自动断气式气螺刀工作原理与设计方法

丛林，钟毅

（青岛前哨风动工具制造技术有限公司，山东 青岛266000）

1 引言

气螺刀作为螺钉拧紧工具广泛应用于汽车、火车、飞机、家电等行业。而在实际生产中用的最多的是直接驱动式和打滑离合器式，这两种气螺刀主要的局限是无法精确控制扭矩，主要依靠操作者松开扳机的时间和离合器打滑的时间来决定[1]。其次是施加的力矩过大和作业时产生的振动会造成螺钉和螺刀头的损坏，影响安装或装配的质量，螺刀作业时产生的噪音、振动和反作用扭矩也会对操作者的健康造成伤害。自动断气式的气螺刀可以完美解决以上问题，另外，由于离合器达到预定扭矩时反应迅速，通过切断气源使发动机动力失效，避免了像打滑离合器两牙盘转动导致的零件损耗，大大提升了产品的使用寿命。

2 气螺刀设计

2.1 结构和原理

该气螺刀主要由枪式手柄10、双向叶片式气动发动机7、减速器4、离合器2 等组成，见图1。

图1 气螺刀的结构总图

双向发动机7 和枪式手柄10 上的气路孔道的正确对合主要是依靠键14 来保证的。枪式手柄10 上装有气管接头11、 消声器12、按钮开关13、换向开关8 和换向阀9。

离合器壳体1 与内齿套3 呈左螺纹连接。

气螺刀装配时必须拧紧内齿套3 （左螺纹），这样便可以通过减速器的隔套5、碟型垫片6、双向气动发动机组件中的轴承盖、前盖、后盖、气缸和前后两个滚动轴承的外环把发动机组件紧压在枪式手柄的后端面上。发动机的转子两端面与前后盖端面之间保证了规定的间隙，转子既转动灵活又不会因为松动间隙过大而使发动机功率下降。

2.1.1 工具启动

图2 中，当将按钮开关26 按下以后，阀15被打开，压缩空气从气管接头17 经阀15 和换向阀5 输入发动机4 并驱动发动机旋转。发动机4 带动减速器3，而减速器3 上的传扭块11与离合器外套10 上的拨爪咬合带动离合器1旋转。此时双向发动机4 上的扭矩通过减速器3 和离合器1 传递给螺刀头（图中未标示），以便拧紧螺纹紧固件。

图2 气螺刀的工作原理

2.1.2 扭矩的传递

发动机4 产生的扭矩经过行星齿轮减速器3 放大后通过齿轮架2 的内六角孔传递给传扭块11，传扭块11 通过与离合器外套10 的拨爪咬合将扭矩传给离合器外套10，离合器外套10 借助钢球21 与离合器轴7 同步旋转，离合器输出轴7 头部的六角头将扭矩传递给扳轴6，最后扳轴6 将扭矩传递给螺刀头，将螺钉拧紧。钢球21 安装在离合器外套10 的径向孔中，呈三等分分布。钢球21 同时与离合器轴7 上的钢球槽和锥压环9 接触。在限力弹簧20的作用下，锥压环9 使钢球21 紧紧地压在离合器轴7 的钢球槽内。这一压力越大，离合器外套10 和离合器轴7 结合处的摩擦力越大，传递的扭矩就越大，反之亦然。因此，这一压力的大小影响扳轴6 输出扭矩的大小。所以限力弹簧20 的制造精度和预压力直接影响气螺刀的扭矩。

2.1.3 扭矩的控制与断气原理

在拧紧螺钉的过程中（见图2），发动机4输出的有效功率随着螺刀头上的负载扭矩（螺钉的拧紧力矩）增加而加大，离合器外套10 上的扭矩也相应加大，并在扭转的过程中通过离合器轴7 上相邻钢球槽之间的凸起部位将均布在离合器外套上的三个钢球21 向外挤压，因为结构限制导致向外挤压的钢球21 只能推动锥压环9 做轴向前移，弹簧座8 在锥压环9的推动下前移，随着弹簧座8 前移，限力弹簧20 被迫压缩，当钢球21 挤压锥压环9 产生的轴向力大于限力弹簧20 的顶压力时，弹簧座8不断前移压缩限力弹簧20，一直到负载扭矩达到要求控制的输出扭矩值时，钢球21 挣脱锥压环9 的限制，被扭转的离合器外套10 由原先的钢球槽经凸起处的细槽挤进相邻的钢球槽，此时的离合器外套10 和离合器轴7 不再同步旋转。离合器轴7 上的开关轴套24 在被钢球23 挤压的过程中因弹簧22 压缩被迫下移，原先一直被限制轴向前移的复位销18 随着开关轴套24 的下移在断气阀杆12 的推动下向前移动，与断气阀杆12 另一端呈螺纹连接的开关阀14 在压缩空气的作用下与封气套13 贴合将气路切断，发动机4 停止运转，气螺刀自动停车。松开按钮开关26，阀15 在塔形弹簧16 的作用下复位，气路闭合，开关阀14 失去了压缩空气的推动并在之前被压缩蓄能的弹簧25 的反弹下复位。与此同时，复位销和开关轴套也恢复到原始位置。

2.2 发动机设计

2.2.1 双向叶片式发动机气路原理[2]

图3 中，当发动机转子正转时，B 孔进气,C孔（主排气口）排气。进入发动机的压缩空气对叶片3 做功之后立即从C 孔排至大气。当叶片旋转到C 孔的左侧，位于两叶片之间的被压缩的余气通向A 孔，并从A 孔流向气路换向机构的换向阀，再经过气路孔道排至大气。经A孔排至大气的只是一小部分余气，故A 孔被称为副排气孔。当发动机转子反转时，A 孔变为进气口，B 孔为副排气口，C 孔仍为主排气口。

图3 双向叶片式气动发动机气路原理图

2.2.2 发动机参数计算

（1）功率

当没有外加载荷，即发动机空转时，转速最高，即n=nmax，发动机输出功率P=0。如果有外加载荷，则有以下三种情况[3]：

（a） 外加载荷小于发动机最大输出扭矩Mmax时（不等于0.5 Mmax），不能发挥发动机最大功率。

（b）外加载荷大于或等于Mmax时，发动机克服不了外加力矩而停转，即n=0，P=0。

（c） 外加载荷等于0.5 Mmax，即n=0.5 nmax时P=Pmax（额定功率），此时发动机输出功率最大，效率最高。

式中 Pmax——最大功率，kW

η——机械传递效率

Mmax——扭矩，N.m

nmax——转速，r/min

机械传递效率η，零级减速取1，一级取0.9～0.95，二级取0.8～0.85。

（2）扭矩

扭矩的直线方程[1]为

任意转速下的扭矩公式为

当转速n=0 时，发动机的扭矩最大，随着转速升高，扭矩降低，n=nmax时，M=0。n=0.5 nmax时，发动机的扭矩最适用，此时的扭矩为额定扭矩。

（3）耗气量

影响耗气量的因素比较复杂，难以准确推论，它的近似计算公式[1]是：

式中 Qmax——最大耗气量，m3/min

QP——功率最大时的耗气量，m3/min

2.3 减速器设计

气螺刀的减速器为NGW 型行星齿轮减速器，在知道了发动机的额定功率P、额定转速n、传动比ip后设计步骤如下[4]：

2.3.1 进行配齿计算

根据相关公式确定行星齿轮传动中各轮的齿数

式中 p——微型行星齿轮特性参数

Za——转子齿数

Zb——内齿轮齿数

ip——传动比

微型行星齿轮特性参数p 取2～8，传动比ip一般取3～9。

因为进行了角度变位，所以行星齿轮的齿数应按照如下公式计算

因为气螺刀Zb-Za的齿数差为偶数，故行星轮C 的齿数修正量ΔZc=-1。

2.3.2 验算各轮齿数满足的条件

在确定了各轮齿数后根据相关公式验算行星齿轮传动的传动比条件、邻接条件、同心条件和安装条件。这些条件无论那种类型行星齿轮传动都必须满足。否则不能保证传动的正常工作。

2.3.3 初步计算主要参数

对于NGW 型行星齿轮传动，可以按照齿面接触强度的计算公式（8）计算中心轮a 的分度圆直径d1。然后根据公式（9）计算出齿轮的模数m。

式中 d1——中心轮A 分度圆的直径，mm

Kd——算式系数

T1——中心轮A 的额定扭矩，N.m

KA——系数

KH∑——行星轮数

KHp——行星轮间载荷分布不均匀系数

φd——小齿轮齿宽系数

μ——齿数比

σHLim——齿轮接触疲劳极限

本文中，算式系数Kd取768，系数KA取1，行星轮数KH∑为3 时，KHp取1.8～2.4，小齿轮齿宽系数φd≤0.75，σHLim的选取参阅文献[5]第六章第二节图6-8。

2.3.4 啮合参数计算

为了改善齿轮的传动性能，满足啮合的同心条件和强度条件等，根据已知条件和公式（10）求出中心距变动系数γ、啮合角α′、变位系数和X∑及齿顶高变动系数Δγ 值。再根据各齿轮副中的齿数和Z∑及其啮合角α′，采用图3-2（参阅文献[5]第三章第二节图3-2），将变位系数和X∑分配给各个齿轮，确定大小齿轮的变位系数。

式中 αac′,αbc′——齿轮副A-C 和B-C 角度变位后的啮合中心距

αac,αbc——两啮合齿轮副 （非变位）的标准中心距

Z——齿数

式中 a——齿轮副非变位的中心距，mm

α——压力角，其标准值α=20°

inv α——标准压力角的渐开线函数

inv α′——啮合角α′的渐开线函数 （具体数值查询机械设计手册）

本文中，标准压力角的渐开线函数inv α=tan α-α，inv α′的具体数值查询机械设计手册。

2.3.5 几何尺寸和传动效率计算

根据上述公式得到的参数后查询机械设计手册可以计算出其他几何尺寸。传动效率根据下式计算

p—— 行星排特性参数

2.4 离合器设计

离合器的设计主要是限力弹簧的设计[5]。因篇幅有限，具体的设计方法可查询机械设计手册。输出扭矩的调节从前面扭矩控制的分析可知，调节限力弹簧的预压力可改变锥压环对钢球的径向压力，达到调节扳轴输出扭矩的目的。

2.5 手柄设计

手柄主要是人机工程学方面的设计，本文中气螺刀的手柄采用分体式设计（见图4），手柄外套3 和橡胶套2 使用PA6+30GF 和耐油橡胶材质。这种设计避免了因机械运动产生的撞击、 摩擦所导致的共振。手柄设计为非平衡式 （手柄重心不在中间），并且允许使用高握位进行作业，高握位可以更好地人为施加进给力。在作业过程中可以变换握持方式，这样可以使扣动扳机的手指频繁替换，使手指伸缩肌得到足够的休息，大大降低患扳机指的风险[6]。

图4 气螺刀手柄