电镐传动结构设计

摘 要：电镐是一种较为常见的鑿破用电动工具，俗称破坏之王，被工程建筑行业广泛应用于混凝土或砖石墙的凿破、铲除、开槽等。电镐的设计较为复杂，其传动系统不仅包含电动机构还包含气动机构，且二者为串联组合。本文结合喜利得电镐TE500-X（03）的设计实例，简要阐明了电镐传动系统的设计原理与方法，对电镐设计者由一定的参考价值。

关键词：电镐传动原理；活塞运动分析、连杆受力分析、齿轮参数；传动零件结构优化

电镐分为重型和轻型两种，重型主要用于开采及港口、道路等工程建设，轻型主要用于房屋改造、室内装修、管道敷设、机械安装等。TE500-X（03）为喜利得在2014-2017年间开发的一款手持式轻型电镐，市场价约为5000元/台，其体积417x108x140mm3、重量4.8Kg，额定输入功率为1250W，额定输入电压包含110-125V、220-240V，最大锤击频率53.4Hz，单次冲击能量约为7.5J，接触阻力max.160N，最大凿破效能1000cm3/min。在欧美、日韩及印度等年销量约为15000台，以其性能优越、运转稳定、维修率极低著称。

一、电镐的传动原理

电镐的传动结构一般包含动力单元（马达）、传动单元（齿轮箱、偏心轴和连杆）、能量转换单元（气缸）和执行单元（撞锤和凿子）几部分。以TE500-X（03）为例，电镐的典型传动结构如下图，其工作原理为：马达通过主动齿轮（小齿轮）驱动大齿轮旋转，大齿轮带动偏心轴旋转，偏心轴驱动连杆摆动，连杆带动动力活塞在导管/气缸内往复运动使导管内气体被频繁压缩和扩张，锤击活塞在导管内压缩（扩张）气体和空气压力的双重作用下往复运动冲击撞锤，撞锤推动凿子实现锤击和凿破作业。

二、 电镐传动设计之关键点

1. 导管内径/活塞外径 由于凿子的尺寸规格有对应的行业标准，不同品牌的凿子之间具有很强的互换性，导致导管内径也无形中被系列化。常见的轻型电镐导管内径有φ20、φ22、φ24、φ25、φ27、φ28、φ30、φ32、φ35、φ40mm等。导管内径大小直接影响电镐外形尺寸和活塞冲击力，以及导管内各密封活塞的价格。一般先结合设计电镐的输出参数要求根据经验或竞争对手机器的拆机分析结果先选用一个恰当的常见值，然后待活塞行程及马达参数等确定后再进一步优化。不建议选用非常见值，因为会导致密封元件无对应的标准件，定制密封件必然导致整机成本上升。本例中TE500-X（03）的要求的单次冲击能量为7.5J（与上一代相同），重量和体积均要求比上一代小，由于其上一代电镐的导管内径为φ32mm，故而传动方案设计中可初步选定导管内径D=φ27mm。

2. 活塞的运动分析 如上图，偏心轴旋转一周活塞完成一个运动周期，在一个运动周期内动力活塞与锤击活塞的间距L为变值。当偏心轴位于位置1锤击活塞位于锤击位置时两活塞间距L为设计值L0。 L0为气缸设计及仿真验证中一个重要可调参数，TE500-X（03）取L0=23mm。在偏心轴沿顺时针方向由位置1经位置2旋转到位置3的过程中，动力活塞和锤击活塞均由左向右运动，动力活塞速度大于锤击活塞速度，导管内为负压状态。在偏心轴沿顺时针方向由位置3经位置4旋转到1的过程中，动力活塞由右向左运动，锤击活塞则继续向右运动一段距离后返程，在锤击活塞运动方向转换前的瞬间（动力活塞约在位置4）两活塞间距L达到最小值Lmin（2-6mm），此时导管内压强Pmax达到最大值（>15bar），导管内高压气体爆破式为锤击活塞加速，锤击活塞在动力活塞即将回到位置1时高速冲击撞锤。之后重复下一个运动周期。在上述运动周期内，动力活塞行程完全由偏心轴偏心距r确定，锤击活塞行程约为L0+r-Lmin。取Lmin=4mm，由[P0*π*（D/2）2+160]*（L0+r-Lmin）>7.5x1000、P0=1bar=0.1N/mm2得r>15.5mm，考虑空间结构的紧凑性，取r=16mm。

3. 活塞、连杆及偏心轴受力 由活塞运动分析知动力活塞最大阻力为L=L0时压缩空气产生的压力，按极限情况（动力活塞以位置3为起始位置、导管内温度直接为最高工作温度）计算，此时压强Pmax=P0*（L0+2r）*T2/Lmin/T0，其中T2max.=110+273.2=383.2K、T0min.=-20+273.2=253.2K，计算得Pmax=2.1N/mm2。对应的动力活塞阻力FN=（Pmax-P0）*π*（D/2）2=1145N，连杆拉力FS=FN/sin[atan（s/r）*（180°/π）]=1205N。偏心轴输出扭矩TS=FS*r/1000=19.3N？m。

4. 传动齿参数 由偏心轴受力分析知传动齿轮传递的扭矩约为19.3N？m，结合机器空间结构尺寸及同等规格电镐的齿轮设计经验，齿轮模数选用1.125。根据设计任务书要求TE500-X（03）锤击频率不低于50Hz的，即输出齿轮（从动轮）的转速（偏心轴转速）N2>50*60=3000min-1。根据马达的特性曲线，输入电压为50-60Hz时对应的马达转速N0=20000-25000min-1。故而齿轮传动比Z1/Z2=N2/N0=3/25，受空间结构限制，取Z1=6，Z2=40。

三、 电镐传动零件的结构优化

电镐传动零件的结构优化主要包含齿轮结构优化、电机轴结构优化和连杆结构优化三部分。结构的优化属于比较细节性的工作，需结合传动零件的实际设计过程分别介绍。

1. 齿轮结构优化 TE500-X（03）的第一版齿轮为压力角α=20°、螺旋角β=25°的斜齿圆柱齿轮，模数mn=1.125、主动轮齿数z1=6、从动轮齿数z2=40、从动轮变位系数X2=-0.044、两齿轮中心距o1o2=28.5。两齿轮材质均为16MnCr5，精度等级10级，表明渗碳处理，表面硬度HRC56～62、渗碳层厚度0.3+0.2mm范围内HRC52。在G2的PT样机测试中发现，电镐工作时间到达其额定寿命的95%～125%时，从动轮几乎无损耗、而主动轮出现少量磨损、甚至个别蹦齿现象。利用金相分析仪对齿轮断裂处微观分析后发现，断裂处存在齿根圆角过小、少量根切、刀痕等加工缺陷。为避免小齿轮根切、协调主动轮和从动轮的啮合强度，在第一版的基础上作如下改进：增大齿根圆角；对两齿轮作变位处理（中心距29.1），主动轮正变位x1=0.6、从动轮负变位x2=-0.083；主动轮硬度由HRC56～62提高为HRC58～64。果然，在G3的QE小批量测试中，主动轮、从动轮均在电镐工作时间超过其额定寿命150%前无磨损。但是，在G4 的QN批量测试中，出现齿轮的轴向分力导致偏心轴摩擦齿轮箱盖板的情况。拆机分析后发现，是由于轴承盖板（兼具分担齿轮轴向力分的作用）在批量制作时尺寸误差增大，供应商自作主张按上限作极大值控制，致使部分盖板提供的反向预压力变小，当该预紧力和轴承轴向力不足以抵消齿轮轴向力时，偏心轴即在旋转中出现轴向波动。为解决这一问题，再次进行如下优化：将齿轮螺旋角β由25°变更为20°；变更轴承盖板之控制方式，加工时控制尺寸最小值、验收时检测弹力最小值。经过上述优化，最终批量生产的主动轮参数为mn=1.125、z1=6、α=20°、β=20°、x1=0.6，从动齿轮参数为mn=1.125、z2=40、α=20°、β=20°、x2=0.348，中心距o1o2=28.5mm。

2. 电机轴结构优化 在TE500-X（03）的传动系统中电机轴也就是马达转子轴，也可称为小齿轮轴或主动齿轮轴。其结构上分为主动齿轮段、轴承固定段和BMC注塑段（用于风扇、铁芯与绕组、换向器的固定）三部分。由上文齿轮参数可知小齿轮齿顶圆直径da1=φ10.58，为提高齿轮强度和方便其轴承（内孔φ10）安装，采用短齿制齿顶高系数，齿顶圆直径优化后为φ9.9+0-0.1mm。齿轮轴采用双轴承支承。近齿端为一侧骨架油封（齿轮侧）另一侧橡胶密封圈的深沟球SKF10x26x12.4。 采用一侧带骨架油封的轴承而不是常规的带密封圈的轴承的原因是齿輪箱内润滑和其它部位不同，其它部位为脂润滑而齿轮箱内为油润滑。近齿端轴承外圈压配于齿轮箱（铝合金压铸件），内孔与齿轮轴间采用过盈配合。远齿端采用两侧带密封圈的深沟球轴承SKF 8x22x7-2RS，远齿端轴承固定于马达外壳，内孔与齿轮轴间亦采用过盈配合。综合齿轮箱、轴承、齿轮轴（马达转子）、马达定子、电机外壳、装配夹具等尺寸公差计算后可知，电机装配后不仅齿轮轴轴向定位公差较大，而且定子和转子的同心度公差也偏大。但受供应商加工水平、工厂装配能力、零件成本等诸多因素的限制，这些公差很难进一步减小，甚至在某些极限环境中有增大的可能。为补偿齿轮轴安装的轴向和径向偏差，远齿端轴承座采用H-NBR材质，不仅可补偿轴向和径向偏差，还可以提供一定的预紧力给齿轮轴，缓冲齿轮轴轴向分力对电机外壳的影响。电机轴的BMC注塑段需设计两条槽底半径0.9mm、槽深0.2mm、螺距15mm的螺旋槽，一条左旋一条右旋完全对称，以增加BMC与电机轴间的附着力。此外，注塑时直接在近齿端轴承固定段和绕组段之间成型出花键轴，用于风扇的固定，以免除加工风扇固定用键齿，节约成本。

3. 连杆结构优化 连杆为塑料件，其一端通过柱销与动力活塞连接，最初柱销的轴向定位通过卡簧实现。但卡簧本身和其安装夹具及安装均存在成本，优化后取消卡簧，改为在柱销中部外圆面车削半径0.8mm深0.2mm的沟槽，对应的连杆孔内部设计半径0.5mm高0.1mm的凸起，利用塑胶件的弹性将两者压配安装。连杆另一端连接偏心轴，最初连接孔内设计有带PTFE图层的卷制铜套，衬套不仅产生额外成本也增加安装难度和工时。后来在巴斯夫工程师的建议下，取消衬套，连杆材料直接采用耐高温自润滑的Ultramid A3WC4。

四、总结

电镐传动设计涉及复杂的气动原理、曲柄滑块动力学和电机齿轮箱传动等。设计运算中很难单线进行，各数据间存在交叉调用反复调整的情况，如气缸的相关数据会影响齿轮马达的选择，马达齿轮的参数变化也会反过来影响气缸相关参数的设计。本文介绍的电镐设计知识比价适用于工程师前期方案设计，为后期详细结构设计和动力学仿真提供技术参考，减少设计仿真中盲目尝试成本，提高整体设计效率。

参考文献：

[1] 成大先， 《机械设计手册》（第六版） 化学工业出版社， 2016.

[2] 杜巧连，韩屋谷， 《液压与气动技术》 科学出版社， 2009-09-01.

[3] 邹慧君，张春林，李枸仪， 《机械原理》 高等教育出版社， 2006-5.

[4] 电锤（GB/T 7443-2007）， 中国标准出版社.

[5] 赵振杰， 《渐开线圆柱齿轮传动设计》 水利水电出版社， 2018-01.

作者简介：

张艳林，出生年月：1980.07.23，性别：女，民族：汉，籍贯：河南省 沈丘县，当前职务：机械工程师，学历：本科，研究方向：电动工具机械结构设计.