu)中輸出軸的兩翼與沖擊錘凸臺始終保持接觸狀態(tài)，螺栓與沖擊機(jī)構(gòu)一同旋轉(zhuǎn)。

大扭矩輸出時，螺栓貼近緊固面，故無法繼續(xù)向下旋轉(zhuǎn)，同樣與螺栓互相配合在一起的套筒和輸出軸也無法轉(zhuǎn)動。由于此時的電機(jī)仍處在工作狀態(tài)，仍然通過主軸給整個系統(tǒng)提供動力，該動力使得鋼球在主軸V型槽中滾動，滾動的鋼球?qū)⒘鬟f至沖擊錘。此前，沖擊錘凸臺與輸出軸兩翼觸碰，沖擊錘受鋼球傳遞的動力后，沿著接觸面向后運動（圖2沖擊錘方向向右，彈簧壓縮的方向），后退至一定距離，擺脫輸出軸的束縛。

沖擊錘后退過程中，彈簧被壓縮，儲存了大量的能量，當(dāng)沖擊錘脫離輸出軸的束縛后，在彈簧彈力和鋼球的作用下沿V槽螺旋上升（圖2沖擊錘方向向左，彈簧彈力釋放的方向），等再次接觸到輸出軸的兩翼時則以較高的角速度對其撞擊，從而產(chǎn)生巨大的螺旋沖擊力矩，螺栓也會受到輸出軸的沖擊力矩繼續(xù)擰緊。之后沖擊錘不斷循環(huán)后退、上升、撞擊的運動過程，使輸出軸持續(xù)獲得沖擊力矩，最終可使螺栓完全擰緊。

沖擊機(jī)構(gòu)的小扭矩輸出階段是較為簡單的運動過程，大扭矩輸出階段是相對復(fù)雜的過程，本文以DC20 V沖擊扳手為例，利用UG軟件，僅對扳手大扭矩輸出階段的輸出扭矩進(jìn)行分析探索，同時結(jié)合試驗對分析結(jié)果驗證，判斷仿真分析的正確性。

2 運動分析

2.1 UG軟件

軟件具有較強(qiáng)的實體造型、曲面造型、虛擬裝配、產(chǎn)品工程圖等設(shè)計功能，在設(shè)計過程中可以進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運動分析，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。

2.2 3D模型

根據(jù)需要，建立DC20 V沖擊扳手的UG 3D模型，提取需要分析的沖擊機(jī)構(gòu)部分，如圖3所示。

圖3 沖擊機(jī)構(gòu)的UG 3D裝配模型圖

進(jìn)入UG軟件的運動分析模塊前，假定：

1）所有構(gòu)件均為剛體，不考慮因構(gòu)件的變形帶來的影響；

2）主軸以恒定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)；

3）忽略鋼球在主軸V槽、沖擊錘V槽之間形成的空間內(nèi)滾動時的摩擦力；

4）壓縮彈簧的彈性系數(shù)始終保持不變；5）假設(shè)與輸出軸配合的套筒始終固定（模擬螺栓擰緊的狀態(tài)）。

2.3 模型幾何約束設(shè)定和數(shù)據(jù)采集

進(jìn)入軟件運動仿真模塊對沖擊機(jī)構(gòu)的輸出扭矩進(jìn)行分析時，首先要根據(jù)實際的運動關(guān)系，建立沖擊機(jī)構(gòu)模型各個零件的運動副和運動約束。各零件的運動副設(shè)定見表1。由于沖擊錘與主軸之間存在相對運動，兩者的材料均為合金結(jié)構(gòu)鋼，且在實際運動過程中有潤滑脂的作用，在設(shè)置時將摩擦系數(shù)設(shè)為0.08。

但如前所示，這一所謂的“天然”并不能從數(shù)學(xué)的函數(shù)觀念中得出，而后者本應(yīng)是弗雷格借由改造傳統(tǒng)語義學(xué)的最重要憑據(jù)。在一個不顯含自變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，哪一部分被看作函數(shù)，哪一部分被看作自變量的值，完全取決于分析的方式。因此弗雷格的“概念-函數(shù)論”除了從數(shù)學(xué)中吸取養(yǎng)分外，一定還有其植根于前語言的理解，正是這一理解使得符號“Sokrates”只能成為專名。對弗雷格的這一理解有一個簡單的解釋：殊相是對象的模板，是最能被稱為實體的東西。

表1 零件運動副

通過反復(fù)測試市面上應(yīng)用較廣泛的兩款實測扭矩在1000N·m左右的DC20V沖擊扳手，測得擰緊M24螺栓時的平均工作電流為51.3A和48.3A。兩款扳手的測試電流值見圖4。

圖4 測試電流值

電機(jī)特性曲線如圖5所示。選擇電流值在50 A時的轉(zhuǎn)速為電機(jī)工作轉(zhuǎn)速，因扳手采用內(nèi)齒圈固定的行星齒輪減速結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式，其中，Z內(nèi)齒圈齒數(shù)為54，Z太陽輪,齒數(shù)為6，可得出傳動比為10，故扳手沖擊機(jī)構(gòu)的主軸的工作轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min（計算不考慮實際工作時齒輪的傳遞效率）。

圖5 電機(jī)特性曲線

3 動態(tài)仿真與樣機(jī)測試

3.1 動態(tài)仿真結(jié)果

綜上所述，對模型進(jìn)行仿真求解計算，經(jīng)過多次試驗，設(shè)置仿真時間為1 s，仿真步長設(shè)為2 000步。待解算完成后，查看輸出軸和套筒接觸副的力的扭矩幅值，約為950 N·m。仿真扭矩圖如圖6所示。

圖6 仿真扭矩圖

其次，查看沖擊錘的位移，圖7所示。沖擊錘與輸出軸在每一次的撞擊后，沖擊錘的移動距離基本均等（不包含起始撞擊的位移），理論上可判斷每一次的撞擊位置基本相同，不存在錯亂撞擊的現(xiàn)象。

圖7 沖擊錘位移圖

3.2 樣機(jī)測試結(jié)果

測試使用的SKIDMORE-WILHELM機(jī)械式螺栓夾緊力測試儀，如圖8所示，其測量值為螺栓夾緊力，通過螺栓和夾緊力之間的換算關(guān)系計算出對應(yīng)的扭矩值。

圖8 機(jī)械式螺栓夾緊力測試儀

測試前用手?jǐn)Q緊螺帽，測試時扳手沖擊3s左右并讀取壓力表數(shù)值，考慮人為誤差因素，每臺樣機(jī)測試3次后取平均值為測試結(jié)果，樣機(jī)測試時均使用滿電電池。3臺樣機(jī)的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 樣機(jī)測試數(shù)據(jù)

由表2測試數(shù)據(jù)可以看出實測扭矩值與仿真扭矩值較接近。為了驗證扳手的沖擊錘與輸出軸撞擊的完整工作過程，使用相機(jī)的快拍慢放功能對沖擊錘的運動軌跡進(jìn)行了采集。

拍攝前準(zhǔn)備：在沖擊錘凸臺、輸出軸兩翼的側(cè)面做好白色標(biāo)識，便于拍攝觀察；確保殼體的剖開區(qū)域能拍攝到?jīng)_擊錘的工作狀態(tài)，拍攝時長需大于一個完整的工作周期。

拍攝的沖擊錘實際工作時的運動過程如圖9所示。同時，使用示波器測試了樣機(jī)在實打M24螺栓時的平均工作電流為50.1 A，測試電流值見圖10。

圖9 沖擊錘實際工作的運動過程

圖10 樣機(jī)測試電流值

3.3 沖擊錘單次沖擊力

根據(jù)樣機(jī)的測試數(shù)據(jù)和仿真試驗結(jié)果，檢驗沖擊錘的單次沖擊力是否與測試結(jié)果接近。

檢驗前，假設(shè)：沖擊錘每次撞擊瞬間的角度速度相等；沖擊錘每次撞擊的力的大小、時間相等。

沖擊錘角度速度如圖11所示，讀出撞擊時沖擊錘最大角度速度為16 500 deg/s。另外，在UG中查詢沖擊錘的參數(shù)：m=0.515kg，r=33.5×10-3m，J=57.8×10-5kg·m2， 從圖11可知，沖擊頻率f=40次，沖擊時間t≈0.0125s，根 據(jù) 公 式：，計算得出E≈24 J，而，計算得出F≈397.8 N。

圖11 沖擊錘角度速度

從表2中選取與仿真扭矩值接近的樣機(jī)2的測試平均值49kN，假設(shè)每次沖擊力相等的情況下，測試時沖擊時間為3s，計算出平均每次沖擊力為408.3N，與沖擊錘的單次沖擊力的計算值較接近。

4 結(jié)語

本文以DC20 V沖擊扳手為例，利用UG軟件僅對沖擊機(jī)構(gòu)其中的一種組合進(jìn)行了簡單的分析探索，也驗證了UG軟件對沖擊扳手扭矩分析的可行性。后續(xù)的工作中可根據(jù)不同的設(shè)計需求，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速或沖擊錘的重量、彈簧的彈性系數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行不同組合的仿真分析，對沖擊扳手輸出扭矩的合理性進(jìn)行初步判定，確認(rèn)該類產(chǎn)品的調(diào)整方向，減少不必要的樣品制作時間，縮短整機(jī)開發(fā)周期。