浅谈创新设计方法在手持工具扳手设计中的应用与研究

刘琛逸

摘要：机械行业发展日新月异，随之带来对机械工具的性能要求也越来越高，如何实现工具更高效的工作，必须对工具进行创新设计。本文以扳手产品为例，对机械产品的创新问题进行分析，并按照创新理论对手动扳手进行创新设计，阐述了扳手创新设计方案的思路、原理及设计过程，并对设计方案进行了评价，表明创新设计方法能较好的应用于手动扳手的设计中。

关键词：创新设计方法；；手持工具扳手；；应用与研究

1简述

手持工具扳手的产品名称型号不同，用途使用范围也不同。这里介绍定转矩手持工具扳手，供使用参考。

定转矩手持工具扳手是一种能自动控制转矩的手持工具扳手。它适用于需要用高强度螺栓连接的桥梁结构、大型钢塔、钢结构厂房、冶金设备的构架、大型起重机架、矿井钢架等工程中及大型柴油机、发电设备、化工设备中，要求恒定的夹紧力连接的螺栓也可用定转矩扳手来紧固。

特别在现代桥梁建设中，定转矩手持工具扳手是实现以“栓焊梁”代替“铆焊梁”的有效工具。这对简化工地安装工序、降低建桥成本、减轻劳动强度，从而加速桥梁建设具有较大的意义。

定转矩手持工具扳手的转矩以电气装置来进行控制。这种手持工具扳手具有耗电量少、噪声小、调节灵活、能自动停机、转矩稳定等优点。

我国自行设计、制造的120kgf？m定转矩手持工具扳手是一种静转矩结构的扳手。它可作为高强度螺栓的终拧工具，即把初拧过的螺栓再拧到规定的力矩。[1]

手持工具扳手是装卸螺纹联接件的手持式电动工具，广泛应用于汽车、拖拉机、电机电器、动力机械、阀门、水泵、纺织机械等制造业的装配工作中，在化工、水泥预制件、塑料成型等作业中则用于生产流程中装拆真空罐、反应釜和水泥模板、带螺纹塑料件的脱模工作；也可用在铁道、桥梁、建筑等工程中作水泥轨枕、桁架节点、角钢脚手架等结构的安装、检修和拆换工作。[2]

2.原理

当螺母的端面与工件端面接触后，阻力矩急剧上升，转动的螺旋槽使滚珠带着主动冲击块克服摩擦力和工作弹簧的压力向后移动，使主动冲击块与从动冲击块互相啮合的牙脱离啮合。此时，从动冲击块不移动，而主动冲击块继续向后移動。在转过从动冲击块的牙后，由于工作弹簧的作用使主动冲击块瞬时前移，并沿螺旋槽产生一个角加速度，主动冲击块撞击从动冲击块，两牙产生碰撞。然后螺旋槽又使滚珠和主动冲击块后移，脱离啮合。这样周而复始产生一次又一次的碰撞，获得所需的冲击力矩，使螺母紧固。

如将电源开关接到反转位置即可拧出螺母。双重绝缘单相串励手持工具扳手在操作手柄上装有两只开关。一只为工作开关，是操纵起动和停止的；另一只是专门为改变电枢正反转而设置的，两只开关不可接反。[3]

3.结构

手持工具扳手有安全离合器式和冲击式两种结构型式。

安全离合器式是一种采用达到一定力矩时就脱扣的安全离合器机构，来完成装拆螺纹件的结构型式；冲击式则是采用冲击机构，以其冲击力矩完成装拆螺纹件的结构型式。前者由于其结构简单，输出力矩较小，且存在一定的反作用力矩，一般仅适于制造M8mm及以下的手持工具扳手；后者结构较复杂，制造工艺要求高，但其输出力矩大，且反作用力矩甚小，一般适于制造较大规格的手持工具扳手。

冲击式手持工具扳手由电动机、行星齿轮减速器、滚珠螺旋槽冲击机构、正反转电源开关、电源联接装置件和机动套筒等组成。

冲击式手持工具扳手按选用电动机的类型有单相串励手持工具扳手和三相手持工具扳手。

单相串励手持工具扳手的电动机装置在塑料外壳内。塑料外壳既用作支承电动机的结构件，又是电动机定子的附加绝缘。由于冲击式手持工具扳手在装配或拆卸螺纹件时，装置电动机的塑料外壳的端面与装置行星齿轮减速器和滚珠螺旋槽冲击机构的塑料前罩壳间存在着较大的轴向拉力，以及行星齿轮减速器要求有较高的装配精度，因此在塑料外壳的止口、轴承室和螺纹联接处均设置金属嵌件，以增强外壳的刚性，提高塑料外壳的加工精度和联接处承受轴向力的能力。[2]

4.工具的触电保护措施《手持式电动工具的管理、使用检查和维修安全技术规程》（GB3787-93）中，将手持电动工具按触电保护措施的不同分为三类：

Ⅰ类工具：靠基本绝缘外加保护接零（地）来防止触电；

Ⅱ类工具：采用双重绝缘或加强绝缘来防止触电；

Ⅲ类工具：采用安全特低电压供电且在工具内部不会产生比安全特低电压高的电压来防止触电。

5.根据环境合理选用

在一般场所，应选用Ⅱ类工具；工具本体良好的双重绝缘或外加绝缘是防止触电的安全可靠的措施。如果使用Ⅰ类工具，必须采用漏电保护器或经安全隔离变压器供电；否则，使用者须戴绝缘手套或站在绝缘垫上。

在潮湿场所或金属构架上作业，应选用Ⅱ类或Ⅲ类工具。如果使用Ⅰ类工具，必须装设额定动作电流不大于30mA、动作时间不大于0.1s的漏电保护器。

在狭窄场所（如锅炉内、金属容器内）应使用Ⅲ类工具。如果使用Ⅱ类工具，必须装设额定漏电动作电流不大于15mA、动作时间不大于0.1s的漏电保护器。且Ⅲ类工具的安全隔离变压器、控制箱、电源联接器等和Ⅱ类工具的漏电保护器必须放在外面，并设专人监护。此类场所严禁使用Ⅰ类工具。

在特殊环境，如湿热、雨雪、有爆炸性或腐蚀性气体的场所，使用的手持电动工具还必须符合相应环境的特殊安全要求。

6.Ⅰ类工具的保护接零

前已述及，Ⅰ类工具是靠基本绝缘外加保护接零（地）来防止触电的。采用保护接零的Ⅰ类工具，保护零线应与工作零线分开，即保护零线应单独与电网的重复接地处连接。为了接零可靠，最好采用带有接零芯线的铜芯橡套软电缆作为电源线，其专用芯线即用作接零线。保护零线应采用截面积不小于1.5mm2的铜线。工具所用的电源插座和插销，应有专用的接零插孔和插头，不得乱插，防止把零线插入相线造成触电事故。

应当指出，虽然采取了保护接零措施，手持电动工具仍可能有触电的危险。这是因为单相线路分布很广，相线和零线很容易混淆，这时，相线和零线上一般都装有熔断器，零线保险熔断，而相线保险尚未熔断，就可能使设备外壳呈现对地电压，以酿成触电事故。因此，这种接零不能保证安全，尚须采用其他安全措施。

7.使用与保管

1、手持式电动工具必须有专人管理、定期检修和健全的管理制度。

2、每次使用前都要进行外观检查和电气检查。

外观检查包括：

（1）外壳、手柄有无裂缝和破损，紧固件是否齐全有效；

（2）软电缆或软电线是否完好无损，保护接零（地）是否正确、牢固，插头是否完好无损；

（3）开关动作是否正常、灵活、完好；

（4）电气保护装置和机械保护装置是否完好；

（5）工具转动部分是否灵活无障碍，卡头牢固。

电气检查包括：

（1）通电后反应正常，开关控制有效；

（2）通电后外壳经试电笔检查应不漏电；

（3）信号指示正确，自动控制作用正常；

（4）对于旋转工具，通电后观察电刷火花和声音应正常。

参考文献：

[1]邹慧君，汪利，王石刚，郭为忠；机械产品概念设计及其方法综述[J]；机械设计与研究；1998年02期

[2]谢友柏；产品的性能特征与现代设计[J]；中国机械工程；2000年Z1期