一种拐臂式限力扭矩扳手设计

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1.说明

本文介绍计算说明一种扭矩工具（0.95N・m限力型扳手）的设计方法，该扳手主要用于有严格预紧要求且扭矩值微小的装配生产过程中，例如电缆细牙螺纹联接、电器内部线路板固定、转动噪音有较高要求的微型电机类紧固固定等。主要优点是：扳手头部的专业形状设计，以适用于小的作业空间操作；扳手结构原理设计，为最高扭矩输出提供保障， 有效防止过载；扳用弹性单元材料设计为精度提供了典基。

2.执行标准

GB/T15729-2008 手用扭力扳手通用技术条件。

GB/T4390-2008 扳手开口和扳手孔 常用公差。

3.性能参数及结构简介

（1）扳手标准设定值：0.95N・m（2）扳手测量精度：±5%（3）重复性精度：±5%

4.主要结构、强度设计

4.1力学数据计算

①扳手起始接触点C时，产生的扭矩最大。扳手头部承受载体的作用力及力矩：

FN1= F手 Tw=F手×137.76/1000N・m

②以扳手运动起始平衡状态分析：

F手=Tw/137.76/1000N

FN3与O点支承力FN2相对于K点转动力矩平衡：

MFN3=MFN2+Tw

MFN3=F弹簧/cos38°×45.84/1000

=F弹簧tg38°×45.84/1000

MFN2=FN2′×37.26/1000

FN2′=（ F弹簧tg38°×45.84/1000-F手137.76/1000）÷37.26/1000 ①

同理，依力平衡可知：

FN1+FN2=FN3sin38°=F弹簧tg38°

FN2′=F弹簧tg38°-F手 ②

①②联立，解得：

F手=F弹簧tg38°×5.15/100.22

Tw=F手137.76/1000=F弹簧tg38°×8.58×137.76/100.5/1000

=9.189F弹簧/1000N・m

③若要Tw=0.95N・m

则：F弹簧=0.95/9.189/1000N・m=104N

F手=0.95/137.76/1000=6.9N

4.2弹簧选型及校核

依据扳手杆内孔?8.5，工作预压载荷104N，选取：标准碳素钢丝弹簧，弹簧钢丝直径?1.4，中径D=?6.9，

工作需用极限载荷：104+3.2K=124N

依据GB/T2089-2009相对计算弹簧允许最大载荷：

114×（7/6.9）3=119N

调整弹簧材料为油淬火回火钢丝，剪切应力提高20%以上，则弹簧允许最大载荷：

119×120%=142.8>124N

所以弹簧满足要求。

4.3转销强度设计与校核

转销采用黄铜：[τ]=220N/mm2

τ=FN2/S=（F弹簧tg38°-FN1）/S

=（F弹簧tg38°- F手）/S=74.4/7.07=10.5N/mm2

所以转销满足强度满足要求。

注：Tw-扳手头所受扭矩，K-弹簧的刚度系数，F-手人手施加作用力，FN-钢珠作用于扳手头的力，FN-′FN的反作用力，F1′、F2′-FN′的分力，θ、ψ-扳手工作角度，F-弹簧弹簧受压缩的力，FN1-扳手头扭转力，FN2-转销作用于扳手头的力，FN2′-FN2的分力，FN3-钢珠作用于扳手头的力，MFN2、MFN3-转矩，[τ]-材料的许用切应力，τ-转销的切应力。

5.耐用度设计

5.1运动关节耐用度设计

滚动零件采用GB/T308-2002国标轧制钢珠，表面精糙度0.08以上，硬度HRC≥45，耐磨性优良。扳手头尾部运动圆弧表面粗糙度1.6以上，要求采用45#钢材经淬火处理HRC40-44，具有较好的耐磨性及综合强度。这两种材料及热处理的选用，将活动关节的磨损程度降至较低水平，为扳手运动符耐用度提供有力保障。

5.2弹簧耐用度选材设计

用碳素弹簧钢丝绕制的弹簧一般寿命为104次至105，本产品为军用品，所以采用具有更高疲劳性能的油淬火合金弹簧钢丝，常规寿命达105以上。该常弹簧钢丝具有较好的温度稳定性及极佳的抗疲劳性能，更因稳定的弹性系数在扭矩工具中及精密阀体中广泛应用，从而使产品耐用性得到充分保障。

5.3提高耐用度的调节补偿设计方案

弹簧尾端设计调节螺纹，调节补偿量充足，若机构磨损后，调节补偿机构，仍能保障正常工作扭矩及工作状态。