一種多頭一體式套筒扳手的分析與設計

王昕燁，陸 娟，方 云，朱勇杰，韓天龍，李澤延

（東北林業大學工程技術學院，黑龍 江哈爾濱 150040）

套筒扳手由于套在各類扳手之上的扳手頭形如筒狀，故被大家俗稱為套筒，在日常生活中常用于生產維修。套筒扳手往往有多個帶六角孔或十二角孔的套筒，并配有手柄、接桿等多種附件，一般使用在螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且由于外表低凹導致開口扳手或活動扳手不能作業的地方，特別適用于擰轉十分狹小或凹陷深處的螺栓或螺母，被廣泛應用于船舶、航空和汽車等領域。

如今市面上出現了許多新型的套筒扳手。但這些新形扳手的操作往往復雜且不穩定，如多功能套筒扳手[1]，因為形狀奇怪不易存放未被接受。導致工人在工廠里攜帶的依舊是老式的整箱套筒工具。而工人采用老式的套筒扳手，是看重原始工具的簡單方便，上手快。這些傳統扳手也存在一些明顯缺點，手柄不能折疊，占用面積大，十分不方便攜帶。現有的套筒扳手的套筒大多為固定安裝，無法更換，當需要使用其他型號的套筒時需要更換整個套筒扳手，工人攜帶壓力大，且會產生巨大的作業疲勞。

1 多頭一體式套筒扳手結構設計

多頭一體式套筒扳手是針對工人作業時攜帶工具多，負擔重的問題所設計的。可以實現一把扳手同時攜帶多個套筒頭，簡單更換，輕松作業。同時，一把扳手可以變為多種柄體形狀，可形成T 形扳手和L 形扳手2 種效果。

套筒扳手總體結構如圖1 所示，此扳手主要依靠可折疊桿以及旋轉卡槽實現多套筒多形制套筒扳手的更換。它主要由可折疊手桿1，套筒扳手容器2，柄體3，套筒4 以及磁鐵組成。其中套筒扳手容器為直徑80 mm的圓柱體，在中下部位有一條高度為16 mm 的滑道5，保證套筒在滑道內順利滑動。圓柱體側面有一條豎槽，上安置一個旋鈕6，保證套筒不會滑落[2]。

圖1 多頭一體式套筒扳手整體結構圖

基于油嘴套筒扳手[3]以及吸鐵套筒扳手[4]的研究設計，考慮在套筒與柄體之間用磁鐵加固。套筒4 底部為矩形凹槽，如圖2 所示，用于安置磁鐵。而柄體3 的頂部同樣為等大的矩形凹槽，安置同樣的鐵磁體物質，保證套筒能夠吸在柄體3 上。

圖2 套筒結構圖示意圖

當使用套筒時，旋開旋鈕6，將所使用的套筒4 旋轉至豎槽處，并劃出，放在柄體3 上部，通過磁鐵與鐵素體之間的吸引力將套筒吸附在柄體3 上。使用完畢后拔出套筒4 重新放回豎槽內，旋緊旋鈕防止其他套筒滑出。

可折疊桿如圖3 所示，由連接體2，折疊桿3 通過鉸接頭1 鉸接連接而成。在擰常規螺母時，往往采用普通直形扳手或L 型扳手即可完成工作，在針對機床等較牢固的螺母時，常用T 形扳手，通過改變臂長起到省力的效果[5]。

圖3 折疊桿細節放大圖

該多頭一體式套筒扳手總長350 mm，寬27.5 mm，手柄握處符合手握舒適度，直角能增大工人手部摩擦，防止因為出汗而造成擦滑。

該套筒扳手設計簡單，操作方便，成本低廉，占用面積小，可根據不同的螺母要求選擇不同型號的套筒自由組合，便于模塊化批量生產。

2 扳手靜力學建模分析

2.1 有限元模型的建立

有限元分析是指利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。利用相互作用單元，通過有限的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

該產品的主要受力點在于折疊桿和套筒連接處，對折疊桿進行有限元分析，用來校核可折疊桿連接處的變形問題以及應力大小。

2.1.1 前塊處理部分

（1）實體建模階段

在進行模擬仿真時，需要得到該實物的具體數據。首先用Unigraphics NX 對套筒扳手進行三維建模，將已繪制的CAD 套筒扳手二維平面圖，導入Unigraphics NX 軟件進行輪廓繪制，創建點線面關系圖。而后對已有的尺寸進行尺寸約束，調整輪廓大小。由于該套筒扳手主要由回轉體組成，通過回轉拉伸調整曲線等一系列操作得到三維模型，并以代碼的形式導出。

（2）網格分割階段

在不發生形變的前提下對整個結構進行小單元的分割。套筒扳手主要由回轉體以及六面體結構組成，細節部分形狀較復雜。通過ANSYS 程序的自由網格劃分器，可對復雜模型直接分割網格，避免了人為組裝時各部分網格分割不匹配帶來的麻煩[6]。將分割后的模型轉化為step格式后導入ANSYS 有限元分析軟件。

2.1.2 后塊處理部分

（1）材料數據代入

該扳手采用常用的鉻釩鋼材料（CR-V），在鋼的基礎上添加鉻、釩等合金元素，鉻釩均能增大索氏體化率、細化奧氏體和馬氏體晶粒，減小片層間距，耐高溫，加工性好，可淬火使用。彈性模量為202 500 MPa，泊松比為0.3，密度為7.86 g/cm3[7]。代入數據后得到具體應力值。

（2）結果呈現模式

分析結果以圖形形式顯示和輸出，結果直接體現在模型上，用不同的顏色代表模型上不同位置的應力值，濃淡圖則用不同的顏色代表不同部位的應力[6]范圍，清晰地反映了計算結果的區域分布情況。

2.2 有限元分析

該套筒扳手受力點成均勻對稱分布。經ANSYS 分析，如圖4 有限元分析圖所示，折疊桿處最大受力載荷為790 N，最大承受應力為296 MPa，該過程變形0.4 mm，應變變形為1.38，小于國家標準1.5，符合變形標準。

圖4 折疊桿有限元分析圖

套筒連接處通過2 個六面體以及磁鐵的磁吸力固定而成，該處可承受的最大應力為234 MPa，如圖5 所示。

圖5 套筒有限元分析圖

經有限元分析可知，較大受力點處可承受較大程度的扭力，符合日常生產需要，不會對結構造成破壞。

3 MOD 法對效率提高程度的驗證

通過與普通套筒扳手進行對比，利用MOD 法對工人扳手使用過程進行計算，并分析效率的提高程度。

由于該套筒扳手是基于更換套筒的過程而設計的新型扳手，以扳手的一個使用過程為一個單元，即套筒扳手的安裝套筒，拆卸套筒，安裝新套筒為一個使用循環過程進行MOD 分析。

現進行如下假設。

（1）對于普通的多頭更換的套筒扳手，所有的套筒均已被合理地按照順序放置，在替換套筒時不會花費時間尋找。

（2）套筒的擺放在身體腰部處，不需要彎腰拾取套筒，減少彎腰等浪費的時間。

普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析過程，見表1。

表1 普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析

多頭一體式套筒扳手的MOD 分析過程，見表2。

表2 多頭一體式套筒扳手的MOD 分析

由于MOD 法具有簡單實用的特點，運用此方法對工具的使用過程進行分析，其成本較低，同時可以體現新產品效率的提高程度。經MOD 分析可知，多頭一體式套筒扳手比普通扳手的效率提高25%，工人操作效果得到顯著提升。

4 結束語

該套筒扳手立足于工業生產，針對工人作業時攜帶多把套筒扳手的問題展開研究，為減輕工人的攜帶負擔，提高工作效率而設計。該套筒扳手實現了手柄的轉換和套筒頭的承載，減少了工人替換工具的時間，減輕其身體負荷，調動工人生產的積極性。同時，生產工具的改進和創新，也在促進著社會的發展和進步。