（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）磁力沖擊式電錘的設(shè)計(jì)及性能分析.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 摘要 電錘產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中工況較為復(fù)雜，因此對(duì)電錘各項(xiàng)性能指標(biāo)要求均 很高，而國(guó)產(chǎn)電錘普遍存在較多質(zhì)量問(wèn)題，主要表現(xiàn)為連續(xù)工作時(shí)間短、易發(fā)熱、 易磨損以及振動(dòng)噪聲大等方面。本文將磁力沖擊技術(shù)引入電錘產(chǎn)品中，提出一種 新型磁力沖擊式電錘，能夠通過(guò)磁力沖擊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊部件的往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)。 與傳統(tǒng)的電錘產(chǎn)品相比，磁力沖擊式電錘具有無(wú)摩擦磨損、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲震動(dòng) 小、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1 、浙江省重大科技專項(xiàng)2 和 企業(yè)需求，本文對(duì)磁力沖擊式電錘的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)，對(duì)其沖擊性能進(jìn)行 了深入的研究與分析，并且開(kāi)展了沖擊機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究工 作全文共分為六章： 第1 章闡述了課題的背景及研究意義，并歸納總結(jié)了電錘類產(chǎn)品、磁力傳動(dòng) 技術(shù)、磁場(chǎng)數(shù)值分析方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了研究磁力沖擊式電錘的必要 性以及可行性； 第2 章介紹了磁力沖擊式電錘的基本原理，對(duì)磁力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu)進(jìn) 行設(shè)計(jì)，主要包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第3 章根據(jù)電磁場(chǎng)有限元基本理論，建立了磁力沖擊機(jī)構(gòu)的三維有限元模 型，分析了靜態(tài)下沖擊機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布以及受力情況，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用a p d l 語(yǔ)言對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中的受力情況進(jìn)行了循環(huán)計(jì)算； 第4 章分析了磁極對(duì)數(shù)、磁體分布角度、最小間隙、磁體半徑、磁體厚度等 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能的影響，通過(guò)構(gòu)建二次響應(yīng)面代理模型，對(duì) 設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化； 第5 章搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)永磁體之間的受力進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn) 證了仿真模型的正確性，并介紹了樣機(jī)制作的過(guò)程； 第6 章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)下一步研究工作進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：磁力沖擊式電錘磁力沖擊機(jī)構(gòu)沖擊性能有限元分析 1 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5 0 6 7 5 1 9 7 和5 1 0 7 5 3 5 6 2 浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目2 0 0 9 c 1 1 0 1 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文abstra烈 a b s t r a c t a sm ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft 1 1 ee l e c t r i ch a m m e rp r o d u c t sa r ev e 巧c o m p l i c a t e 也 t t l ep r o p e 而懿o f m ee l e c t r i ch 鋤e ra r ev 吖l l i g h b u tt 1 1 ee l e 嘶ch a m m e r sm a d ei 1 1 o l l rc 0 咖h a v ev 耐o l l sl ( i i l d so f p r o b l e m s ，s u c h 弱s h o r tw o 幽n gt i m e 、e 夠yt oh e a t 、 e a s yt 0w e a ra n d l 鶘en o i s e 鋤d 啊b r a t i o n i no r d e rt 0s o l v et l l e s ep r o b l e m s ，an o v c l l 血do fe l e c t r i ch a m m e rb a s e do nm a g n e t i ci m p a c tt h e 0 巧i sp r e s e n t e di n 也i sp a p a n dt 1 1 er e c i p r o c a t i l l gm o v 鋤e n to f 也ep u nc _ hw 雒r e a l i z e db ym em a g n 以cf o r c e s i i l c l u d i n ga t 仃a c 6 0 n s 趾dr 印u l s i o ng e i l e r a t e db y 也ep e r m 觚e n tm a g n e tm a t e r i a l s c o m p a 俄1w i n lc o n v e i l 6 0 n a lt r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，m a 盟e t i ci m p a c th 勰t 1 1 e 、，i 】帆e s o fs i n l p l es 仃u c t u r e ，l o wp o l l 砸o na i l dn o 伍c t i o n 趾dw e a li nc o n j u c t i o nw i mn a t i o n a l n a ：t l l r a is c i c n c ef o l l n d a t i o no fc h i n a 趾dm 萄o rs c i e 而f i c 孤dt e c h n o l o 百c a lp r o j e c ti 1 1 z h e j i a i l gp r 0 、，i n c ea n d 也ep r a c t i c a lr 。q u i r e m e n _ t s ，也i s l e s i s t a l ( e st h em a g n e t i c i m p a c te l e 嘶ch 卸m e r 鶴r e s e 卸c ho b j e c t ，d e s i 爭(zhēng)sm es n l l c t i l r e o fm ee l e 嘶c h a m m e r ，s t u d i e s 也ei n l p a mp e r f o m a n c e so ft 1 1 em a g n e 吐ci m p a mm e c h a l l i s m 觚d c a r r i e so u tr e l e v a n tr e s e 疵ha b o mm a i np a r 鋤e t e r sd e s i g no p 缸i z a ：t i o n t h e 矗1 1 lt e x t i sd i v i d e di 1 1 t 0m ef o l l o 、) l ，i n gs i ) 【c h 印t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e re l a b o r a t e st l l er e s e a r c hb a c k | 印u n d 鋤ds i 鰣f i c a n c eo ft h i s 喇e c t f u r c h 鋤o r e ，i ts 唧m a r i z e s 也er e s e a r c h s i t i l a t i o no fe l c c t r i ch a m m e r p r o d u c t s 、m a 薩托c 仃鋤s i i l i s s i o nt ec _ h i l o l o g ) ，鋤dm a 伊舐cn 硼1 嘶c a lm e 也o db o m h e r c 趾da b r o a da sw e l l 雒m ek e yt e c l l i l 0 1 0 9 yi 1 1 v 0 1 v c di ns u b j e c ts t i l d y ，a n dp o i l l t s o u tn e c e s s i 鑼紐dp 礎(chǔ)a b i l i t yo ft h er e s e a r c _ ha b o u tt 1 1 em a _ g n e t i ci n l p a de l e c t r i c h 鋤口1 m e r t h es e c o n dc h 印t e r 鋤d u c 髓m eb a s i cm e 0 巧o ft 1 1 ec l e c t r i ch 鋤a n dt h e d e “l(fā)s 仃u c n 鵬o f 也eh a m m c ri sd e s i 齲e d nm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i 弘o f 也e m a 伊出ci m p a c tm e c h a n i s m 雒d r e d u 以0 ng e a 血昏 1 1 1 c h 印t e rm r c e ，a o c o r d i n gt 0 t 1 1 eb 戚ct h c 0 巧0 n 舢【m 嘶c a l 距a l y s i sf o r c l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，也e3 df i n i t ee l c 力 1 e n tm o d e li se s t a b l i s h e d t h em a g n e t i cf i e l d 缸dm e c h a n i c a lp r o p 瞰i e so ft h em a g n 出ci l p a c tm e c h a n i s mi ns t a t i cs t a t e ，a n dm e i i l 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t m c t v a i i 撕o no ft h em a 盟e t i cf 0 1 優(yōu)a n di 瑚p a c t 饑夠g ) ，i nt l l er e c i p r 0 謝o np r o c e s sw e r e c a l l a t e d 謝t l lf i l l i t ee l e m 咖m 如o d b ys o 脅a r ea n s y s ，r e s p e 舐v e l y 1 1 1c h 印t c rf o u r m 孵l e t i ci i p a c tm e c h a i l i s mw i md i 岱。r e n tp o l en u m b e r sa i l d 強(qiáng)西c d i s 研b u t i o n sh a v eb e e ns t u d i c d ，t h er e l a t i o n s h i pb 咖e 也em 咖d e s i 印 p a 棚咀c t i 。r ss u c h 弱m e 蛐u mg a p ，l er a d i l l s 鋤dt h j e h e s so f 也em a g n e t 鋤d t h e p e r 】f o m a n c eh a v eb e 饑孤a l y z e d 山1 ds a m p l ep o m sh a v eb e e ns e l e c t c dt oe s 協(xié)1 i s h s 盯0 9 a t em o d e l ，m em a i nd e s i g np a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i l n i z 。d i nc h 印t e rj f i v e ，e ) 【p 醯n e n t a lp l a t f 0 眥h a sb e e ns e tu p ，a n dt h em a g i l e t i cf o r c e s b e 帆e 饑廿l em a g n e t sh a v eb e e nm e a s u r c d ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tv 面匆t t l e c o n c c t i l e s so ft l l es i m u l a t i o nm o d c l w h a t sm o r e ，也ep r o c c s sp r o t o t ) ，p eo f 也ee l 礎(chǔ)c h a u n e rh a sb e e ni 1 1 臼0 d u c e d ( m 印t e rs i ) 【m a k e sm ec o n c l u s i o no fm ep a p e ra n dg i v e sr e s e a r c hw o r ko ft 1 1 e n e x ts t 印 k e y w o r d s ：m a 印出ci m p a c te l e 鰣ch 鋤m m a 薩撕ci m p a c tm e c h 鋤i s m ，i m p a c t p e r f o m 鋤c e ，缸d t ee l e m e i l ta i l a l y s i s 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝 致謝 值此論文完稿之際，首先要向我的導(dǎo)師沈萌紅教授以及合作導(dǎo)師邱清盈副教 授致以最誠(chéng)摯的謝意，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)、生活、思想等諸多方面都給予了悉心的指導(dǎo) 和熱情的幫助。沈萌紅老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及平易近人的學(xué)者風(fēng)范給我留下了 深刻的印象，在研究生期間得到了他很多幫助；邱清盈老師是我的指導(dǎo)老師，本 論文相關(guān)項(xiàng)目、選題、指導(dǎo)以及論文的撰寫都傾注了他大量的心血，邱老師為人 隨和，知識(shí)淵博，在這將近三年的時(shí)間中，無(wú)論是學(xué)習(xí)上還是生活中都得到了他 無(wú)微不至的關(guān)懷，給我提供了一個(gè)良好的科研環(huán)境。在此，謹(jǐn)向沈老師及邱老師 再次表示由衷的感謝! 深深感謝馮培恩教授、管成副教授、李玉良副教授，武建偉老師、高宇老師 以及其他老師給在這兩年多對(duì)我無(wú)私的幫助及指導(dǎo)。 深深感謝我的父母及親人朋友這么多年來(lái)給我的關(guān)懷與支持，是你們給予了 我?jiàn)^發(fā)前進(jìn)的動(dòng)力，是你們讓我能夠全身心投入到學(xué)習(xí)與工作中，在此致以深深 的謝意! 感謝實(shí)驗(yàn)室薛馳、陸銀、莊菲菲、劉偉平、馬祥、馬友才、李榮鵬、李小龍、 何挺、熊建波、杜宇等同學(xué)的關(guān)心與幫助。 最后再次感謝導(dǎo)師們悉心的教誨和同學(xué)朋友們的幫助和關(guān)懷! 鄧?yán)?2 0 1 2 年1 月于求是園 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 1 緒論 1 1 課題背景及研究意義 電動(dòng)工具是以電動(dòng)機(jī)或電磁鐵為動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作頭的機(jī)械化工 具，具有結(jié)構(gòu)輕巧、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)【1 1 。運(yùn)用電動(dòng)工具進(jìn)行作業(yè)不但 可以很大程度上降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能夠顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)的效率， 并且能夠達(dá)到較好的加工質(zhì)量，因此電動(dòng)工具被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、建筑、道路、 林木農(nóng)牧等各個(gè)行業(yè)中。電動(dòng)工具的品種繁多，按照使用場(chǎng)合進(jìn)行分類，一般可 以分為工業(yè)用電動(dòng)工具與家用電動(dòng)工具兩大類；按照加工對(duì)象進(jìn)行分類，主要可 以分為金屬切削類、砂磨類、裝配作業(yè)類、建筑道路類及鐵道礦山類工具這幾大 類【2 1 。 電錘是建筑道路類電動(dòng)工具中的一個(gè)品種，在所有電動(dòng)工具產(chǎn)品中占有一個(gè) 較大的比例，是比較典型的電動(dòng)工具產(chǎn)品。隨著世界城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建 筑道路裝潢等產(chǎn)業(yè)將高速發(fā)展，電錘類產(chǎn)品的需求量將越來(lái)越大，將會(huì)有極其廣 闊的市場(chǎng)空間。 圖1 1 電錘外觀圖 電錘是以沖擊為主、旋轉(zhuǎn)為輔的手持電動(dòng)工具，主要應(yīng)用于建筑、道路施等 工程中破碎磚石、混凝土等脆性材料，也可以用于在這些材料的構(gòu)件上鑿孔如 圖1 1 所示，電錘的基本結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要部件包括電動(dòng)機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、 沖擊轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、機(jī)殼以及鉆夾頭等。目前常用的電錘類產(chǎn)品是氣動(dòng)沖擊式電錘， 主要分為曲柄連桿式電錘和擺桿軸承式電錘這兩種。其中在曲柄連桿活塞式?jīng)_擊 1 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 機(jī)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)軸線與沖錘軸線垂直，可以采用平衡塊減小振動(dòng)，缺點(diǎn)是電錘整 體結(jié)構(gòu)尺寸大，較為笨重；而在擺桿軸承式氣墊活塞沖擊機(jī)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)軸線與 活塞沖錘軸線平行，電錘整體結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，但是不能采用平衡塊進(jìn)行減振， 工作時(shí)振動(dòng)大 隨著近些年工業(yè)、農(nóng)業(yè)、園林業(yè)、建筑裝修等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，電動(dòng)工具得 到了越來(lái)越多的重視及應(yīng)用，電動(dòng)工具行業(yè)得到了快速的發(fā)展及壯大。據(jù)有關(guān)部 門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)是世界上最大的電動(dòng)工具生產(chǎn)制造基地，大約7 0 的電動(dòng)工具都是 由中國(guó)生產(chǎn)的【3 1 。通常而言，電動(dòng)工具產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既要考慮到外形的 美觀，又要考慮到機(jī)身的人機(jī)工程性，而且電動(dòng)工具對(duì)安全性能要求較高，所以 這對(duì)電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)、研發(fā)及制造提出了很高的要求以及很大的挑戰(zhàn)。目前，國(guó) 內(nèi)的電動(dòng)工具生產(chǎn)制造的廠家很多，但是與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比仍然存在著很大 的差距，主要存在著質(zhì)量水平較低、價(jià)格較低、自主品牌較少這三個(gè)問(wèn)題，這也 導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)電動(dòng)工具在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力較低以及經(jīng)常性的低價(jià)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)【鍆。 由于電錘產(chǎn)品在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中的工況較為復(fù)雜，所以對(duì)電錘的各項(xiàng)性 能指標(biāo)要求均較高，而國(guó)產(chǎn)的電錘普遍存在著很多質(zhì)量問(wèn)題，主要表現(xiàn)在連續(xù)工 作時(shí)間較短、長(zhǎng)時(shí)間工作易發(fā)熱、易磨損、耐久性差以及噪聲振動(dòng)大這幾個(gè)方面。 因此在中高端市場(chǎng)中，進(jìn)口品牌產(chǎn)品占據(jù)了大部分的市場(chǎng)空間5 1 。目前國(guó)內(nèi)大多 數(shù)企業(yè)生產(chǎn)出口的電錘都是“定牌生產(chǎn)”，自創(chuàng)品牌的產(chǎn)品非常少，技術(shù)含量十 分低，而且許多企業(yè)實(shí)質(zhì)上只是國(guó)外產(chǎn)品的生產(chǎn)加工車間，這些現(xiàn)狀對(duì)我國(guó)電動(dòng) 工具的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是非常不利的。 針對(duì)上述國(guó)內(nèi)電錘的諸多問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，本論文中提 出了一種新型磁力沖擊式電錘，能夠通過(guò)磁力沖擊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電錘的往復(fù)沖擊運(yùn) 動(dòng)，與傳統(tǒng)的沖擊方式相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)摩擦磨損問(wèn)題、污染小等優(yōu)點(diǎn)， 并且能有效克服現(xiàn)有氣動(dòng)式?jīng)_擊電錘結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高、噪聲大等缺點(diǎn)將 磁力沖擊技術(shù)應(yīng)用于電錘類產(chǎn)品中，不僅可以解決上述技術(shù)難題，還能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng) 濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙贏。 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 1 2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 電錘類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 根據(jù)實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動(dòng)的原理不同，現(xiàn)有的電錘鉆基本上可以歸為以下三種類 型：沖擊電鉆、氣動(dòng)式?jīng)_擊錘鉆、電磁式?jīng)_擊錘鉆 ( 1 ) 沖擊電鉆 沖擊電鉆的沖擊機(jī)構(gòu)一般分為兩種：齒形沖擊機(jī)構(gòu)以及鋼球沖擊機(jī)構(gòu)，由于 前者結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以目前市面上的沖擊電鉆的沖擊部分基本都采用齒形沖擊 機(jī)構(gòu)【6 1 。齒形沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類似于離合器，是由兩個(gè)相對(duì)端面帶有犬牙狀齒的 沖擊構(gòu)件( 動(dòng)沖擊件、靜沖擊件) 組成，由調(diào)節(jié)鈕來(lái)控制沖擊構(gòu)件之間的分離和 嚙合，通過(guò)沖擊構(gòu)件之間的分離與嚙合產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，達(dá)到?jīng)_擊的效果，并進(jìn)行 鉆孔等作業(yè)。 ( 2 ) 氣動(dòng)式?jīng)_擊錘鉆 氣動(dòng)式?jīng)_擊錘鉆的沖擊運(yùn)動(dòng)是通過(guò)擺桿軸承機(jī)構(gòu)或者曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活 塞在氣缸內(nèi)的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得活塞與沖錘之間形成氣墊，通過(guò)氣墊作用使沖 錘產(chǎn)生來(lái)回沖擊運(yùn)動(dòng)，達(dá)到?jīng)_擊效果陰。 ( 3 ) 電磁式?jīng)_擊錘鉆 電磁式?jīng)_擊錘鉆是以電磁線圈為動(dòng)力源的，有兩種不同的實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動(dòng)的具 體方式：一種是利用安裝在錘桿后端的沖擊彈簧的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)錘頭的往復(fù)沖擊運(yùn) 動(dòng)；另一種是通過(guò)帶有線圈的定子與動(dòng)子之間的相互排斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動(dòng)的， 其中動(dòng)子與錘頭為一體，當(dāng)動(dòng)子與定子上的電磁鐵緊密接觸時(shí)線圈通電，瞬間產(chǎn) 生的電磁力使動(dòng)子以及錘頭獲得極大的沖擊力，從而完成沖擊運(yùn)動(dòng)【引。 對(duì)三種不同類型的錘鉆進(jìn)行研究分析以及對(duì)比，可以得出此三種產(chǎn)品的優(yōu)缺 點(diǎn)如表1 1 所示： 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 表1 1 三種電錘鉆的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 利用端面齒形嚙合而產(chǎn)生沖 體積小，重量輕，擊力的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和因 沖擊電鉆易操作，安全可摩擦而能量損失，齒形磨損厲 靠，鉆孔精度較高害，壽命短，振動(dòng)和噪聲都非 常大 結(jié)構(gòu)可靠，沖擊力 對(duì)活塞腔的密封性能要求較 氣動(dòng)式?jīng)_擊電錘 比一般電鉆大，沖 高，制造成本較大，振動(dòng)和噪 聲非常大，易磨損，壽命短， 擊效率高 維修不方便 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成 耗能大，線圈壽命短，容易出 電磁式?jīng)_擊錘鉆本低，摩擦磨損 現(xiàn)故障，電磁兼容性差，沖擊 力不高，沖擊頻率低，彈簧容 小，維修方便 易失效而無(wú)法繼續(xù)工作 目前在電錘類產(chǎn)品的研發(fā)方面，國(guó)外最具代表性的是德國(guó)博世、日本牧田、 日本日立、美國(guó)百得等一些知名的電動(dòng)工具公司，這些公司均投入了大量的資本 進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，從產(chǎn)品的基本工作性能到振動(dòng)噪聲以及人機(jī)工程學(xué)方面均有涉 獵【9 】【10 1 。其中較為著名的產(chǎn)品有b o s c h 公司的g b h 系列沖擊錘鉆，等級(jí)從2 公斤到1 1 公斤，單次沖擊功從1 7 j 到1 5 j ，鉆孔直徑范圍從恤到5 0 n l m 【1 1 1 總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外品牌的電錘普遍具有良好的沖擊性能及安全可靠性，而且使用壽 命較長(zhǎng) 反觀國(guó)內(nèi)電錘產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀，由于國(guó)內(nèi)對(duì)電錘類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)起步較 晚，所以絕大部分的電動(dòng)工具生產(chǎn)廠商都是處于仿制和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的階段，基 本上沒(méi)有自己?jiǎn)为?dú)研發(fā)和生產(chǎn)電動(dòng)工具的能力，這也導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)工具的質(zhì)量普遍 較差，只能依靠低廉的價(jià)格提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而導(dǎo)致了進(jìn)一步的惡性循環(huán) 【1 2 】。目前，國(guó)內(nèi)只有上海電動(dòng)工具研究所、甘肅氣動(dòng)工具研究所及成都工具研 究所等幾家研究所在對(duì)電錘產(chǎn)品進(jìn)行理論上的研究及論證，但是由于缺乏經(jīng)驗(yàn)及 資金的支持，所以很難得到突破性的成果及進(jìn)展，故目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平與國(guó)外 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 的差距仍然較大，急需進(jìn)一步的提升【1 3 】【1 4 】 1 2 2 磁力傳動(dòng)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 磁力傳動(dòng)是利用磁性物質(zhì)之間同性相斥、異性相吸的原理，通過(guò)磁耦合把磁 能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過(guò)程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用傳動(dòng)部件中永磁材料之間所產(chǎn)生的耦 合力( 包括吸引力和排斥力) 來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的一種新型傳動(dòng)方式【l5 1 。 目前采用永磁、電磁或永磁與電磁混合結(jié)構(gòu)的各類磁力機(jī)械已有很多，比較 常見(jiàn)的有磁力吸盤、磁力彈簧、磁力齒輪、磁力凸輪、磁力聯(lián)軸器等等，這些在 機(jī)械、汽車，土木、電力、國(guó)防和核工業(yè)等很多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1 6 】 1 刀【18 1 。 由于與傳統(tǒng)的傳動(dòng)技術(shù)相比而言，磁力傳動(dòng)具有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 無(wú)接觸傳動(dòng)、噪聲振動(dòng)小、節(jié)能環(huán)保等等，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁力傳動(dòng)機(jī)械做了 大量的研究與探討【1 9 】【2 0 1 。 ( 1 ) 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外學(xué)者很早就開(kāi)始了對(duì)磁力傳動(dòng)技術(shù)的研究與探索，早在1 9 4 0 年，英國(guó) 人c h a r l e s 和g e o f h yh o w a r d 就開(kāi)創(chuàng)性地提出了磁力驅(qū)動(dòng)泵技術(shù)，運(yùn)用永磁體 之間的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，專門用于解決危險(xiǎn)物質(zhì)的密封傳動(dòng)問(wèn)題，并且取得了 良好的效果，這也是代表著對(duì)磁力傳動(dòng)技術(shù)研究的開(kāi)始【2 1 1 ；在2 0 世紀(jì)六七十年 代，德國(guó)和法國(guó)相繼成功研制出了小型磁力驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置以及永磁聯(lián)軸器，并擴(kuò) 展了磁力傳動(dòng)裝置的應(yīng)用場(chǎng)合與范圍，這也代表著磁力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與 拓寬【翻；在8 0 年代末期，法國(guó)的y _ 0 加e t 、h e m m e r l i n 等人已經(jīng)開(kāi)始對(duì)磁性聯(lián) 軸器的性能進(jìn)行研究與探討，他們根據(jù)等效電流原理以及磁荷法原理，運(yùn)用解析 的方法研究了磁性聯(lián)軸器的傳動(dòng)性能，并給出了力與力矩的解析形式【2 3 】【2 4 1 ；上 世紀(jì)9 0 年代，日本的研究學(xué)者首次提出了無(wú)接觸磁性齒輪的概念，并且將其應(yīng) 用在醫(yī)療器械等微型機(jī)械中，取得了良好的反饋與成果，受到了學(xué)界廣泛的關(guān)注， 讓磁力傳動(dòng)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展【2 5 】【2 6 1 ；文獻(xiàn) 2 7 】中在血液驅(qū)動(dòng)泵中運(yùn)用了磁 力傳動(dòng)技術(shù)，運(yùn)用磁場(chǎng)有限元方法對(duì)傳動(dòng)力以及力矩進(jìn)行了分析計(jì)算，并且分析 了參數(shù)對(duì)傳動(dòng)性能的影響；y d 和d r h u 雒g 等人以磁性聯(lián)軸器以及磁力齒 輪為研究對(duì)象，首先建立了有限元仿真模型，然后運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)磁性聯(lián)軸 器以及磁力齒輪的性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析及優(yōu)化，為后續(xù)各種磁力機(jī)械的設(shè)計(jì) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 以及數(shù)值分析奠定了基礎(chǔ)【2 8 】【2 9 】【3 0 】。 ( 2 ) 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)于磁力傳動(dòng)學(xué)科的研究起步較晚，8 0 年代中期甘肅省科學(xué)院磁性器 件研究所首先展開(kāi)了對(duì)磁性傳動(dòng)泵的研裂3 1 1 ；1 9 9 1 年吉林工學(xué)院的趙風(fēng)桐、王 淑文等人探討了永磁體間作用力的計(jì)算方法【3 2 1 ；9 0 年代中期至今，合肥工業(yè)大 學(xué)的趙韓、楊志軼、田杰等人根據(jù)磁場(chǎng)基本理論以及數(shù)值計(jì)算方法先后對(duì)永磁齒 輪、磁性驅(qū)動(dòng)器等磁力機(jī)械的靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能做了理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3 3 】【蚓； 2 0 0 0 以來(lái)江蘇大學(xué)的孔繁余、曹衛(wèi)東等人運(yùn)用大型有限元計(jì)算軟件a n s y s 對(duì)磁 性聯(lián)軸器的進(jìn)行了性能分析以及工作性能的優(yōu)化設(shè)訓(xùn)3 5 】【3 6 1 ；文獻(xiàn) 3 7 中建立了永 磁離合器的仿真模型，對(duì)其傳遞性能進(jìn)行了計(jì)算與分析。目前雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一 些單位對(duì)某些磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做了理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究，但是由于缺乏系統(tǒng)的歸 納和分類，仍然沒(méi)有形成系統(tǒng)的研究方法手段和學(xué)科體系。 由于上世紀(jì)中葉學(xué)者們對(duì)磁力傳動(dòng)技術(shù)以及理論認(rèn)識(shí)尚淺，研究方法以及手 段也較為局限，加之磁性材料性能在客觀上的限制，磁力傳動(dòng)技術(shù)方面的研究進(jìn) 展得比較緩慢。近些年，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)以及永磁材料高速發(fā)展，特別是第三 代、第四代稀土永磁材料的出現(xiàn)，永磁材料性能大幅度提高，使得磁力傳動(dòng)技術(shù) 得到了迅猛的發(fā)展以及提高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。目前磁力傳動(dòng)在許多行業(yè) 都得到了研究與應(yīng)用，比較常見(jiàn)的有磁性傳動(dòng)泵、永磁齒輪、磁力軸承、磁性聯(lián) 軸器等等，但是磁力傳動(dòng)在電動(dòng)工具行業(yè)的應(yīng)用還處于研究試驗(yàn)階段，在這個(gè)方 向上有巨大的發(fā)展前景【3 8 1 。 1 2 3 電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀 在工程中，用于分析與研究磁場(chǎng)問(wèn)題的方法主要有三種：磁路法、解析法、 數(shù)值計(jì)算方法【3 9 1 。其中磁路法的核心是將磁場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為磁路問(wèn)題進(jìn)行分析； 解析計(jì)算方法則是根據(jù)電磁場(chǎng)基本理論對(duì)磁場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行分析以及推導(dǎo)求解，一般 計(jì)算得到的結(jié)果中包含大量高次積分，很難在實(shí)際設(shè)計(jì)中進(jìn)行運(yùn)用【鈞】【4 1 1 ；數(shù)值 計(jì)算方法則是一種以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的近似求解計(jì)算方法。 將以上三種方法進(jìn)行研究分析以及對(duì)比，可以得出各個(gè)方法的復(fù)雜程度以及 精確程度之間的對(duì)比如表1 2 所示： 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 表1 2 不同分析方法的對(duì)比 磁路法 解析法數(shù)值算法 化場(chǎng)為路，計(jì)進(jìn)行大量的積分利用數(shù)值計(jì)算的 復(fù)雜程度算比較簡(jiǎn)單方運(yùn)算，十分復(fù)雜方法，計(jì)算量也比 便較大 進(jìn)行了許多簡(jiǎn)計(jì)算得到的解析利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī) 化，而且需依式大多是四重高資源的輔助，結(jié)果 精確程度 據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取系維積分，求解困精確度比較高，速 數(shù)，精度較低 難度也較快 由表1 2 可以看出，在處理較為簡(jiǎn)單的磁力機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，比較適合采用 磁路法進(jìn)行計(jì)算分析在計(jì)算比較復(fù)雜的磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，數(shù)值計(jì)算方法的結(jié)果則比 較精確。 相比于前兩種方法來(lái)說(shuō)，數(shù)值計(jì)算方法能夠更有效地處理復(fù)雜的磁場(chǎng)問(wèn)題， 而且計(jì)算得到的結(jié)果精度也很高。目前發(fā)展比較成熟的數(shù)值計(jì)算方法有以下三 種：有限差分法、有限單元法、邊界元法【4 2 1 。 ( 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i 觸c em e m o d ) 在眾多的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法中，有限差分法是應(yīng)用較早的方法之一。有限 差分法的核心思想是首先將定解場(chǎng)域離散化，然后基于差分原理將離散點(diǎn)的差商 來(lái)代替該點(diǎn)偏導(dǎo)數(shù)，將待解的偏微分方程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組問(wèn)題進(jìn)行求解計(jì) 算。目前，有限差分法已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的計(jì)算方法，易于掌握與應(yīng)用，但是 遇到不規(guī)則的幾何特性以及較為復(fù)雜的磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，其適應(yīng)性不如有限元法 【4 3 】【4 4 】 ( 2 ) 有限元法( f i n i t ee l c m e n tm c m o d ) 有限單元法的基本思想最初是由學(xué)者c o w 趾t 在1 9 4 3 年提出來(lái)的，最早是 被應(yīng)用在復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)分析中，直至1 9 6 9 年才被s i l v e s t 盯等人用于電磁場(chǎng)問(wèn)題 的求解分析中有限元法是以變分原理和剖分差值為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法， 利用變分原理將所需要解決的微分方程型數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問(wèn)題，即泛 函求極值問(wèn)題；然后利用剖分、插值，離散化變分問(wèn)題為普通多元函數(shù)的極值問(wèn) 題，最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得所求問(wèn)題的數(shù)值解。有限元法 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 能夠適用于各種不同的復(fù)雜問(wèn)題的分析求解，也易于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的處 理，因此是在電磁場(chǎng)分析中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法【4 5 】【蛔 ( 3 ) 邊界元法( b o 吼d a d re l e m e n tm e t l l o d ) 邊界元法是繼有限元方法之后發(fā)展起來(lái)的一種較為精確有效的數(shù)值計(jì)算方 法，首先是被運(yùn)用在彈性力學(xué)中，進(jìn)而被應(yīng)用于電磁工程、流體力學(xué)、熱力學(xué)等 領(lǐng)域。此方法的核心思想是將邊值問(wèn)題等價(jià)地轉(zhuǎn)換為邊界積分方程問(wèn)題，然后再 進(jìn)行插值離散轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，最后進(jìn)行求解。邊界元法在處理介質(zhì)特性不太 復(fù)雜以及開(kāi)域問(wèn)題時(shí)，其精確度以及經(jīng)濟(jì)性都強(qiáng)于有限元法，但是不易處理其他 介質(zhì)特性較為復(fù)雜的問(wèn)題，通用性不如有限元法【4 7 】【4 8 1 。 各個(gè)數(shù)值分析方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1 3 所示。 表1 3 各種數(shù)值方法之間的對(duì)比 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 比較成熟的經(jīng)典方法，比較在處理較為復(fù)雜問(wèn)題時(shí)精度以 有限差分法 容易掌握和應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性較差 適用范圍非常廣，精度也較在處理某些特定問(wèn)題時(shí)，經(jīng)濟(jì) 有限元法 高，更好的經(jīng)濟(jì)性 性較差 特別適合處理無(wú)限域以及半應(yīng)用范圍不夠廣，較難解決非 邊界元法 無(wú)限域的問(wèn)題線性問(wèn)題 以上簡(jiǎn)單介紹了在磁場(chǎng)問(wèn)題數(shù)值分析中應(yīng)用最廣泛的三種方法，經(jīng)過(guò)分析以 及對(duì)比，本文中選擇數(shù)值計(jì)算方法中的有限元法對(duì)電錘中的磁力沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿 真模擬。 1 3 本文主要研究?jī)?nèi)容 1 3 1 本文研究目標(biāo) 本課題的研究目標(biāo)是在總結(jié)磁力傳動(dòng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)磁 力沖擊技術(shù)進(jìn)行深入研究與探討，然后結(jié)合現(xiàn)有的電錘類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)新 型的磁力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 1 3 2 本文研究?jī)?nèi)容 本課題在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及浙江省重大科技專項(xiàng)的資助下，與企業(yè)緊 密合作，對(duì)磁力沖擊技術(shù)在電錘類產(chǎn)品上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，主要研究?jī)?nèi) 容如下： 1 首先對(duì)磁力傳動(dòng)技術(shù)及電錘類產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究并歸納與總 結(jié)，然后在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，結(jié)合新型電錘產(chǎn)品自身的特點(diǎn)，對(duì)磁 力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及改進(jìn)，具體包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 2 根據(jù)電磁場(chǎng)有限元理論，運(yùn)用a n s y s 軟件電磁場(chǎng)分析模塊，對(duì)磁力沖擊機(jī) 構(gòu)進(jìn)行建模仿真分析，研究其在靜止?fàn)顟B(tài)下的受力情況以及磁場(chǎng)分布情況， 并且研究磁力沖擊機(jī)構(gòu)整個(gè)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中的性能，運(yùn)用a p d l 參數(shù)化語(yǔ)言 對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況進(jìn)行仿真計(jì)算； 3 分析各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能的影響，確定對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu) 沖擊性能影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取采樣點(diǎn)并構(gòu)建代理模型， 運(yùn)用遺傳優(yōu)化算法對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化； 4 分析與研究磁力測(cè)試的方法，選擇適合磁力沖擊機(jī)構(gòu)磁作用力的測(cè)量方法， 并且搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)中永磁體之間的受力情況進(jìn)行測(cè)試，以 驗(yàn)證仿真模型的正確性。 1 3 3 本文關(guān)鍵技術(shù) 1 磁力沖擊式電錘的核心部分就是磁力沖擊機(jī)構(gòu)，即如何將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)高效地轉(zhuǎn) 化成為沖擊運(yùn)動(dòng)，這里面就涉及到磁力沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括限位機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)、行程的設(shè)計(jì)以及固定裝置的設(shè)計(jì)等； 2 在本論文中，研究的核心內(nèi)容之一就是對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能進(jìn)行分 析，所以如何應(yīng)用a n s y s 電磁場(chǎng)分析模塊以及a p d l 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)磁 力沖擊機(jī)構(gòu)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)下的性能進(jìn)行分析顯得尤為重要； 3 如何最大程度地提高磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能十分關(guān)鍵，所以需要對(duì)設(shè)計(jì)參 數(shù)進(jìn)行篩選以及分析，需要確定合理的變量進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并構(gòu)建代理模型 進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論 1 4 本論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章首先系統(tǒng)地闡述了本課題的研究背景以及意義，并歸納總結(jié)了電錘 類產(chǎn)品、磁力傳動(dòng)技術(shù)、磁場(chǎng)數(shù)值分析方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了研究磁力 沖擊式電錘的必要性以及可行性； 第二章介紹了磁力沖擊式電錘的基本原理，對(duì)磁力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu) 進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第三章結(jié)合電磁場(chǎng)有限元基本理論，建立了磁力沖擊機(jī)構(gòu)的三維有限元模 型，分析了靜止?fàn)顟B(tài)下沖擊機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布以及受力情況，運(yùn)用a p d l 語(yǔ)言對(duì) 整個(gè)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中的受力情況進(jìn)行了循環(huán)計(jì)算； 第四章分析了磁極對(duì)數(shù)、磁體分布角度、最小間隙磁體半徑、磁體厚度 等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能的影響，選取采樣點(diǎn)構(gòu)建了代理模型，對(duì) 設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化； 第五章簡(jiǎn)單介紹了實(shí)驗(yàn)的原理以及方法，對(duì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)之間的受力進(jìn)行 了測(cè)試，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，介紹了樣機(jī)制作的具體過(guò)程； 第六章對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)后續(xù)的研究工作進(jìn)行了展望。 l o 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)將磁力沖擊技術(shù)應(yīng)用于電錘類產(chǎn)品中的類似文獻(xiàn)及例證， 本論文中所研究的磁力沖擊式電錘突破了傳統(tǒng)電錘類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思維，是一個(gè)全 新的研究領(lǐng)域。在對(duì)磁力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證電錘的 基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)，然后還需要綜合考慮制造工藝、外觀及經(jīng)濟(jì)性等其他方面的 因素。 2 1 磁力沖擊式電錘的基本原理 本論文中提出的具有磁力沖擊機(jī)構(gòu)的新型電錘的基本結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示，其 主體部分由磁力沖擊機(jī)構(gòu)、齒輪減速機(jī)構(gòu)及殼體組成，其中磁力沖擊機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn) 動(dòng)盤和沖擊盤上分別交錯(cuò)排列著沿軸向方向呈n 極、s 極的永磁體，永磁體之間 的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)交替地產(chǎn)生排斥力和吸引力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊部件的往復(fù)沖擊運(yùn) ，l 動(dòng)。 圖2 1 磁力沖擊式電錘結(jié)構(gòu)圖 圖中，1 旋轉(zhuǎn)套筒，2 軸承，3 邛艮位螺帽，4 驅(qū)動(dòng)齒輪，5 墊圈，6 沖擊盤， 7 環(huán)形永久磁鐵，8 環(huán)形永久磁鐵，9 軸承，1 0 轉(zhuǎn)動(dòng)盤，1 1 傳動(dòng)齒輪，1 2 軸承， 1 3 軸承，1 4 一支承座，1 5 電機(jī)，1 6 軸承，1 7 中間軸，1 8 一大齒輪，1 9 中間齒輪， 2 0 導(dǎo)向套筒，2 1 軸承，2 2 小齒輪，2 3 殼體，2 4 一鉆夾頭 磁力沖擊式電錘的具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)帶 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 動(dòng)旋轉(zhuǎn)套筒以及鉆夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)同時(shí)通過(guò)齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)盤 以及沖擊盤上的永磁體之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并交替地產(chǎn)生排斥力和吸引力。而 沖擊盤由于受到導(dǎo)向套簡(jiǎn)的限制，不能進(jìn)行周向地轉(zhuǎn)動(dòng)，只能相對(duì)于殼體做軸向 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了沖擊部件的往復(fù)沖擊功能，這樣就實(shí)現(xiàn)了電錘的沖擊以及 旋轉(zhuǎn)的功能。 磁力沖擊機(jī)構(gòu)往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：在靜止?fàn)顟B(tài)下，磁力沖擊 機(jī)構(gòu)中的永磁體之間處于吸合狀態(tài)，此時(shí)永磁體之間吸引力最大；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)盤及 永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，吸引力逐漸減小至零，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁體之間表現(xiàn)為 排斥力，當(dāng)排斥力大于摩擦阻力時(shí)，沖擊盤開(kāi)始做沖擊運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤繼續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁體之間的正對(duì)面積逐漸增大，永磁體之間的間距也越來(lái)越大，在初始 時(shí)間段內(nèi)，排斥力仍然逐步增大，當(dāng)磁體間距對(duì)磁力的影響程度超過(guò)磁體正對(duì)面 積對(duì)磁力的影響程度時(shí)，排斥力開(kāi)始逐漸減小，直至碰撞到鉆頭的位置；當(dāng)碰撞 完成后，由于轉(zhuǎn)動(dòng)盤一直都在轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)磁體之間表現(xiàn)為吸引力，沖擊盤開(kāi)始做 回復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨著磁體間作用面積逐漸增大及磁體間距的不斷減小，吸引力也逐步 增大，當(dāng)磁體間作用面積對(duì)磁力的影響超過(guò)磁體間距對(duì)其影響時(shí)，吸引力開(kāi)始逐 步減小，直至沖擊盤完全回到初始位置，然后繼續(xù)循環(huán)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的沖 擊運(yùn)動(dòng)。 相比于傳統(tǒng)電錘類產(chǎn)品的而言，磁力沖擊式電錘的沖擊運(yùn)動(dòng)是在非密封狀態(tài) 下實(shí)現(xiàn)的，而且兩側(cè)永磁體之間沒(méi)有直接接觸，所以本文中的新型電錘具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，加工制造要求低，振動(dòng)噪聲小等特性。 2 3 磁力沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 磁力沖擊機(jī)構(gòu)是磁力沖擊式電錘產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)沖擊功能的核心部件，直接關(guān)系 著整個(gè)電錘的沖擊性能，是整個(gè)電錘產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。在設(shè)計(jì)時(shí)需要從 以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：第一，磁力沖擊機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)沖擊的功能，并且達(dá) 到最佳的沖擊效果；第二，磁力沖擊機(jī)構(gòu)的尺寸比較緊湊，能夠與現(xiàn)有電錘機(jī)殼 的尺寸進(jìn)行匹配。 1 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 3 1 磁力沖擊機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù) 在設(shè)計(jì)磁力沖擊機(jī)構(gòu)時(shí)，需要限制沖擊盤的周向轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)盤的軸向移動(dòng)， 并且能夠根據(jù)不同的技術(shù)要求設(shè)定沖擊盤的行程。在本論文中，運(yùn)用了導(dǎo)向套筒 與沖擊盤之間的配合限制沖擊盤的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用限位螺母實(shí)現(xiàn)行程的設(shè)定及調(diào) 節(jié)，磁力沖擊機(jī)構(gòu)的具體三維模型如圖2 4 所示。 圖2 - 4 磁力沖擊機(jī)構(gòu)的三維模型圖 磁力沖擊機(jī)構(gòu)沖擊過(guò)程中的沖擊能量完全由永磁體的磁能提供的，故其沖擊 性能是由磁極數(shù)目、磁極面積分布、永磁體間的最小氣隙、永磁體半徑及厚度等 主要設(shè)計(jì)參數(shù)所共同決定。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的需求及模型尺寸限制條件 進(jìn)行參數(shù)的選定，圖2 5 所示為磁極數(shù)目為4 的沖擊機(jī)構(gòu)處于吸合位置時(shí)的主要 結(jié)構(gòu)參數(shù)。 圖2 5 磁力) 中擊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 其中：s 為兩側(cè)永磁體位于吸合位置時(shí)的最小間隙，r 為永磁體的外徑，d 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為永磁體的厚度，e1 與e2 分別為n ，s 極的分布角度。 2 3 2 磁體數(shù)日及磁體角度分布的選擇 磁極數(shù)目的多少直接影響著沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)盤上永磁體n 、 s 極旋轉(zhuǎn)變換一次，沖擊部件就完成一次沖擊運(yùn)動(dòng)，所以磁極數(shù)目與沖擊頻率之 間呈正比關(guān)系在設(shè)計(jì)時(shí)，磁極數(shù)目不能過(guò)大，否則會(huì)使漏磁增加氣隙磁通密度 減小，導(dǎo)致單次沖擊能偏小達(dá)不到應(yīng)有的效果；磁極數(shù)目也不宜過(guò)小，否則沖擊 頻率過(guò)低也會(huì)影響整體性能。根據(jù)電錘產(chǎn)品的沖擊能量以及沖擊頻率的技術(shù)要 求，本文中將磁極數(shù)目初步設(shè)定為4 。 磁力沖擊機(jī)構(gòu)主要是由分布在轉(zhuǎn)動(dòng)盤以及沖擊盤上的四對(duì)磁體所構(gòu)成的，每 塊磁體的面積大小直接決定了磁力作用面積的大小及整個(gè)沖擊機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)分 布，與沖擊性能密切相關(guān)。經(jīng)過(guò)仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)四塊磁體的面積相等 時(shí)( 即e1 = e2 = 9 0 。) 沖擊效果最好。故在本文中，將沖擊機(jī)構(gòu)中的永磁體的面 積設(shè)為相等的，并且采用了整塊磁鐵分區(qū)充磁技術(shù)，代替了原有的四塊分別的磁 鐵，不僅簡(jiǎn)化了磁鐵裝配的結(jié)構(gòu)，而其提高了沖擊機(jī)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性，圖 2 6 為永磁體分布三維示意圖。 2 3 3 永磁體的材料選擇 圖2 6 永磁體分布三維圖 永磁體的材料性能直接決定了其產(chǎn)生磁作用力的大小，進(jìn)而決定著沖擊機(jī)構(gòu) 的沖擊力和沖擊性能，所以合理選擇所用永磁材料顯得至關(guān)重要。在選擇過(guò)程中， 1 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 不僅要考慮到磁體材料本身的性能，還必須考慮到材料的經(jīng)濟(jì)性。 一般情況下，在選擇永磁材料的時(shí)候，需要考慮以下兩個(gè)方面的性能：第一 是永磁材料需要具有高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度b ，第二個(gè)是需要具有高的矯頑力h c 。 在分析和對(duì)比了目前市場(chǎng)上的永磁材料之后，可以得知釹鐵硼永磁材料具有高剩 磁、高矯頑力、高磁能積等優(yōu)良性能，并且具有較好的性價(jià)比，所以本論文中選 用了牌號(hào)為n 4 2 的釹鐵硼永磁材料作為磁力沖擊機(jī)構(gòu)的永磁體部分 2 3 4 最小同隙的選取 永磁體之間的最小氣隙是影響沖擊性能的諸多因素中一個(gè)非常重要的因素。 由于空氣中的磁阻比其他介質(zhì)中磁阻要大很多，所以理論上說(shuō)，氣隙的減小有利 于增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從而起到加強(qiáng)沖擊性能的作用；但是在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)時(shí)，氣隙 的減小會(huì)受到諸多因素的限制，必須要考慮加工制造以及安裝調(diào)試等一系列的技 術(shù)要求，所以氣隙也不能無(wú)限制地減小。在本論文中，初步將磁力沖擊機(jī)構(gòu)中的 的最小氣隙設(shè)定為s = 2 衄。 2 3 5 沖擊盤的設(shè)計(jì) 沖擊盤包括前端的限位螺帽以及后端的盤體，在磁力沖擊機(jī)構(gòu)中通過(guò)限位螺 帽以及沖擊盤盤體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊行程的設(shè)定與調(diào)整，并且能夠根據(jù)不同的技術(shù)要 求對(duì)沖擊行程進(jìn)行調(diào)節(jié)與改變。同時(shí)，導(dǎo)向套筒會(huì)對(duì)沖擊盤起一個(gè)定位的作用， 這樣沖擊盤就只能進(jìn)行軸向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊的功能，圖2 7 為沖擊盤的具體結(jié)構(gòu)圖。 a 2 、 o o 卜f q 3 = 一 。l 一 - 舀l 屯 勿 a 5a 4a 3 圖2 7 沖擊盤結(jié)構(gòu)圖 1 5 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 3 6 導(dǎo)向套筒的設(shè)計(jì) 采用導(dǎo)向套筒與沖擊軸間的配合作用代替原有的導(dǎo)向銷結(jié)構(gòu)限制沖擊軸的 周向轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)用導(dǎo)向套筒進(jìn)行限位能夠使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，而且達(dá)到更好的限制效果 圖2 8 為導(dǎo)向套筒的具體結(jié)構(gòu)圖，可以看出導(dǎo)向套筒的內(nèi)部為正方形截面，與沖 擊盤前端進(jìn)行配合，能夠很好地限制沖擊盤的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，然后導(dǎo)向套筒外部是凸 起部分是與機(jī)殼內(nèi)部凹槽進(jìn)行配合，起固定導(dǎo)向套筒的作用。 2 3 7 轉(zhuǎn)動(dòng)盤的設(shè)計(jì) 圖2 8 導(dǎo)向套筒結(jié)構(gòu)圖 在電錘中，轉(zhuǎn)動(dòng)盤所需要實(shí)現(xiàn)的功能是旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)磁力耦合作用驅(qū)動(dòng)沖擊部件進(jìn)行往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)盤是 不能進(jìn)行軸向移動(dòng)的，所以通過(guò)軸承將轉(zhuǎn)動(dòng)盤固定在支承座與機(jī)殼之間，轉(zhuǎn)動(dòng)盤 的具體結(jié)構(gòu)如圖2 9 所示。 1 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) c 、j h 1 d o，十 1 & o 1 & = - 一 o 一 j rr _ 畦 1 暑l 最_ 一 o oa 5 a 6a 7a 9 a 芍 圖2 9 轉(zhuǎn)動(dòng)盤結(jié)構(gòu)圖 2 2 磁力沖擊式電錘的總體結(jié)構(gòu) 本論文在已有發(fā)明專利的基礎(chǔ)上【4 9 1 ，根據(jù)現(xiàn)有電錘產(chǎn)品的技術(shù)要求，對(duì)磁 力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)永磁體、傳動(dòng)軸、沖擊盤、驅(qū)動(dòng) 盤、導(dǎo)向套筒、支承座等零件的設(shè)計(jì)，圖2 2 是磁力沖擊式電錘的整體裝配圖， 圖2 3 是磁力沖擊式電錘的三維模型圖。 - | - 7 一 77 茲。3亍= d 一飼唧目飭茲鞫臣 鬣一 孓 留濺 摻香 u 忒 啟濰 攀一一 =泄 l 臼一 往廿1 = _ 茵一 閑l 4 i 。” = = 重麓髓皤薯髓礴置疆瞳喇翻醴鰳昭瞳 三 一l 。：l ：解 島l 昌 弋鋤簪 l 鼴圜照硝嘲麓糊 = 懣閔飭 ： 瞬墨 l 過(guò)狐 = 罾冀勰鬣麓礦= 閡6 鮒瓤；：易凇 b。 _ 刪l 醛激怒蟶心$ 閑、置 餳 l l k 女n a k n k n 瀏_ 螋：獺掰愛(ài)象鋤 船 圖2 2 磁力沖擊式電錘裝配圖 圖中，1 旋轉(zhuǎn)套筒，2 軸承，3 限位螺帽，4 驅(qū)動(dòng)齒輪，5 一沖擊盤，岳沖擊環(huán) 形永久磁鐵，7 旋轉(zhuǎn)環(huán)形永久磁鐵，8 軸承，9 大齒輪，1 0 轉(zhuǎn)動(dòng)盤，1 1 軸承， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 2 電機(jī)，1 3