机械式可调扭矩螺丝刀的设计

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螺丝刀是-种常用的紧固螺丝的工具，有各种各样的螺丝刀 。像安装、维修这类都要用到，可以说只要有螺丝的地方就要用到螺丝刀。传统的螺丝刀在紧固螺丝时，施加的力矩和松紧程度凭人的感觉控制，往往会因施加的力矩过大造成螺丝滑丝或螺丝刀损坏，或因施加的力矩不同影响零件的安装或装配质量。因此，可调扭矩螺丝刀和带有力矩表的扭矩螺丝刀来紧固螺丝有望解决上述问题。阐述了-种机械式可调扭矩螺丝刀的设计。

2螺丝刀的设计2.1螺丝刀参数的选择螺丝的型号有很多种，为了使设计更加具体化，针对日常生活和工作中用到的手提电脑、移动硬盘、打愈、小型粉碎机等-些高级小型的家电产品和办公设备上大多采用 以下规格的螺丝来紧固零件。因此，本设计阳固M 螺丝所需要的力矩作为螺丝刀的设计参数。根据资料，紧固 螺丝所需要的力矩大约在2N·m。按照本设计对可调扭矩螺丝刀的要求，螺丝刀应该满足下列要求：(1)螺丝刀应该在小于或等于 2N·m的-定力矩范围内，力矩可调；(2)螺丝刀在设定好力矩后，顺时针旋转螺丝刀时，对螺丝刀杆施加的力矩不大于设定的力矩值；(3)螺丝刀反时针旋转时，与普通螺丝刀-样 ，力矩大小取决于人手施加的力矩。

2-2螺丝刀的结构设计及其工作原理设计的结构示意图，如图 1所示。附图标记及对应名称为：螺丝刀刀杆 1、调节螺母2、连接外套 3、调节螺杆4、手柄 5、弹簧6、下棘轮 7、上棘轮 8、平面滚柱轴承 9、螺丝刀刀杆套筒 l0。

如图 1所示，可调扭矩螺丝刀的工作原理如下：当紧固螺丝顺时针给手柄 5施加力矩时，可以根据待紧固的螺丝所需要的扭矩大小通过弹簧 6、调节螺母 2、调节螺杆 4来调节两个棘轮啮合面的压力和摩擦力的大小，在弹簧的约束作用下，下棘轮7对上来稿日期：2012-10-14基金项目：苏州市职业大学项 目资助(JDX1003，2011SZDYJ10)作者简介：杜 洁，(1977-)，甘肃人，女，讲师，硕士，主要研究方向：机械工程264 杜 洁等：机械式可调扭矩螺丝刀的设计 第8期棘轮 8产生推力，扭矩主要来自于这个推力以及上下棘轮的摩擦力，这两个力的大小都与弹簧6的压缩量有关。因此，扭矩的大小可通过弹簧的压缩量来调整。在设定好扭矩的情况下，施加的扭矩超过设定的值时，螺丝刀上下棘轮自动打滑，既可以保护螺丝刀，也可以保护被紧固螺丝免受损坏，还可以保证螺丝松紧程度- 致。当需要松开螺丝反时针施加力矩时，两棘轮自动锁定，施加的力矩不受弹簧 6的压缩量影响。从而起到保护螺丝刀和螺丝得作用。

图1机械式可调扭矩螺丝刀结构示意图Fig.1 The Sketch of Adjusted-Mechanicaly Torque Screwdriver2.3螺丝刀的工作过程如图 1所示，可调扭矩螺丝刀的工作过程如下。

(1)调整扭矩；(2)紧固螺丝；(3)保护螺丝和螺丝刀刀头；(4)松开螺丝。

2.4螺丝刀零件的设计和零件参数选择2.4.1棘轮的设计如图2所示，根据力学原理可知 ，施加在棘轮上的力撒于弹簧的压力 Q和上下棘轮啮合面的斜度和摩擦力，在不考虑摩擦力的情况下，作用在棘轮上的圆周力 F如下式：FQtagc (1)作用在棘轮上的力矩 J如下：F·d/2-rQdt2aga (2)式中： -作用在棘轮上的圆周力； -弹簧对棘轮的压力 ；d-棘轮的平均直径；- 两棘轮的啮合面的螺旋上升角。从公式(2)可以看出，作用在棘轮上的力矩.，依赖于弹簧的压力 p和棘轮的半径d/2以及两棘轮的啮合面的螺旋上升角 a♂合图 1和公式(2)，可以推断力矩 .，主要受棘轮的参数 ，如螺旋上升角Ot和棘轮直径影响，如图3所示。

F图 2棘轮受力和力矩示意图Fig.2 Ratchet Force and Moment Diagram图3力矩与螺丝刀结构的关系Fig.3 Torque Screwdriver Structure Relationship从图3和式(2)可以看出，除弹簧外，棘轮的直径和啮合面角度决定了力矩的大校因此，首先谢 十了上、下棘轮，如图4所示，棘轮的啮合面为螺旋面，外侧的上升角最小，内侧的上升角最大，螺旋方向是右向上升。用AutoCAD绘制的棘轮图目，如图4所示。根据图4计算，两个棘轮的啮合角 (内侧)为66.3o，棘轮的内侧直径是q9mm。弹簧根据 GB2089-80选取 ，选材料直径 2mm，弹簧中径lOmm，弹簧工作的极限载荷212N。因此，可以计算出上下两个棘轮产生相互滑动时(J>2000N·mm)弹簧的压力：Q嚣 195N<212N可以看出，弹簧满足要求。

材料的选择。选两个棘轮的材料为 T8A，属于高碳钢，经淬火和低温回火后，硬度高，具有较好的耐磨性[91，两个棘轮之间在涂润滑油时静摩擦系数为 0.05-0.1 1，动摩擦系数为 0.029-0.12。

棘轮打滑的条件为ctaga：>/zQz为摩擦系数)，现在的值经计算是0.44，大于涂润滑油时的静摩擦系数，因此 ，两棘轮在力矩大于2N·m时，棘轮会打滑，从而保护螺丝和螺丝刀刀头。

(a)上棘轮(b)下棘轮图4上棘轮、下棘轮示意图FigA Schematic Diagram of the Tatchet，Ratchet Wheel2.4.2手柄的设计手柄采用 40Cr调质钢制造，屈服强度为 800MPaq。如图 1所示，螺丝刀刀杆与上棘轮是刚性连接，刀杆上的扭矩是靠手柄带动下棘轮，下棘轮通过与匕棘轮啮合而使 匕棘轮转动产生扭矩的。下棘轮与手柄之间的刚性连接是通过手柄上开设的槽子和下棘轮上No.8Aug.2013 机械设计与制造 265的凸耳配合连接形成的，因此 ，手柄上开设的槽子与下棘轮凸耳之间应采用袖隙配合。如图4所示，棘轮上的凸耳R 和过渡圆角是应按负公差设计和制造，手柄 匕的槽子应按正公差设计与制造，前者可采用R2 -0. 1和Rl -0. 1设计，后者可按照 尺2 02，和 R1 设计。

此外，下棘轮外径与手柄孑L也采用间隙配合 15 ㈣，以方便将下棘轮装人手柄里。从图 1可看出，上棘轮也需装人手柄里，且上棘轮与手柄孔有相对转动，所以上棘轮外径与手柄孔也应采用间隙配合 l5 。另外，手柄的-端是用M241.5螺纹与刀杆套nO筒连接在-起。

手柄内孔的长度是-个关键参数，它影响到弹簧的可调节量和扭矩的大校它的长度在保证力矩达到要求的前提下，由弹簧的自由长度、两个棘轮的厚度(啮合部分只计算-次)、平面轴承的厚度和调节螺柱的部分长度组成，经计算手柄孔的总长度是42mm，手柄孔里的槽子长度是 37mm。设计的手柄，如图5所示。

图 5手柄Fig.5 Hand Shank2.4.3调节螺杆的设计调节螺杆采用40Cr调质钢制造。如图 1所示，当旋转调节螺母时，调节螺杆能使弹簧压缩或者使弹簧恢复，调节螺杆只做轴向运动，起导向作用的是靠调节螺杆上的凸耳，此处凸耳的作用类似于下棘轮，因此，调节螺杆上的凸耳径向尺寸应与下棘轮- 样，分别为R -4L 1和Rl 。 调节螺杆的内孔与螺丝刀刀杆有相.2对运动，应采用大间隙配合，这里螺丝刀刀杆直径是 (b5，调节螺杆的内孔直径设计为 5.5。调节螺杆的另-端与调节螺母用M24x1.5螺纹连接，以调节弹簧的压缩量，这里的调节螺杆螺纹的长度设计成 1 lmm。设计的调节螺杆，如图6所示。

图6调节螺杆Fig.6 Adjusting Screw Rod2.4.4连接外套和调节螺母的设计连接外套和调节螺母采用40Cr调质钢制造。连接外套的作用是压住调节螺母，-端与手柄螺纹连接，与手柄连接的螺纹采用M24x15，总长度设计成39。由于调节螺母与连接外套有相对运动，所连接外套的大L(621)与调节螺母大的外圆柱(620)之间留有间隙，单边间隙为05ram，连接外套的凶与调节螺母的左端轴采用间隙配合( 1o )。调节螺母螺纹的长度应大于弹簧压缩长度，这里设计成 12mm。设计的连接外套和调节螺母(图略)。

3结论设计的可调扭矩螺丝刀通过手柄施加力矩给下棘轮，下棘轮与上棘轮螺旋面啮合带动上棘轮，上棘轮与螺丝刀刀杆通过矩形孔刚性连接，从而使上棘轮带动刀杆旋转，达到紧固螺丝的目的。当施加的力矩超过所设定的扭矩时，上下两个棘轮将打滑，从而能使同-规格和诚的螺丝的紧固程度-致，也能保护螺丝和螺丝刀刀头。 当需要改变扭矩时，可涌过调节弹簧的压缩长度来实现，弹簧压缩，扭矩增大，反之减校