一种液压扭矩倍增器的设计

摘 要:本文设计一种以电动液压泵作为动力的扭矩倍增器,介绍了扭矩倍增器的原理、内部结构以及选用液压泵的技术要求。该设计不但可以精确控制螺纹的预紧力,大大提高螺纹联结的质量,而且可以根据不同的螺栓大小设置与之相适应的预紧力,具有广泛的适用性。

关键词:液压泵 行星齿轮机构 扭矩倍增

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)11(c)-0011-01

1 引言

在螺栓装配中,为保证螺栓联接的可靠性及疲劳强度,必须使螺栓联接有足够的预紧力,这在很大程度上取决于扳手拧紧力矩的大小,但在机械行业中很多较大的机器需要高强度的预紧力,这个力量是一般工作人员在利用扭矩扳手中所不能或难以达到的。为此,我们计划设计一种液压扭矩倍增器。该装置以扭矩倍增器与液压泵的有机结合。扭矩倍增器扭矩倍增器是一种可以为操作者提供扭矩放大的装置,扭矩倍增器具有确定的扭矩放大比。液压泵是接在扭矩倍增器的输入端主要为其提供动力,提高工作的效率。

2 扭矩倍增器的设计

扭矩倍增器是由一圆周或行星齿轮组合在不同组合阶层来带动齿轮旋转出力,每一阶层齿轮扭矩放大倍率因数设为k(k的具体大小由齿轮的半径比决定,我们在这里设计k=5),在行星型齿轮系统中,扭矩是经由中心齿轮输入和输出。由三个或四个行星齿轮与中心齿轮结合带动旋转。倍增器外壳内的圆周齿轮与环绕内部行星型齿轮接合,但相对与内部行星齿轮旋转而言,旋转方向是相反的。反作用力臂可防止与圆周齿轮一体的外壳旋转,而使行星型齿轮绕中心齿轮旋转来带动驱动方头旋转,从而输出扭矩。如果没有反作用力臂则无法输出扭矩。

由公式:扭矩*转速=功率(由M=F·r,V=ω·r,P=F·V推得P=M×ω)可知当输入功率一定时,减小ω的值可使输出扭矩增大。故扭矩倍增器实际就是一个通过行星齿轮系降低ω值的装置。

作其中一个行星齿轮如图1所示,设外齿轮半径为R,其角速度即为输出角速度ω2,而半径为r的主动齿轮的角速度ω1即为输入角速度。它们是通过中间的齿轮传递能量的。假设这里没有能量的损失(以下所有计算都不计摩擦等能量损失),即输入的功率P1等于输出的功率P2。

故由上述的公式:P=M×ω得

M1×ω1=M2×ω2

又由内外齿轮的运动线速度V相等,即ω1·r=ω2·R

得:

即输入输出扭矩之比即为齿轮的半径比:R/r。

即一个这样的行星齿轮可以将扭矩倍增为R/r倍。我们将设计R=10cm、r=2cm这样一级行星齿轮便可以将扭矩增加为5倍。由于体积和能量损失的限制我们将选择3级行星齿轮系,这样便变可以将输入的扭矩增加为5×5×5=125倍。

3 液压泵的选择

倍增器有其优点即可以将输入的扭矩放大,但这同时又有其不可避免的缺点,那就是其输出端的输出太慢,就以上设计的为例,其扭矩放大125倍,则其输入输出的角速度之比也为125。这就以为这在人力输入125圈后其输出端才输出1圈。其工作效率会大大降低。所以我们会选择工作效率高的动力系统来代替人力的工作。

液压传动与传统的机械传动相比,具有传动功率大、调节控制方便、传动平稳、调速范围广等一系列优点,在现代机械特别是工程机械行业,越来越广泛地使用液压传动。而液压泵作为液压系统的核心元件,其技术水平和性能的高低,在很大程度上决定了主机的整体性能和质量。在设计这样的液压扭矩倍增器由于它是手工操作工具,因此设计时必须考虑减轻扳手体积和重量。为此,选用转速易于控制的电动液压泵作为动力装置。

通过选择与设计,我们将采用永久型全自动泵,无传感器,通过压力和时间控制。扭矩达到时在遥控器上发出可视信号,从而提供安全保障。

假设矩倍增器的输出扭矩为5000N·M,一个螺栓连接需要5圈即可拧紧,时间为5秒。

则:其输入扭矩应该为5000/125=40N·M

输入端需要拧5×125=625圈。

输入的角速度ω=625*3.14/5=392.5 rad/s。

故:由P=M×ω得:P=40×392.5=15700w

则我们要选择的液压泵输出功率约为15.7kw。

4 液压扭矩倍增器的设计

4.1 液压扭矩倍增器的结构及工作原理

液压扭矩倍增器是液压泵与扭矩倍增器的有机结合。液压倍增器主要由电动液压泵、两级行星齿轮机构、壳体、滚动轴承(组合为传统手动扭矩倍增器)套筒口和一套扳手套构成。当液压泵输出动力时,带动高速级行星齿轮机构的中心轮转动,该机构的另一中心轮(齿圈)则通过轴承与壳体固联;扭矩由系杆传送到低速级行星齿轮机构的中心轮上,该机构的另一中心轮(齿圈)则通过滚动轴承固定于壳体上;扭矩同时由系杆传送到扳手头上,实现对螺栓的拧紧。

4.2 电动液压泵的特点

●双速／三速的高速调节技术

●高性能的精确调节压力,扭矩设置的液压泵,配有冷却系统

●配有过载保护阀

●可定时断电,关闭马达,时间控制,自动关闭马达

●配有安全电动遥控器,电压24V

●压力表充甘油,一级,直径100mm

●带24V控制电压的远程安全操控

5 结论

(1)液压扭矩倍增器是电动液压泵与扭矩倍增器的有机结合,解决了高强度的,螺栓联接问题,原理新颖,装置可靠,使用方便。(2)采用液压泵作为动力,功率大、易于控制,符合工作要求。(3)操作时间短、快速、经济、噪音低、安全可靠。

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