框架冲击式气扳机计算和设计方法

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凿岩机械气动工具 (总第152期)框架冲击式气扳机计算和设计方法丛会 文(青岛前哨风动工具制造技术有限公司，青岛 山东 266045)摘 要 ：气扳机在汽车 、航空等工业领域的应用 日益广泛 。它的工作过程实际上是能量转换过程。本 文根据运动学和动力学原理，阐述了框架冲击式气扳机的发动机和冲击器的设计和计算，为框架冲击式气扳机的计算和设计提供了一种方法。

关键词 ：气扳机 ；螺纹联接 ；扭矩中图分类号 ：TH113．2+2 文献标识码 ：AMethod for the Calculation and Design of Frame-style Pneumatic Impact WrenchesCONG Hui—wen(Qingdao Qianshao Pneumatic Tool Manufacturing Technology Co．，Ltd．，Qingdao 266045，Shandong Provine，China)Abstract：Pneumatic wrench is increasingly widely used in automobile， aviation and other industrial fields． Itsworking process is actualy a course of energy transition． In this paper， according to the theory of kinematics anddynamics， the design and calculation of the engine and!he impact of pneumatic impact wrenches is elaborated． Onemethod for the calculation and design offrame—style pneumatic impact wrenches is provided.

Keyword：pneumatic wrench；thread connection；torque1 前言气扳机是以压缩空气为动力 ，有效高速地装拆螺纹连接件的手持机械作业工具 ，是气动工具的一个大类 。适用于大量螺纹联接件的设备装配、安装和维修，功效远高出人力装拆。冲击式气扳机是一种以冲击(碰撞)形式将机内高速旋转件具有的动能转换为螺纹联接件的变形能．从而将螺纹联接件拧紧至一定扭矩的气扳机。

本文设计一种框架冲击式气扳机，它是一种结构先进，性能优越的圆周冲击式气扳机，具有体积小重量轻，输出扭矩大 ，反扭矩小 ，加工装配简单，工作寿命长的优点。

2 设计思想气扳机的工作过程，实际上是一个能量转换的过程，在这个过程中，发动机将压缩空气能转收稿 日期 ：2013-06—272013年第 3期换成系统的动能，冲击器则将这种动能又转换成对螺栓的冲击能输出。因此在设计时，我们就可以先根据给定的输出转速和输出扭矩值，反求系统的转动惯量，求出转动惯量值，那么，带动该转动惯量工作的发动机扭矩和功率也就可以求 ，结构参数就可以确定。最后，可求出冲击器的转动惯量值，并确定结构参数。设计工作流程图如图 1所示 .

3 发动机设计3．1 结构形式圆周冲击式气扳机大都采用正反转性 能相同的气动发动机 ，叶片数 4～6片，这样做的 目的 ，是为了使系统在工作时能迅速起动，并保证达到高的瞬时冲击速度。

3．2 设计计算3．2．1 计算整个回转系统的总转动惯量气扳机的输出扭矩是由于冲击器对板轴的框架 冲击式气扳机计算和设计方法图 1 气扳机工作流程不断撞击而产生的，在撞击的瞬间，系统的角速度因板轴的阻止作用．从撞击前的速度急剧下降为零(产生一个负角加速度)，这一过程，可按匀角加速运动来考虑，根据运动学定律有∞冲= 冲·At冲=∞ 冲／△￡根据动力学原理Ml=J总· 冲-，=M1 冲=M1·at／w冲式 中 ．，——整个回转系统的总转动惯量M ——气扳机的饱和输出扭矩— — 冲击前回转系统的角速度冲——整个回转系统在冲击过程中产生的负角加速度— — 冲击过程所用的时间．根据经验，该值在2~1Cr4s~5~1Cr4s之间选择又 M1=KT·M 输出∞ 冲 凡输出Kv×2~r／60贝4 J总=30Kv·M输出·at／(17,输出·Kv·1T)式中 ——扭矩放大系数、广 速度复原率。指每次冲击前的角速度 冲与设计要求输出转速 输出的关系。根据经验，K 在 O．35～0．75之间选取 (日本实验资料介绍)。K 值大，计算出的发动机功率越大，通常取Kv=0．5；输出——设计要求给定的输出扭矩n输出——设计要求给定的输出转速根据设计要求的工作时间， 可在 l～1．2之间选取。通常，2秒时取 =1．1。

3．2．2 计算发动机的输出扭矩和输出功率因为在前一次冲击过程进行完毕后 ，系统的瞬时角速度已下降为零 ，所以，要进行下一次冲击．发动机必须有能力在 2"r弧度内将整个系统重新加速到∞冲，根据运动学和动力学原理有M 发=J总· 发∞ 冲 = 发 t又 0发= 发·t =2ax=等 式中 发——发动机输出扭矩0发——发动机角位移发 — — 发动机的角加速度根据气动发动机计算公式lI21N ~-'式 中 Ⅳ发——发动机额定功率 ，WM发——发动机输出扭矩，N·mn ——发动机转速 ，r／min3．2．3 发动机结构参数设计将 M发，N发，n输 作为已知条件，根据气动发动机设计方法，可将各个结构参数确定。

4 冲击器的设计2013年第 3期 一一一凿岩机械气动工具 (总第152期)4．1 冲击器的结构设 汁如图 2所示 ，框架式冲击器 由一个托架 ，两根销轴和一个(或两个 )框状冲击块组成 ，正是 由于这种独特的结构设计形式，才使得框架式冲击器的工作寿命远远高于摆块式，将冲击块做成一个框状整体结构，不像摆块式那样是线接触，而是面接触 ，这就大大减小了接触面单位面积上的压力 ，从而提高了寿命。

托架 轴图 2 框架式冲击器结构4．2 设计方法4．2．1 销轴尺寸的确定销轴长度要与拖架长度相等或略短 0．1～0-3，直径可根据气扳机的规格、输出扭矩 ，用类比法选择。销轴直径与气扳机规格对照如表 l所不 R轴表 1 销轴直径与气扳机规格对照表m m规格 B6 B8 Bl0 Bl4 Bl6 B 2(】销轴直径2~3 2~3 3~4 4-5 5-6 6～7d4．2．2 冲击块设计(1)确定内腔尺寸已知输 出扭矩 ，可用类 比设计方法(也 叮计算)确定板轴的d扳轴、h轴，则冲击块内腔尺寸便可以确定。其中，尺 和 ：的选取以保证板轴顺利转过(正常工作)为原则。但也不能定得太大，通常使间隙在0．1～0．2之间为好。尺 取 2～3，存 7。～9。问选择，通常取 8。h轴尺寸与气扳机规格对照见表 2。

表 2 h轴尺寸与气扳机规格对 照表m m规格 B6 B8 B10 I Bl4 B16 B20宽度 h 2-3 3～4 4-5 1 5-6 6～7 7～8(2)两销轴孔距 轴的计算L轴=2( 块+ +R轴)壁厚尺寸的确定以能满足设计要求的一l 作寿命为原则。壁厚尺寸与气扳机规格对照如表 3所示。

(3)外 圆直径图 3 冲击块与扳轴尺寸关 系叵 霾 ???? 2 年第3期框架冲击式气扳机计算和设计方法表 3 壁厚尺寸与气扳机规格对照表规格 B6 B8 B10 l B14 l B16 l B20壁厚6 2．5 3 3-3．5 3．5 4 l 4～4．5 l 4．5 5 I 5-6D块=D 托一2L轴·sin二 4．2．3 托架尺寸D 托=D 气缸一△d△d取 O～3(根据整机造型)4_2．4 销轴、冲击块、托架转动惯量的计算根据极转动惯量的定义 J=mRz，又根据平行移轴定理t，，_．，+mr2=m( +r2)=L·5·p(R +r2)式中 ．， ——物体对回转中心的转动惯量m——物体质量— — 回转半径￡—— 物体长度．s—— 物体截面积r—— 质心到新回转轴的距离P—— 密度分别得到J销轴=L销轴·S销轴·P(R 销轴+r2销轴)’．一’J块=L块·2 S块 ·P(R 块i+r2块 )L= 1’．，托=L托·2l—S托 ·P(R 托f+r2托 )i= i4．2．5 托架长度 的确定托架结构图见图4所示。

今K销轴=Js销轴·p(R 销轴十r2销轴)、K块：L块·2 S块 ·P(R 块 +r2块 )i 1日△图 4 托架结构简图1．1K托=L托·2 S托 ·P(R 托 +r2托 )L托=L~+2B+AB=L块+ B (KB=2B+AB)又J冲=J总一‘，发=J块+．，托+J销轴所以L块·K块+L托·K托十．，凸+L销轴·K销轴 总— 发将各式带人得式中 t， 一 △B宽凸台的转动惯量AB值按表 3选择。

5 结语气扳机的工作过程是相当复杂的．要做到精确计算是不可能的 本文只是给出了一个粗略的计算方法，要得到一个性能优良的气扳机产品。

还要进行反复试验才能完成。

参考文献：[1]徐炳辉．气动手册[M】．上海科学技术出版社，2005.

[2]路甬祥．液压气动技术手册[M]．机械工业出版社，2001.

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