一種液壓扭矩倍增器的設計

摘 要:本文設計一種以電動液壓泵作為動力的扭矩倍增器，介紹了扭矩倍增器的原理、內部結構以及選用液壓泵的技術要求。該設計不但可以精確控制螺紋的預緊力，大大提高螺紋聯結的質量，而且可以根據不同的螺栓大小設置與之相適應的預緊力，具有廣泛的適用性。

關鍵詞:液壓泵 行星齒輪機構 扭矩倍增

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0011-01

1 引言

在螺栓裝配中，為保證螺栓聯接的可靠性及疲勞強度，必須使螺栓聯接有足夠的預緊力，這在很大程度上取決于扳手擰緊力矩的大小，但在機械行業中很多較大的機器需要高強度的預緊力，這個力量是一般工作人員在利用扭矩扳手中所不能或難以達到的。為此，我們計劃設計一種液壓扭矩倍增器。該裝置以扭矩倍增器與液壓泵的有機結合。扭矩倍增器扭矩倍增器是一種可以為操作者提供扭矩放大的裝置，扭矩倍增器具有確定的扭矩放大比。液壓泵是接在扭矩倍增器的輸入端主要為其提供動力，提高工作的效率。

2 扭矩倍增器的設計

扭矩倍增器是由一圓周或行星齒輪組合在不同組合階層來帶動齒輪旋轉出力，每一階層齒輪扭矩放大倍率因數設為k(k的具體大小由齒輪的半徑比決定，我們在這里設計k=5)，在行星型齒輪系統中，扭矩是經由中心齒輪輸入和輸出。由三個或四個行星齒輪與中心齒輪結合帶動旋轉。倍增器外殼內的圓周齒輪與環繞內部行星型齒輪接合，但相對與內部行星齒輪旋轉而言，旋轉方向是相反的。反作用力臂可防止與圓周齒輪一體的外殼旋轉，而使行星型齒輪繞中心齒輪旋轉來帶動驅動方頭旋轉，從而輸出扭矩。如果沒有反作用力臂則無法輸出扭矩。

由公式:扭矩*轉速=功率(由M=F·r，V=ω·r，P=F·V推得P=M×ω)可知當輸入功率一定時，減小ω的值可使輸出扭矩增大。故扭矩倍增器實際就是一個通過行星齒輪系降低ω值的裝置。

作其中一個行星齒輪如圖1所示，設外齒輪半徑為R，其角速度即為輸出角速度ω2，而半徑為r的主動齒輪的角速度ω1即為輸入角速度。它們是通過中間的齒輪傳遞能量的。假設這里沒有能量的損失(以下所有計算都不計摩擦等能量損失)，即輸入的功率P1等于輸出的功率P2。

故由上述的公式:P=M×ω得

M1×ω1=M2×ω2

又由內外齒輪的運動線速度V相等，即ω1·r=ω2·R

得:

即輸入輸出扭矩之比即為齒輪的半徑比:R/r。

即一個這樣的行星齒輪可以將扭矩倍增為R/r倍。我們將設計R=10cm、r=2cm這樣一級行星齒輪便可以將扭矩增加為5倍。由于體積和能量損失的限制我們將選擇3級行星齒輪系，這樣便變可以將輸入的扭矩增加為5×5×5=125倍。

3 液壓泵的選擇

倍增器有其優點即可以將輸入的扭矩放大，但這同時又有其不可避免的缺點，那就是其輸出端的輸出太慢，就以上設計的為例，其扭矩放大125倍，則其輸入輸出的角速度之比也為125。這就以為這在人力輸入125圈后其輸出端才輸出1圈。其工作效率會大大降低。所以我們會選擇工作效率高的動力系統來代替人力的工作。

液壓傳動與傳統的機械傳動相比，具有傳動功率大、調節控制方便、傳動平穩、調速范圍廣等一系列優點，在現代機械特別是工程機械行業，越來越廣泛地使用液壓傳動。而液壓泵作為液壓系統的核心元件，其技術水平和性能的高低，在很大程度上決定了主機的整體性能和質量。在設計這樣的液壓扭矩倍增器由于它是手工操作工具，因此設計時必須考慮減輕扳手體積和重量。為此，選用轉速易于控制的電動液壓泵作為動力裝置。

通過選擇與設計，我們將采用永久型全自動泵，無傳感器，通過壓力和時間控制。扭矩達到時在遙控器上發出可視信號，從而提供安全保障。

假設矩倍增器的輸出扭矩為5000N·M，一個螺栓連接需要5圈即可擰緊，時間為5秒。

則:其輸入扭矩應該為5000/125=40N·M

輸入端需要擰5×125=625圈。

輸入的角速度ω=625*3.14/5=392.5 rad/s。

故:由P=M×ω得:P=40×392.5=15700w

則我們要選擇的液壓泵輸出功率約為15.7kw。

4 液壓扭矩倍增器的設計

4.1 液壓扭矩倍增器的結構及工作原理

液壓扭矩倍增器是液壓泵與扭矩倍增器的有機結合。液壓倍增器主要由電動液壓泵、兩級行星齒輪機構、殼體、滾動軸承(組合為傳統手動扭矩倍增器)套筒口和一套扳手套構成。當液壓泵輸出動力時，帶動高速級行星齒輪機構的中心輪轉動，該機構的另一中心輪(齒圈)則通過軸承與殼體固聯;扭矩由系桿傳送到低速級行星齒輪機構的中心輪上，該機構的另一中心輪(齒圈)則通過滾動軸承固定于殼體上;扭矩同時由系桿傳送到扳手頭上，實現對螺栓的擰緊。

4.2 電動液壓泵的特點

●雙速／三速的高速調節技術

●高性能的精確調節壓力，扭矩設置的液壓泵，配有冷卻系統

●配有過載保護閥

●可定時斷電，關閉馬達，時間控制，自動關閉馬達

●配有安全電動遙控器，電壓24V

●壓力表充甘油，一級，直徑100mm

●帶24V控制電壓的遠程安全操控

5 結論

(1)液壓扭矩倍增器是電動液壓泵與扭矩倍增器的有機結合，解決了高強度的，螺栓聯接問題，原理新穎，裝置可靠，使用方便。(2)采用液壓泵作為動力，功率大、易于控制，符合工作要求。(3)操作時間短、快速、經濟、噪音低、安全可靠。

參考文獻

[1]張幼軍，玉榮.行星齒輪減速器的優化設計[J].組合機床與自動化加工技術，2008，(10).

[2]羅德剛.集成型復合控制液壓泵[D].貴州大學，2007.

[3]胡青春，閔銳，段福海.兩級行星齒輪傳動系統多目標優化設計研究[J].現代制造工程，2008，(3).

[4]田立超.中高壓液壓泵CAT系統設計與研究[D].福州大學，2002.