叢林，鐘毅

（青島前哨風動工具制造技術有限公司，山東 青島266000）

1 引言

氣螺刀作為螺釘擰緊工具廣泛應用于汽車、火車、飛機、家電等行業(yè)。而在實際生產中用的最多的是直接驅動式和打滑離合器式，這兩種氣螺刀主要的局限是無法精確控制扭矩，主要依靠操作者松開扳機的時間和離合器打滑的時間來決定[1]。其次是施加的力矩過大和作業(yè)時產生的振動會造成螺釘和螺刀頭的損壞，影響安裝或裝配的質量，螺刀作業(yè)時產生的噪音、振動和反作用扭矩也會對操作者的健康造成傷害。自動斷氣式的氣螺刀可以完美解決以上問題，另外，由于離合器達到預定扭矩時反應迅速，通過切斷氣源使發(fā)動機動力失效，避免了像打滑離合器兩牙盤轉動導致的零件損耗，大大提升了產品的使用壽命。

2 氣螺刀設計

2.1 結構和原理

該氣螺刀主要由槍式手柄10、雙向葉片式氣動發(fā)動機7、減速器4、離合器2 等組成，見圖1。

圖1 氣螺刀的結構總圖

雙向發(fā)動機7 和槍式手柄10 上的氣路孔道的正確對合主要是依靠鍵14 來保證的。槍式手柄10 上裝有氣管接頭11、 消聲器12、按鈕開關13、換向開關8 和換向閥9。

離合器殼體1 與內齒套3 呈左螺紋連接。

氣螺刀裝配時必須擰緊內齒套3 （左螺紋），這樣便可以通過減速器的隔套5、碟型墊片6、雙向氣動發(fā)動機組件中的軸承蓋、前蓋、后蓋、氣缸和前后兩個滾動軸承的外環(huán)把發(fā)動機組件緊壓在槍式手柄的后端面上。發(fā)動機的轉子兩端面與前后蓋端面之間保證了規(guī)定的間隙，轉子既轉動靈活又不會因為松動間隙過大而使發(fā)動機功率下降。

2.1.1 工具啟動

圖2 中，當將按鈕開關26 按下以后，閥15被打開，壓縮空氣從氣管接頭17 經閥15 和換向閥5 輸入發(fā)動機4 并驅動發(fā)動機旋轉。發(fā)動機4 帶動減速器3，而減速器3 上的傳扭塊11與離合器外套10 上的撥爪咬合帶動離合器1旋轉。此時雙向發(fā)動機4 上的扭矩通過減速器3 和離合器1 傳遞給螺刀頭（圖中未標示），以便擰緊螺紋緊固件。

圖2 氣螺刀的工作原理

2.1.2 扭矩的傳遞

發(fā)動機4 產生的扭矩經過行星齒輪減速器3 放大后通過齒輪架2 的內六角孔傳遞給傳扭塊11，傳扭塊11 通過與離合器外套10 的撥爪咬合將扭矩傳給離合器外套10，離合器外套10 借助鋼球21 與離合器軸7 同步旋轉，離合器輸出軸7 頭部的六角頭將扭矩傳遞給扳軸6，最后扳軸6 將扭矩傳遞給螺刀頭，將螺釘擰緊。鋼球21 安裝在離合器外套10 的徑向孔中，呈三等分分布。鋼球21 同時與離合器軸7 上的鋼球槽和錐壓環(huán)9 接觸。在限力彈簧20的作用下，錐壓環(huán)9 使鋼球21 緊緊地壓在離合器軸7 的鋼球槽內。這一壓力越大，離合器外套10 和離合器軸7 結合處的摩擦力越大，傳遞的扭矩就越大，反之亦然。因此，這一壓力的大小影響扳軸6 輸出扭矩的大小。所以限力彈簧20 的制造精度和預壓力直接影響氣螺刀的扭矩。

2.1.3 扭矩的控制與斷氣原理

在擰緊螺釘的過程中（見圖2），發(fā)動機4輸出的有效功率隨著螺刀頭上的負載扭矩（螺釘的擰緊力矩）增加而加大，離合器外套10 上的扭矩也相應加大，并在扭轉的過程中通過離合器軸7 上相鄰鋼球槽之間的凸起部位將均布在離合器外套上的三個鋼球21 向外擠壓，因為結構限制導致向外擠壓的鋼球21 只能推動錐壓環(huán)9 做軸向前移，彈簧座8 在錐壓環(huán)9的推動下前移，隨著彈簧座8 前移，限力彈簧20 被迫壓縮，當鋼球21 擠壓錐壓環(huán)9 產生的軸向力大于限力彈簧20 的頂壓力時，彈簧座8不斷前移壓縮限力彈簧20，一直到負載扭矩達到要求控制的輸出扭矩值時，鋼球21 掙脫錐壓環(huán)9 的限制，被扭轉的離合器外套10 由原先的鋼球槽經凸起處的細槽擠進相鄰的鋼球槽，此時的離合器外套10 和離合器軸7 不再同步旋轉。離合器軸7 上的開關軸套24 在被鋼球23 擠壓的過程中因彈簧22 壓縮被迫下移，原先一直被限制軸向前移的復位銷18 隨著開關軸套24 的下移在斷氣閥桿12 的推動下向前移動，與斷氣閥桿12 另一端呈螺紋連接的開關閥14 在壓縮空氣的作用下與封氣套13 貼合將氣路切斷，發(fā)動機4 停止運轉，氣螺刀自動停車。松開按鈕開關26，閥15 在塔形彈簧16 的作用下復位，氣路閉合，開關閥14 失去了壓縮空氣的推動并在之前被壓縮蓄能的彈簧25 的反彈下復位。與此同時，復位銷和開關軸套也恢復到原始位置。

2.2 發(fā)動機設計

2.2.1 雙向葉片式發(fā)動機氣路原理[2]

圖3 中，當發(fā)動機轉子正轉時，B 孔進氣,C孔（主排氣口）排氣。進入發(fā)動機的壓縮空氣對葉片3 做功之后立即從C 孔排至大氣。當葉片旋轉到C 孔的左側，位于兩葉片之間的被壓縮的余氣通向A 孔，并從A 孔流向氣路換向機構的換向閥，再經過氣路孔道排至大氣。經A孔排至大氣的只是一小部分余氣，故A 孔被稱為副排氣孔。當發(fā)動機轉子反轉時，A 孔變?yōu)檫M氣口，B 孔為副排氣口，C 孔仍為主排氣口。

圖3 雙向葉片式氣動發(fā)動機氣路原理圖

2.2.2 發(fā)動機參數計算

（1）功率

當沒有外加載荷，即發(fā)動機空轉時，轉速最高，即n=nmax，發(fā)動機輸出功率P=0。如果有外加載荷，則有以下三種情況[3]：

（a） 外加載荷小于發(fā)動機最大輸出扭矩Mmax時（不等于0.5 Mmax），不能發(fā)揮發(fā)動機最大功率。

（b）外加載荷大于或等于Mmax時，發(fā)動機克服不了外加力矩而停轉，即n=0，P=0。

（c） 外加載荷等于0.5 Mmax，即n=0.5 nmax時P=Pmax（額定功率），此時發(fā)動機輸出功率最大，效率最高。

式中 Pmax——最大功率，kW

η——機械傳遞效率

Mmax——扭矩，N.m

nmax——轉速，r/min

機械傳遞效率η，零級減速取1，一級取0.9～0.95，二級取0.8～0.85。

（2）扭矩

扭矩的直線方程[1]為

任意轉速下的扭矩公式為

當轉速n=0 時，發(fā)動機的扭矩最大，隨著轉速升高，扭矩降低，n=nmax時，M=0。n=0.5 nmax時，發(fā)動機的扭矩最適用，此時的扭矩為額定扭矩。

（3）耗氣量

影響耗氣量的因素比較復雜，難以準確推論，它的近似計算公式[1]是：

式中 Qmax——最大耗氣量，m3/min

QP——功率最大時的耗氣量，m3/min

2.3 減速器設計

氣螺刀的減速器為NGW 型行星齒輪減速器，在知道了發(fā)動機的額定功率P、額定轉速n、傳動比ip后設計步驟如下[4]：

2.3.1 進行配齒計算

根據相關公式確定行星齒輪傳動中各輪的齒數

式中 p——微型行星齒輪特性參數

Za——轉子齒數

Zb——內齒輪齒數

ip——傳動比

微型行星齒輪特性參數p 取2～8，傳動比ip一般取3～9。

因為進行了角度變位，所以行星齒輪的齒數應按照如下公式計算

因為氣螺刀Zb-Za的齒數差為偶數，故行星輪C 的齒數修正量ΔZc=-1。

2.3.2 驗算各輪齒數滿足的條件

在確定了各輪齒數后根據相關公式驗算行星齒輪傳動的傳動比條件、鄰接條件、同心條件和安裝條件。這些條件無論那種類型行星齒輪傳動都必須滿足。否則不能保證傳動的正常工作。

2.3.3 初步計算主要參數

對于NGW 型行星齒輪傳動，可以按照齒面接觸強度的計算公式（8）計算中心輪a 的分度圓直徑d1。然后根據公式（9）計算出齒輪的模數m。

式中 d1——中心輪A 分度圓的直徑，mm

Kd——算式系數

T1——中心輪A 的額定扭矩，N.m

KA——系數

KH∑——行星輪數

KHp——行星輪間載荷分布不均勻系數

φd——小齒輪齒寬系數

μ——齒數比

σHLim——齒輪接觸疲勞極限

本文中，算式系數Kd取768，系數KA取1，行星輪數KH∑為3 時，KHp取1.8～2.4，小齒輪齒寬系數φd≤0.75，σHLim的選取參閱文獻[5]第六章第二節(jié)圖6-8。

2.3.4 嚙合參數計算

為了改善齒輪的傳動性能，滿足嚙合的同心條件和強度條件等，根據已知條件和公式（10）求出中心距變動系數γ、嚙合角α′、變位系數和X∑及齒頂高變動系數Δγ 值。再根據各齒輪副中的齒數和Z∑及其嚙合角α′，采用圖3-2（參閱文獻[5]第三章第二節(jié)圖3-2），將變位系數和X∑分配給各個齒輪，確定大小齒輪的變位系數。

式中 αac′,αbc′——齒輪副A-C 和B-C 角度變位后的嚙合中心距

αac,αbc——兩嚙合齒輪副 （非變位）的標準中心距

Z——齒數

式中 a——齒輪副非變位的中心距，mm

α——壓力角，其標準值α=20°

inv α——標準壓力角的漸開線函數

inv α′——嚙合角α′的漸開線函數 （具體數值查詢機械設計手冊）

本文中，標準壓力角的漸開線函數inv α=tan α-α，inv α′的具體數值查詢機械設計手冊。

2.3.5 幾何尺寸和傳動效率計算

根據上述公式得到的參數后查詢機械設計手冊可以計算出其他幾何尺寸。傳動效率根據下式計算

p—— 行星排特性參數

2.4 離合器設計

離合器的設計主要是限力彈簧的設計[5]。因篇幅有限，具體的設計方法可查詢機械設計手冊。輸出扭矩的調節(jié)從前面扭矩控制的分析可知，調節(jié)限力彈簧的預壓力可改變錐壓環(huán)對鋼球的徑向壓力，達到調節(jié)扳軸輸出扭矩的目的。

2.5 手柄設計

手柄主要是人機工程學方面的設計，本文中氣螺刀的手柄采用分體式設計（見圖4），手柄外套3 和橡膠套2 使用PA6+30GF 和耐油橡膠材質。這種設計避免了因機械運動產生的撞擊、 摩擦所導致的共振。手柄設計為非平衡式 （手柄重心不在中間），并且允許使用高握位進行作業(yè)，高握位可以更好地人為施加進給力。在作業(yè)過程中可以變換握持方式，這樣可以使扣動扳機的手指頻繁替換，使手指伸縮肌得到足夠的休息，大大降低患扳機指的風險[6]。

圖4 氣螺刀手柄