淺談創新設計方法在手持工具扳手設計中的應用與研究

劉琛逸

摘要：機械行業發展日新月異，隨之帶來對機械工具的性能要求也越來越高，如何實現工具更高效的工作，必須對工具進行創新設計。本文以扳手產品為例，對機械產品的創新問題進行分析，并按照創新理論對手動扳手進行創新設計，闡述了扳手創新設計方案的思路、原理及設計過程，并對設計方案進行了評價，表明創新設計方法能較好的應用于手動扳手的設計中。

關鍵詞：創新設計方法；；手持工具扳手；；應用與研究

1簡述

手持工具扳手的產品名稱型號不同，用途使用范圍也不同。這里介紹定轉矩手持工具扳手，供使用參考。

定轉矩手持工具扳手是一種能自動控制轉矩的手持工具扳手。它適用于需要用高強度螺栓連接的橋梁結構、大型鋼塔、鋼結構廠房、冶金設備的構架、大型起重機架、礦井鋼架等工程中及大型柴油機、發電設備、化工設備中，要求恒定的夾緊力連接的螺栓也可用定轉矩扳手來緊固。

特別在現代橋梁建設中，定轉矩手持工具扳手是實現以“栓焊梁”代替“鉚焊梁”的有效工具。這對簡化工地安裝工序、降低建橋成本、減輕勞動強度，從而加速橋梁建設具有較大的意義。

定轉矩手持工具扳手的轉矩以電氣裝置來進行控制。這種手持工具扳手具有耗電量少、噪聲小、調節靈活、能自動停機、轉矩穩定等優點。

我國自行設計、制造的120kgf？m定轉矩手持工具扳手是一種靜轉矩結構的扳手。它可作為高強度螺栓的終擰工具，即把初擰過的螺栓再擰到規定的力矩。[1]

手持工具扳手是裝卸螺紋聯接件的手持式電動工具，廣泛應用于汽車、拖拉機、電機電器、動力機械、閥門、水泵、紡織機械等制造業的裝配工作中，在化工、水泥預制件、塑料成型等作業中則用于生產流程中裝拆真空罐、反應釜和水泥模板、帶螺紋塑料件的脫模工作；也可用在鐵道、橋梁、建筑等工程中作水泥軌枕、桁架節點、角鋼腳手架等結構的安裝、檢修和拆換工作。[2]

2.原理

當螺母的端面與工件端面接觸后，阻力矩急劇上升，轉動的螺旋槽使滾珠帶著主動沖擊塊克服摩擦力和工作彈簧的壓力向后移動，使主動沖擊塊與從動沖擊塊互相嚙合的牙脫離嚙合。此時，從動沖擊塊不移動，而主動沖擊塊繼續向后移動。在轉過從動沖擊塊的牙后，由于工作彈簧的作用使主動沖擊塊瞬時前移，并沿螺旋槽產生一個角加速度，主動沖擊塊撞擊從動沖擊塊，兩牙產生碰撞。然后螺旋槽又使滾珠和主動沖擊塊后移，脫離嚙合。這樣周而復始產生一次又一次的碰撞，獲得所需的沖擊力矩，使螺母緊固。

如將電源開關接到反轉位置即可擰出螺母。雙重絕緣單相串勵手持工具扳手在操作手柄上裝有兩只開關。一只為工作開關，是操縱起動和停止的；另一只是專門為改變電樞正反轉而設置的，兩只開關不可接反。[3]

3.結構

手持工具扳手有安全離合器式和沖擊式兩種結構型式。

安全離合器式是一種采用達到一定力矩時就脫扣的安全離合器機構，來完成裝拆螺紋件的結構型式；沖擊式則是采用沖擊機構，以其沖擊力矩完成裝拆螺紋件的結構型式。前者由于其結構簡單，輸出力矩較小，且存在一定的反作用力矩，一般僅適于制造M8mm及以下的手持工具扳手；后者結構較復雜，制造工藝要求高，但其輸出力矩大，且反作用力矩甚小，一般適于制造較大規格的手持工具扳手。

沖擊式手持工具扳手由電動機、行星齒輪減速器、滾珠螺旋槽沖擊機構、正反轉電源開關、電源聯接裝置件和機動套筒等組成。

沖擊式手持工具扳手按選用電動機的類型有單相串勵手持工具扳手和三相手持工具扳手。

單相串勵手持工具扳手的電動機裝置在塑料外殼內。塑料外殼既用作支承電動機的結構件，又是電動機定子的附加絕緣。由于沖擊式手持工具扳手在裝配或拆卸螺紋件時，裝置電動機的塑料外殼的端面與裝置行星齒輪減速器和滾珠螺旋槽沖擊機構的塑料前罩殼間存在著較大的軸向拉力，以及行星齒輪減速器要求有較高的裝配精度，因此在塑料外殼的止口、軸承室和螺紋聯接處均設置金屬嵌件，以增強外殼的剛性，提高塑料外殼的加工精度和聯接處承受軸向力的能力。[2]

4.工具的觸電保護措施《手持式電動工具的管理、使用檢查和維修安全技術規程》（GB3787-93）中，將手持電動工具按觸電保護措施的不同分為三類：

Ⅰ類工具：靠基本絕緣外加保護接零（地）來防止觸電；

Ⅱ類工具：采用雙重絕緣或加強絕緣來防止觸電；

Ⅲ類工具：采用安全特低電壓供電且在工具內部不會產生比安全特低電壓高的電壓來防止觸電。

5.根據環境合理選用

在一般場所，應選用Ⅱ類工具；工具本體良好的雙重絕緣或外加絕緣是防止觸電的安全可靠的措施。如果使用Ⅰ類工具，必須采用漏電保護器或經安全隔離變壓器供電；否則，使用者須戴絕緣手套或站在絕緣墊上。

在潮濕場所或金屬構架上作業，應選用Ⅱ類或Ⅲ類工具。如果使用Ⅰ類工具，必須裝設額定動作電流不大于30mA、動作時間不大于0.1s的漏電保護器。

在狹窄場所（如鍋爐內、金屬容器內）應使用Ⅲ類工具。如果使用Ⅱ類工具，必須裝設額定漏電動作電流不大于15mA、動作時間不大于0.1s的漏電保護器。且Ⅲ類工具的安全隔離變壓器、控制箱、電源聯接器等和Ⅱ類工具的漏電保護器必須放在外面，并設專人監護。此類場所嚴禁使用Ⅰ類工具。

在特殊環境，如濕熱、雨雪、有爆炸性或腐蝕性氣體的場所，使用的手持電動工具還必須符合相應環境的特殊安全要求。

6.Ⅰ類工具的保護接零

前已述及，Ⅰ類工具是靠基本絕緣外加保護接零（地）來防止觸電的。采用保護接零的Ⅰ類工具，保護零線應與工作零線分開，即保護零線應單獨與電網的重復接地處連接。為了接零可靠，最好采用帶有接零芯線的銅芯橡套軟電纜作為電源線，其專用芯線即用作接零線。保護零線應采用截面積不小于1.5mm2的銅線。工具所用的電源插座和插銷，應有專用的接零插孔和插頭，不得亂插，防止把零線插入相線造成觸電事故。

應當指出，雖然采取了保護接零措施，手持電動工具仍可能有觸電的危險。這是因為單相線路分布很廣，相線和零線很容易混淆，這時，相線和零線上一般都裝有熔斷器，零線保險熔斷，而相線保險尚未熔斷，就可能使設備外殼呈現對地電壓，以釀成觸電事故。因此，這種接零不能保證安全，尚須采用其他安全措施。

7.使用與保管

1、手持式電動工具必須有專人管理、定期檢修和健全的管理制度。

2、每次使用前都要進行外觀檢查和電氣檢查。

外觀檢查包括：

（1）外殼、手柄有無裂縫和破損，緊固件是否齊全有效；

（2）軟電纜或軟電線是否完好無損，保護接零（地）是否正確、牢固，插頭是否完好無損；

（3）開關動作是否正常、靈活、完好；

（4）電氣保護裝置和機械保護裝置是否完好；

（5）工具轉動部分是否靈活無障礙，卡頭牢固。

電氣檢查包括：

（1）通電后反應正常，開關控制有效；

（2）通電后外殼經試電筆檢查應不漏電；

（3）信號指示正確，自動控制作用正常；

（4）對于旋轉工具，通電后觀察電刷火花和聲音應正常。

參考文獻：

[1]鄒慧君，汪利，王石剛，郭為忠；機械產品概念設計及其方法綜述[J]；機械設計與研究；1998年02期

[2]謝友柏；產品的性能特征與現代設計[J]；中國機械工程；2000年Z1期