摘 要 谐波齿轮传动结构简单、体积小、重量轻，传动比范围大的特点，将其运用到増力矩扳手中，可以实现较小力矩对生产中的大型机器、机械设备上螺纹连接的拆卸和紧固。文章设计了一种谐波齿轮结构的増力矩扳手，并对它的系统组成、工作原理、特点和应用前景进行介绍和分析。
关键词 谐波齿轮；力矩放大扳手；传动系统
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）16-0072-02
螺纹联接是一种应用极为广泛的可拆卸联接，在现代机器和机械设备中60%以上的零部件具有螺纹孔的结构。在船舶等大型机器、机械设备上，螺纹尺寸大、强度高，拆卸与紧固时所需的扭矩大，因此，使用普通扳手无法达到技术要求。于是，国际市场上各种増力器扭矩扳手便应运而生，如液压扳手、气动扳手等。但此类扳手都存在一定的技术不足，如液压扳手其液压系统和设备较复杂，而气动扳手存在振动和噪声较严重，且需要供气系统，操作有诸多不便等问题。另一方面，国际市场上各种増力矩扳手种类繁多，但普遍价格非常昂贵，使国内用户望而却步。考虑到谐波齿轮传动结构简单、零件少、体积小、传动比范围大，将其应用于增力矩扳手上具有一定的可行性。单级谐波齿轮传动比在50-300之间，双级谐波传动比可在3000-60000之间。同时由于谐波齿轮传动结构啮合齿数多，齿面相对滑动滑动速度低，承载能力高，噪声低，传动效率较高，在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。综上分析，谐波齿轮机构具有结构紧凑，传动比大和传动功率大等特点，将它作为扳手的主传动件，能保证扳手体积下，重量轻，将具有其他传动件无法比拟的诸多独特优点。另外，将其运用到増力矩扳手中，较小的力矩可以扭动具有较大扭矩的螺纹，性价比高，可广泛应用到生产实践中。目前，国际市场上尚未出现谐波齿轮増力矩扳手，但由于其作为传递大转矩的动力谐波传动，表现出了特别好的性能，诸如占用的空间小，操作方便，效率较高，显示出一些其他传动装置难以比拟的优越性，本文研究了一种谐波齿轮结构的増力矩扳手，并对该增力矩扳手的系统组成、工作原理、特点和应用前景进行了系统的分析。
1 扳手结构组成
1）扳手的总体结构。増力矩扳手的总体结构剖面图如图1所示，该装置包含套筒、柔轮、刚轮套、连接杆和手柄。套筒的前端设置有螺钉配合孔，后端设置有波发生部件；波发生部件的外圆周的形状为非圆形；柔轮设置在波发生部件的外侧，柔轮与波发生部件之间设置有轴承滚珠；波发生部件和柔轮均设置在刚轮套中；柔轮的外圈和刚轮套的内圈上均设置有轮齿，柔轮与刚轮套部分啮合；连接杆设置在刚轮套的后端；手柄设置在连接杆的后端；这种结构的省力扳手，通过波发生部件、柔轮和刚轮套组成一种谐波齿轮结构，由于谐波齿轮具有较大的传动比，可以实现通过较小的力矩将较紧的或大型机械结构中的螺栓联接或螺母拧开。
2）特定套筒和万向手柄的结构。特定套筒有数个内六棱型的套筒和一或几个以上套筒构成，套筒的内六棱根据螺栓的型号依次排列，可以根据需要选用，能够很方便地实现与套筒之间的牢固和稳定可靠的连接，可以随意更换套筒而不会影响套筒连接的牢固性和可靠性。根据不同的螺母规格而设计不同的特定套筒，可适用于不同规格的螺纹连接结构及各种场合机械机构螺栓的拆卸。
使用万向手柄，可以避开障碍物充分发挥其作用效果，在空间狭隘的位置也可以使用，特别适用于拧转地位十分狭小或凹陷很深处的螺栓或螺母。这种万向扳手，包括环向结构和转向结构，空间小，强度高，很符合实际需要。
3）响应式结构。该结构包含一个单片机控制的光声控制微系统。根据不同的螺栓联接需要，规格有多种。类如文献中介绍的响应式结构，使用时，调整六角扳手，使刻度槽内的横向刻度线移至不同的扭矩处，当螺纹到达预定的扭矩值时，扳手自动响应发出信号，同时自动解除力，此时机构自动恢复原状。其优点是在拧转螺栓或螺母时，当施加的扭矩到达规定值后，会发出光或声响信号，响应式结构尤其适用于对扭矩大小有明确地规定的装配工作。
4）扳手的制造要求。扳手工作时，由手柄带动连接杆产生较大的扭矩。故扳手的连接杆和扳手最好选用45优质碳钢，波发生器优先选用45钢，并经过调制处理；刚轮选用45Cr进行调制处理。关键零件柔轮最好选用20CrNiMoA，经过调制处理后，其齿面硬度可达到34HRC，此时的剪切疲劳极限和弯曲疲劳极限分别达到320 Mpa和630 MPa；而在焊接的过程中，应选用合适的焊条，并经预热之后再实施焊接，以保证焊缝的强度。
2 扳手的工作原理
1）谐波齿轮传动系统。
谐波齿轮传动的三个主要构件分别是：
波发生器（Wave Generator）：使柔性齿轮按一定变形规律产生周期性变形波的构件。
柔性齿轮（Flexspline）：在波发生器作用下能产生可控弹性变形的薄壁齿轮。
刚性齿轮（Circular Spline）：它和普通齿轮一样在工作时保持其原有的工作状态。
2）增力原理。谐波齿轮増力矩扳手是一种新型的高效能的手动拆装工具，它由一个谐波齿轮机构组成的装置，输入一个较小的力矩，可以产生较大的输出转矩，由机械原理知识可知，P=F*V=T*W，因此，在功率一定的情况下，转速越低，机械输出的转矩就越大，而使用齿轮机构能将原动件输出的高转速，低转矩转变成为低转速，大转矩。
3 扳手的特点与应用性能分析
1）扳手的特点。
①较其他力矩扳手而言，力矩增加的倍数大。由于谐波齿轮传动系统的传动比可达到3000-60000，所以当系统功率一定的情况（理想的情况）下，力矩增加的倍数可达到几十甚至上百倍。
②性价比高。其他力矩放大扳手诸如像气动扳手和液压扳手，需要能量供应系统，一台的造价往往需要几千甚至上万，使很多买家望而却步，而谐波齿轮増力矩扳手的成本较低，利于大范围推广。
③结构简单，体积小，重量轻。使用简单，造价低廉，无噪音，无风电等能源消耗。由于谐波齿轮传动系统体积下，所以将其应用到増力矩扳手，整个扳手较为小巧，可应用到各种场合。
2）扳手应用性能分析。増力矩扳手的使用寿命取决于谐波齿轮传动装置，而谐波齿轮传动的使用寿命取决于柔轮的疲劳寿命。通过仿真分析，结果显示柔轮轮齿的齿端部和齿根部是柔轮最初产生疲劳的部位，且损伤沿柔轮的轴线由轮齿内侧向尾部延伸。
4 总结
谐波齿轮机构解决了扳手动力传递及扭矩的放大问题，原理新颖，装置可靠；由于谐波齿轮传动具有其他形式的传动不可比拟的优点，因此其在其他各领域都有不可替代的作用；由其组成的扳手，较其他类型的扳手扭矩大，具有结构简单、体积小，质量轻等特点；使用这种扳手，操作人员只需要很小的力，即可得到几十倍的扭矩，具有推广价值。
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