孟五一

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

一種四速電鉆的變速箱設(shè)計(jì)

孟五一

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

介紹一種電鉆用4速變速箱，說(shuō)明了逆止器工作原理、換擋方式、各級(jí)變速的方法、傳動(dòng)比的計(jì)算和該種變速箱的優(yōu)勢(shì)。

逆止器 4速電鉆 輪系 變速箱

0 引言

變速箱是直流電鉆的重要組成部分，常見電鉆機(jī)械減速箱有單檔減速箱和雙檔變速箱。本文介紹一種4檔變速箱結(jié)構(gòu)，4檔速度分別為400/800/1 925/3 850 rpm，低速檔保持了傳統(tǒng)電鉆的大扭矩特性，而高速檔3 850 rpm的轉(zhuǎn)速能極大提高打小孔的效率。

1 自鎖功能

新型手電鉆一般具有反向自鎖功能，此功能通過(guò)逆止器實(shí)現(xiàn)。這種逆止器的特性為：當(dāng)動(dòng)力從電機(jī)傳遞到變速箱輸出軸時(shí)逆止器不工作，動(dòng)力傳輸正常；動(dòng)力反向傳遞時(shí)逆止器工作，將變速箱輸出軸鎖死，使動(dòng)力無(wú)法傳遞。采用這種結(jié)構(gòu)的電鉆優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可采用單體裝夾頭，方便鉆頭的裝夾操作。單手握住電鉆手柄，另一手即可旋轉(zhuǎn)裝夾頭進(jìn)行鉆頭裝卸（傳統(tǒng)雙體裝夾頭需雙手分別握住裝夾頭前后端，相對(duì)旋轉(zhuǎn)才可裝卸鉆頭）。

2）方便裝夾頭的拆裝，拆裝裝夾頭時(shí)輸出軸鎖死，可從機(jī)器外部直接擰動(dòng)裝夾頭的固定螺釘。

3）當(dāng)機(jī)器電量耗盡時(shí)，可以臨時(shí)將電鉆當(dāng)作普通螺絲刀使用。

1.1工作原理與受力分析

逆止座固定在機(jī)殼上，輸出軸與逆止塊剛性連接，輸出軸相對(duì)行星架8可在±10°的范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1。

當(dāng)電機(jī)主動(dòng)時(shí)，逆止器中行星架8為主動(dòng)件。輸出軸與逆止塊一起受行星架8的帶動(dòng)，落后10°隨行星架8一起轉(zhuǎn)動(dòng)，逆止塊與逆止座間形成一楔形面。受阻力作用，圓柱銷位于楔形面的大端，并有向大端繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。圓柱銷被行星架8推著隨楔形面的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，由于楔形面大端兩壁間最小距離大于圓柱銷直徑，圓柱銷不與逆止座產(chǎn)生過(guò)多摩擦，動(dòng)力傳輸不收影響，如圖2。

圖1 逆止器結(jié)構(gòu)圖

圖2 逆止器工作示意圖

當(dāng)動(dòng)力反向傳輸時(shí)，輸出軸與逆止塊一起為主動(dòng)件，行星架8落后逆止塊10°隨逆止塊一起轉(zhuǎn)動(dòng)，逆止塊與逆止座間形成一楔形面。受阻力作用，圓柱銷位于楔形面的小端，并有向小端繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

圖3 逆止受力分析

逆止器逆止時(shí)，楔形面兩壁作用在圓柱銷上的力沿接觸點(diǎn)連線，方向相反，大小相等。逆止座作用在圓柱銷上的力可分解為正壓力FN和切向力FT，接觸點(diǎn)連線相對(duì)FN的夾角為α，為達(dá)到自動(dòng)鎖止的效果，必須滿足：

式中 μ—摩擦系數(shù)

逆止扭矩為：

式中 z—圓柱銷數(shù)

R—逆止座內(nèi)圈半徑

自鎖力不能太小，否則失去自鎖意義。增大自鎖力的方法有：

1）增加圓柱銷個(gè)數(shù)。

2）增大逆止座內(nèi)圈直徑。

3）增加逆止座、圓柱銷和逆止塊的厚度。

4）提高相關(guān)零件的強(qiáng)度和剛度。

2 換檔和輪系分布

換檔撥鈕有4個(gè)工作位置，檔位1～4速度依次增快。撥鈕的前后位為平移滑動(dòng)，左右位為繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，前后位和左右位相互獨(dú)立工作，如圖4所示。

圖4 換檔示意圖

撥鈕前后位直接通過(guò)撥桿控制外側(cè)變速齒圈7前后移動(dòng)；左右位通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)化旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為前后的平移運(yùn)動(dòng)，控制周向固定圈G前后移動(dòng)，如圖5。

圖5 變速箱輪系分布圖

輪系可劃分為低速端變速區(qū)和高速端變速區(qū)，兩部分串聯(lián)傳動(dòng)。雙聯(lián)齒輪5、齒輪6、齒圈7和行星架H8組成低速端變速區(qū)；電機(jī)齒輪1、雙聯(lián)齒輪2、齒圈3、齒輪4、雙聯(lián)齒輪5、固定圈G和支架H0組成高速端變速區(qū)。

齒輪箱總傳動(dòng)比為高速端和低速端的疊加：

3 低速端變速

低速端變速由撥鈕前后運(yùn)動(dòng)控制（如圖4），當(dāng)撥鈕位于1、2檔時(shí)輪系為低速狀態(tài)，位于3、4檔時(shí)為高速狀態(tài)。

3.1低速狀態(tài)原理

低速狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)齒圈7與齒輪6嚙合，與雙聯(lián)齒輪5的Z5脫離，齒圈7周向固定，此時(shí)輪系為2K-H型周轉(zhuǎn)輪系，小中心輪輸入，行星架輸出，等效原理如圖6所示。

圖6 2K-H型周轉(zhuǎn)輪系

由反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)法得：

其中n7=0，解得傳動(dòng)比為：

3.2高速狀態(tài)原理

高速狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)齒圈7同時(shí)與齒輪6和齒輪5的Z5嚙合。此時(shí)，齒輪5、齒輪6、齒輪7、行星架H8這四個(gè)零件等效于一個(gè)剛體，傳動(dòng)比為：

4 高速端變速

高速端齒輪工作轉(zhuǎn)速高于低速端，若繼續(xù)采用低速端的變速方式，操作不規(guī)范時(shí)易造成齒輪碰傷。

為適應(yīng)工作條件和傳動(dòng)比的要求，本方案高速端采用一種復(fù)合輪系，變速由撥鈕左右運(yùn)動(dòng)控制（如圖4），當(dāng)撥鈕位于左側(cè)1、3檔時(shí)輪系為低速狀態(tài)，位于右側(cè)2、4檔時(shí)為高速狀態(tài)。

4.1低速狀態(tài)原理

低速狀態(tài)時(shí)，固定圈G與行星架H0結(jié)合，與齒輪3脫離，行星架H0周向固定，等效原理如圖7。

圖7 高速端低速狀態(tài)原理圖

此時(shí)，齒輪1、雙聯(lián)齒輪2、齒圈3為定軸輪系，傳動(dòng)比為：

齒輪1、齒輪3、齒輪4、齒圈5組成2K-H型周轉(zhuǎn)輪系。其中，齒輪1為小中心輪，齒圈3為大中心輪，齒輪4為行星輪，齒輪5充當(dāng)行星架，兩中心輪輸入，行星架輸出。由反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)法得：

聯(lián)立方程（7）（8）得：

4.2高速狀態(tài)原理

高速狀態(tài)時(shí)，固定圈G與齒圈3結(jié)合，與支架H0脫離。此時(shí)，齒圈3周向固定，支架H0和雙聯(lián)齒輪2雖仍可轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)傳動(dòng)無(wú)任何作用，因此可以略去。輪系等效于2K-H型周轉(zhuǎn)輪系，如圖8。

圖8 高速端高速狀態(tài)等效原理圖

此時(shí)，傳動(dòng)比為：

4.3換擋沖擊

高速端的換檔沖擊發(fā)生在固定圈G與行星架H0或齒圈3之間。由于行星架H0或齒圈3轉(zhuǎn)速較行星輪低，換檔時(shí)沖擊較??；整個(gè)換檔過(guò)程中，所有齒輪相對(duì)嚙合狀況不變，齒輪間無(wú)直接沖擊，可在機(jī)器運(yùn)行中進(jìn)行換檔。

5 結(jié)語(yǔ)

原則上說(shuō)，機(jī)械變速箱的換擋操作應(yīng)在停機(jī)后進(jìn)行。但實(shí)際使用中，很多操作者在機(jī)器運(yùn)行時(shí)不規(guī)范的進(jìn)行換檔操作，這對(duì)變速箱的設(shè)計(jì)提出了更為苛刻的要求。

隨著無(wú)刷電機(jī)的普及應(yīng)用，電鉆的性能在不斷提高，多速電鉆和沖擊鉆是重要的發(fā)展方向。

[1]李柱國(guó).許敏.機(jī)械設(shè)計(jì)與理論[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]胡國(guó)武.充電式電鉆變速箱設(shè)計(jì)[J].電動(dòng)工具，2013(6).

A Design of Drill Gearbox with Four Speed

Meng Wuyi
(Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

This paper introduces a drill gearbox with 4-speed and illustrates backstop principle, shift way, method of variable speed, calculation of transmission ratio and the advantages of the gearbox.

Backstop 4-speed drill Gear train Gearbox

M302 文獻(xiàn)標(biāo)示碼 A

1674-2796（2014）03-0007-04

2014-03-10

孟五一（1990—）男，本科，主要從事電動(dòng)工具開發(fā)和技術(shù)支持工作。