手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)概述

王峰

摘 要 手動齒輪操縱緊固裝置在機械、船舶、車輛、醫(yī)療等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文基于對該領(lǐng)域涉及轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)的國內(nèi)外專利申請的分析，總結(jié)出該領(lǐng)域的技術(shù)分支和發(fā)展脈絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上對未來研究熱點做了展望，為手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大領(lǐng)域的技術(shù)研究提供了參考。

關(guān)鍵詞 緊固裝置 齒輪 轉(zhuǎn)矩 放大

中圖分類號：TH132文獻標識碼：A

1概述

手動齒輪操縱轉(zhuǎn)矩放大緊固裝置主要包括手動齒輪操縱轉(zhuǎn)矩放大扳手，其又稱加力扳手或增力扳手，是用于緊固或拆卸螺栓、螺母等緊固件的專用工具，一般主要由手動操作手柄、力矩倍增器、反力臂、套筒扳頭等部分組成。使用此類扳手時，操作人員僅需施加很小的力，即可得到上百倍的轉(zhuǎn)矩輸出，從而完成強力緊固件的拆裝。相較于電動扳手和液壓扳手，手動齒輪操縱轉(zhuǎn)矩放大扳手具有體積小、便于攜帶、操作方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于機械、船舶、車輛、醫(yī)療等領(lǐng)域。

2技術(shù)發(fā)展分析

2.1主要技術(shù)分支

手動齒輪操縱轉(zhuǎn)矩放大緊固裝置中的轉(zhuǎn)矩放大是借助力矩倍增器實現(xiàn)的，力矩倍增器中設(shè)置有齒輪傳動機構(gòu)，其傳動比一般小于1，從而達到減速增力的效果，圍繞著手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)的改進主要是針對齒輪傳動結(jié)構(gòu)的改進，其大致包括：傳動結(jié)構(gòu)具體類型的選擇、放大級數(shù)的設(shè)定、不同類型傳動機構(gòu)的組合、傳動結(jié)構(gòu)中離合結(jié)構(gòu)的設(shè)置以及傳動比的調(diào)節(jié)等幾個方面。

2.2技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)的發(fā)展自20世紀初開始已歷經(jīng)百年，通過對相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾埖拈喿x分析，可將其發(fā)展脈絡(luò)簡單梳理如下。

1917年，第一支具有轉(zhuǎn)矩放大功能的手動齒輪操縱緊固裝置被首次以專利申請的形式提出，其采用單級蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩放大，還利用了蝸輪蝸桿的自鎖特性實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的單向傳遞;在此基礎(chǔ)上，1960年又提出了三級蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，進一步提高了轉(zhuǎn)矩放大倍率。

傳統(tǒng)的直齒外齒輪傳動機構(gòu)由于采用外嚙合的傳動方式，因此對徑向空間要求較高，對此，1931年提出了采用齒輪齒圈傳動的轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)，將外嚙合改為內(nèi)嚙合，徑向尺寸大為減小;行星齒輪傳動機構(gòu)作為在此基礎(chǔ)上的一種改進形式，于1949年被首次提出;此后還發(fā)展了多級的行星齒輪傳動機構(gòu);1954年提出了可逆向傳動的行星齒輪傳動機構(gòu)，通過逆向傳動，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的放大，可用于扭矩要求較低的場合，提高了工作效率;然而上述過程是通過將輸入端與輸出端對調(diào)實現(xiàn)的，操作并不便捷，對此，1958年提出了能夠自動切換傳動比的轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)，提高了操作便利性;此外，具有離合功能的行星齒輪傳動機構(gòu)于1974年被首次用于手動齒輪操縱緊固裝置中，用戶通過外部按鈕，選擇是否鎖死行星齒輪傳動機構(gòu)，從而在轉(zhuǎn)矩放大和不放大兩種模式間切換;1983年，能夠在單、雙級之間切換的行星齒輪傳動機構(gòu)被用于該領(lǐng)域中，通過撥動開關(guān)，用戶可以選擇單級或雙級轉(zhuǎn)矩放大。

離合功能在直齒輪傳動機構(gòu)中同樣得到應(yīng)用，并于1969年被首次提出;此外，為了獲得不同的轉(zhuǎn)矩放大倍率，于1990年和1993年分別提出了具有兩個輸入端的和具有兩個輸出端的雙級直齒輪傳動機構(gòu)，通過傳力路線的改變調(diào)整傳動比。

采用錐齒輪傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)于1972年被提出，1979年發(fā)展出雙級錐齒輪傳動機構(gòu)，此類傳動機構(gòu)具有靈活調(diào)節(jié)扭矩輸出角度的優(yōu)點，因此針對操作空間狹小且無法直接傳力的場合較為適用。

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的遠距離傳遞，1974年，配合有齒形帶的齒輪傳動機構(gòu)應(yīng)用于該領(lǐng)域中，此類緊固裝置特別適用于諸如輸電桿塔等需要遠程操作的場合。

1973年，諧波齒輪傳動機構(gòu)在該領(lǐng)域的應(yīng)用被首次提出，諧波齒輪傳動系統(tǒng)主要由波發(fā)生器、柔性齒輪、剛性齒輪三部分組成，其具有結(jié)構(gòu)簡單、零件少、體積小、傳動比范圍大等特點;相應(yīng)的具有離合功能的諧波齒輪傳動機構(gòu)于1990年被提出。

近年來還提出了許多新型的傳動機構(gòu)，如型楔減速增力傳動機構(gòu)、活齒減速增力傳動機構(gòu)、齒輪銷軸傳動機構(gòu)等，此外，不同類型的傳動機構(gòu)還常常被相互組合以期同時獲得不同傳動機構(gòu)的優(yōu)點。

2.3研究熱點展望

雖然圍繞手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)的研究已歷經(jīng)百年，但仍有進一步深入的空間。如傳動比的控制優(yōu)化，目前大多數(shù)傳動比可調(diào)的手動齒輪操縱緊固裝置都選擇通過手動的方式來調(diào)節(jié)傳動比，這類似于手動擋汽車，操作上始終不及自動擋方便，那么是否能夠設(shè)計出“自動擋”的手動齒輪操縱緊固裝置呢？答案是肯定的，也確有研發(fā)人員提出過這樣的設(shè)計理念，但技術(shù)尚未成熟，如何令“自動擋”的手動齒輪操縱緊固裝置成為一種技術(shù)成熟的產(chǎn)品得以推廣，值得相關(guān)研發(fā)人員深入研究。

3結(jié)語

本文通過系統(tǒng)的梳理手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大領(lǐng)域的技術(shù)分支和發(fā)展脈絡(luò)，發(fā)現(xiàn)圍繞手動齒輪操縱緊固裝置轉(zhuǎn)矩放大技術(shù)的改進是多維的、復(fù)合的，雖然該項技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了長達一個世紀的發(fā)展，但仍有值得改進的地方，在今后的研發(fā)中，科研工作者不妨從傳動比控制優(yōu)化等方面進行深入研究。

參考文獻

[1] 王萬元.數(shù)顯式行星齒輪力矩放大扳手的設(shè)計研究[J].工程科技I輯，2006（08）.

[2] 馮勇等.諧波齒輪機構(gòu)在力矩扳手中的應(yīng)用[J].硅谷，2014（16）.

[3] 王培俊等.變增力比行星增力工具與活齒增力機構(gòu)的研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，1996（03）.