一種航天用雙向定值扭矩扳手設計

徐春光　冉江南　高奔　劉寅

摘要：空間站某些在軌設備的維修及更換需要將螺釘擰松與擰緊到達指定扭矩。根據某任務需求，設計了一種航天用雙向定值扭矩扳手，該工具能夠滿足擰松力矩大于擰緊力矩。本研究對雙向定值扭矩扳手的結構和原理進行了介紹，設計棘輪兩側不同角度，47°方向對應擰緊，擰緊力矩為7 N·m，40°方向對應擰松，擰松力矩為9 N·m。通過理論分析和仿真分析對擰緊擰松時所需要的扭矩進行計算，并結合產品開展了相應的試驗。試驗結果與力矩計算、仿真結果基本一致。

關鍵詞：雙向；定值；扭矩扳手；棘輪

中圖分類號：TH69 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.013

文章編號：1006-0316 （2023） 05-0076-05

Design of a Two-Way Constant Torque Wrench for Aerospace

XU Chunguang，RAN Jiangnan，GAO Ben，LIU Yin

（ Tianjin Institute of Astronautics Electromechanical Device， Tianjin 300458， China ）

Abstract：The maintenance and replacement of some on-orbit equipment on the space station requires the loosening and tightening of the screws to reach the specified torque. According to the requirements of a mission， a two-way constant torque wrench for aerospace is designed， which can meet the requirement that the loosening torque is greater than the tightening torque. This paper introduces the structure and principle of the two-way constant torque wrench. The angles on both sides of the ratchet are different，? the tightening torque is 7 N·m with the angle of 47°， and the loosening torque is 9 N·m with the angle of 40°. Through the theoretical analysis and simulation analysis， the torque required for tightening and loosening is calculated， and the corresponding tests are carried out on the products. The test results are basically consistent with the torque calculation and simulation results.

Key words：bidirectional；constant value；torque wrench；ratchet

空間站在軌組裝建造、維護維修、空間應用與科學實驗，都需要航天員實施出艙活動，攜帶相關的設備和艙外工具，完成指定操作任務[1-3]。從國外空間站建造、運營、維修的經驗看，在軌維修對保障航天員生命安全和空間站在軌正常運營、提高空間站在軌壽命、降低空間站運營成本等方面有著十分重要的意義[4-5]。某些在軌設備的維修及更換需要擰松及擰緊螺釘，操作過程中，螺釘的擰松力矩要大于擰緊力矩以此達到維修的目的。目前市面上的商用扭矩扳手是擰緊與擰松兩個方向都為定值，不能滿足擰松力矩大于擰緊力矩的要求。根據某些在軌設備維修的需求性，設計一種擰松力矩大于擰緊力矩的雙向定值扭矩扳手[6-7]。在地面經過驗證能夠滿足擰松力矩大于擰緊力矩的要求。該力矩扳手最大的優點為擰緊與擰松兩個方向扭矩是不同值，應用范圍更廣。

1 結構設計及工作原理

1.1 結構設計

該力矩扳手的主要結構組成如圖1所示[8]。

力矩扳手的換向功能主要由換向蓋板、鋼珠、鋼珠等實現。當需要換向時，轉動換向蓋板，換向蓋板內的鋼珠在彈簧的作用下擠壓換向卡子，換向卡子與棘輪內齒相嚙合，完成換向。瞬時針旋擰力矩扳手，當達到定值扭矩時，棘輪內齒與換向卡子外齒嚙合且不會發生相對轉動，在擰緊的過程中換向蓋板不會自己松脫轉回。逆時針旋擰力矩扳手手柄，為擰松狀態；順時針旋擰力矩扳手手柄，為擰緊狀態。

力矩扳手的打滑主要由彈簧、頂桿、頂塊、螺塞等實現。通過調節靠近頂桿的螺塞的旋入深度來調節彈簧的伸縮量，從而調節力矩扳手的預置力，第二個螺塞用于防松，并涂螺紋防松膠。

1.2 工作原理

螺釘擰緊：將套筒轉接件與被擰緊螺釘進行連接，逆時針轉動換向蓋板，將力矩扳手調至擰緊狀態，順時針轉動套筒本體，開始擰緊螺釘。當螺釘擰緊至指定扭矩值時，棘輪轉動帶動頂塊壓縮彈簧，實現打滑，螺釘擰緊工作完成。

螺釘擰松：順時針轉動換向蓋板，將力矩扳手調至擰松狀態，逆時針轉動套筒本體，開始擰松螺釘。當螺釘擰緊至指定扭矩值時，棘輪轉動帶動頂塊壓縮彈簧，實現打滑，螺釘擰松工作完成[9]。

2 扭矩理論計算

力矩扳手雙向定值力矩通過棘輪與頂塊兩側不同角度實現。為便于分析，將棘輪和頂塊的受力等效集中到齒面接觸中點位置O點[10]。受力如圖2所示。

力矩扳手在理論臨界狀態下力矩平衡。

3 扭矩扳手有限元分析

3.1 有限元模型建立

對扭矩扳手整體模型進行簡化，選取棘輪、頂塊、彈簧、彈簧座、換向卡子組成扭矩扳手仿真模型。頂塊與棘輪的夾角取40°和47°。47°對應擰緊方向，擰緊力矩7 N·m，40°對應擰松方向，擰松力矩9 N·m。在ABAQUS有限元軟件中對棘輪、頂塊、彈簧座、換向卡子進行實體單元建模，采用四面體網格進行劃分，網格單元為C3D4四節點線性四面體單元。彈簧用spring單元進行建模，彈簧剛度為90 N/mm。扭矩扳手簡化模型如圖3所示。

3.2 材料屬性

棘輪、頂塊、彈簧座、換向卡子的材料為9Cr18，硬度為HRC 42～45。對模型賦予材料屬性，如表1所示[12]。

3.3 載荷施加

棘輪與換向卡子、頂塊之間為面－面接觸，仿真過程中對彈簧座底面施加固定約束，對棘輪施加0.8 rad/s的轉動速度，對頂塊施加454 N的彈簧預緊力。分析換向卡子強度時，對棘輪施加9 N·m的彎矩。載荷施加如圖4所示。

3.4 分析結果

3.4.1 棘輪與頂塊分析結果

通過有限元分析得到擰緊方向和擰松方向的應力云圖如圖5所示。可以看出，無論是擰緊方向還是擰松方向，應力集中在頂塊進入下一個棘輪齒的圓角部分，原因為，棘輪在轉動過程中受到來自頂塊的彈簧力，在進入到下一個棘輪齒前還要繼續下壓彈簧，致使彈簧力增大，所以會在圓角部分產生應力集中現象[13]。

在仿真過程中，還對頂塊兩側的接觸面輸出了反作用力。擰緊方向輸出的合力為648 N，擰松方向輸出的合力為814 N。計算得出，47°對應擰緊方向，擰緊力矩7.128 N·m；40°對應擰松方向，擰松力矩9.064 N·m。

3.4.2 棘輪與換向卡子分析結果

通過仿真分析得到在9 N·m的彎矩下，換向卡子的受力云圖，如圖6所示。可以看出，應力主要集中在換向卡子棘齒部分，主要原因為，逆時針旋擰力矩扳手時，當達到定值扭矩，棘輪內齒與換向卡子外齒進行嚙合且不會發生相對轉動，棘齒部分存在尖角，易產生應力集中。換向卡子棘齒最大應力118.8 MPa，位移0.005 mm，根據表1，換向卡子強度滿足要求。

4 扭矩扳手試驗驗證

4.1 扭矩扳手加工

為驗證扭矩扳手定值扭矩的真實性，對扭矩扳手進行加工。頂塊與棘輪的夾角為40°和47°。彈簧剛度90 N/mm。除頂桿材料為2A12外，其余都為9Cr18。零件加工完成后對扭矩扳手進行組裝，成品如圖7所示。

4.2 扭矩值檢定

對裝配完的扭矩扳手進行擰緊操作、擰松操作兩個方向的扭矩值檢定。檢定的儀器型號為DOTE100N3-G。檢定方法為，將扭矩扳手水平安裝在儀器上，逆時針轉動換向蓋板，將扳手調節到擰緊檔，順時針轉動手柄，力矩扳手進行擰緊，當擰緊到力矩扳手打滑時，停止操作；順時針轉動換向蓋板，將扳手調節到擰松檔，逆時針轉動手柄，螺釘擰松，停止操作[10]。如圖8所示。

4.3 扭矩值分析

分別對扭矩扳手擰緊方向、擰松方向進行22次檢定，得出擰緊方向、擰松方向的扭矩曲線，如圖9所示。可以看出，擰緊的平均力矩為7.096 N·m，擰松的平均力矩為9.281 N·m。

通過試驗得出，試驗數據與理論數據存在±5%的誤差。存在誤差的主要原因為摩擦力造成的影響。因為棘輪與頂塊采用線切割快走絲方式進行加工，棘輪與頂塊接觸面表面粗糙度不高，產生的摩擦力較大，容易造成誤差。為了后續繼續驗證理論與試驗存在的誤差，可以通過提高棘輪與頂塊的表面粗糙度和增加棘輪與頂塊之間的潤滑兩種方式減小摩擦力。

5 結論

通過理論計算、有限元仿真、扭矩扳手試驗驗證三種方式，得出了扭矩扳手中頂塊與棘輪的不同夾角對應的扭矩值，三種分析方法確定的扭矩值誤差在±5%。分析該誤差存在的原因為摩擦力的影響。該設計能夠實現擰緊和擰松兩個不同方向的扭矩，使得扭矩扳手的使用范圍更廣。

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收稿日期：2022-05-24

作者簡介：徐春光（1995－），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器結構和機構設計工作，E-mail：xchg1995@126.com。