（機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)論文）磁力沖擊式電錘的設(shè)計及性能分析.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)用過程中工況較為復(fù)雜，因此對電錘各項性能指標(biāo)要求均 很高，而國產(chǎn)電錘普遍存在較多質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)為連續(xù)工作時間短、易發(fā)熱、 易磨損以及振動噪聲大等方面。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，能夠通過磁力沖擊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)沖擊部件的往復(fù)沖擊運(yùn)動。 與傳統(tǒng)的電錘產(chǎn)品相比，磁力沖擊式電錘具有無摩擦磨損、結(jié)構(gòu)簡單，噪聲震動 小、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目1 、浙江省重大科技專項2 和 企業(yè)需求，本文對磁力沖擊式電錘的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體的設(shè)計，對其沖擊性能進(jìn)行 了深入的研究與分析，并且開展了沖擊機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的分析與優(yōu)化設(shè)計等研究工 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 技術(shù)、磁場數(shù)值分析方法的國內(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，對磁力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu)進(jìn) 行設(shè)計，主要包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及齒輪傳動機(jī)構(gòu)等各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 第3 章根據(jù)電磁場有限元基本理論，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)的磁場分布以及受力情況，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用a p d l 語言對整個動態(tài)沖擊過程中的受力情況進(jìn)行了循環(huán)計算； 第4 章分析了磁極對數(shù)、磁體分布角度、最小間隙、磁體半徑、磁體厚度等 設(shè)計參數(shù)對磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能的影響，通過構(gòu)建二次響應(yīng)面代理模型，對 設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化； 第5 章搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，對磁力沖擊機(jī)構(gòu)永磁體之間的受力進(jìn)行了測試，驗(yàn) 證了仿真模型的正確性，并介紹了樣機(jī)制作的過程； 第6 章對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對下一步研究工作進(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 國家自然科學(xué)基金項目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重點(diǎn)工業(yè)項目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 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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，知識淵博，在這將近三年的時間中，無論是學(xué)習(xí)上還是生活中都得到了他 無微不至的關(guān)懷，給我提供了一個良好的科研環(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我無私的幫助及指導(dǎo)。 深深感謝我的父母及親人朋友這么多年來給我的關(guān)懷與支持，是你們給予了 我奮發(fā)前進(jìn)的動力，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 電動工具是以電動機(jī)或電磁鐵為動力通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動工作頭的機(jī)械化工 具，具有結(jié)構(gòu)輕巧、攜帶方便、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)【1 1 。運(yùn)用電動工具進(jìn)行作業(yè)不但 可以很大程度上降低操作人員的勞動強(qiáng)度，而且能夠顯著提高勞動生產(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)牧等各個行業(yè)中。電動工具的品種繁多，按照使用場合進(jìn)行分類，一般可 以分為工業(yè)用電動工具與家用電動工具兩大類；按照加工對象進(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工具中的一個品種，在所有電動工具產(chǎn)品中占有一個 較大的比例，是比較典型的電動工具產(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)品的需求量將越來越大，將會有極其廣 闊的市場空間。 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)比較簡單，主要部件包括電動機(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，電動機(jī)軸線與沖錘軸線垂直，可以采用平衡塊減小振動，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， 工作時振動大 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，電動工具得 到了越來越多的重視及應(yīng)用，電動工具行業(yè)得到了快速的發(fā)展及壯大。據(jù)有關(guān)部 門統(tǒng)計，我國是世界上最大的電動工具生產(chǎn)制造基地，大約7 0 的電動工具都是 由中國生產(chǎn)的【3 1 。通常而言，電動工具產(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，而且電動工具對安全性能要求較高，所以 這對電動工具的設(shè)計、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 內(nèi)的電動工具生產(chǎn)制造的廠家很多，但是與國外的先進(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、價格較低、自主品牌較少這三個問題，這也 導(dǎo)致了國產(chǎn)電動工具在市場中的競爭力較低以及經(jīng)常性的低價無序競爭【鍆。 由于電錘產(chǎn)品在實(shí)際工程應(yīng)用過程中的工況較為復(fù)雜，所以對電錘的各項性 能指標(biāo)要求均較高，而國產(chǎn)的電錘普遍存在著很多質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在連續(xù)工 作時間較短、長時間工作易發(fā)熱、易磨損、耐久性差以及噪聲振動大這幾個方面。 因此在中高端市場中，進(jìn)口品牌產(chǎn)品占據(jù)了大部分的市場空間5 1 。目前國內(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)上只是國外產(chǎn)品的生產(chǎn)加工車間，這些現(xiàn)狀對我國電動 工具的長遠(yuǎn)發(fā)展是非常不利的。 針對上述國內(nèi)電錘的諸多問題，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，能夠通過磁力沖擊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電錘的往復(fù)沖擊運(yùn) 動，與傳統(tǒng)的沖擊方式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦磨損問題、污染小等優(yōu)點(diǎn)， 并且能有效克服現(xiàn)有氣動式?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 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 電錘類產(chǎn)品國內(nèi)外現(xiàn)狀 根據(jù)實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動的原理不同，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，是由兩個相對端面帶有犬牙狀齒的 沖擊構(gòu)件( 動沖擊件、靜沖擊件) 組成，由調(diào)節(jié)鈕來控制沖擊構(gòu)件之間的分離和 嚙合，通過沖擊構(gòu)件之間的分離與嚙合產(chǎn)生沖擊運(yùn)動，達(dá)到?jīng)_擊的效果，并進(jìn)行 鉆孔等作業(yè)。 ( 2 ) 氣動式?jīng)_擊錘鉆 氣動式?jīng)_擊錘鉆的沖擊運(yùn)動是通過擺桿軸承機(jī)構(gòu)或者曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動活 塞在氣缸內(nèi)的來回往復(fù)運(yùn)動，使得活塞與沖錘之間形成氣墊，通過氣墊作用使沖 錘產(chǎn)生來回沖擊運(yùn)動，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力源的，有兩種不同的實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動的具 體方式：一種是利用安裝在錘桿后端的沖擊彈簧的伸縮來實(shí)現(xiàn)錘頭的往復(fù)沖擊運(yùn) 動；另一種是通過帶有線圈的定子與動子之間的相互排斥力來實(shí)現(xiàn)沖擊運(yùn)動的， 其中動子與錘頭為一體，當(dāng)動子與定子上的電磁鐵緊密接觸時線圈通電，瞬間產(chǎn) 生的電磁力使動子以及錘頭獲得極大的沖擊力，從而完成沖擊運(yùn)動【引。 對三種不同類型的錘鉆進(jìn)行研究分析以及對比，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，振動和噪聲都非 常大 結(jié)構(gòu)可靠，沖擊力 對活塞腔的密封性能要求較 氣動式?jīng)_擊電錘 比一般電鉆大，沖 高，制造成本較大，振動和噪 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 易失效而無法繼續(xù)工作 目前在電錘類產(chǎn)品的研發(fā)方面，國外最具代表性的是德國博世、日本牧田、 日本日立、美國百得等一些知名的電動工具公司，這些公司均投入了大量的資本 進(jìn)行研究與開發(fā)，從產(chǎn)品的基本工作性能到振動噪聲以及人機(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 總的來說，國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 反觀國內(nèi)電錘產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀，由于國內(nèi)對電錘類產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)起步較 晚，所以絕大部分的電動工具生產(chǎn)廠商都是處于仿制和引進(jìn)國外技術(shù)的階段，基 本上沒有自己單獨(dú)研發(fā)和生產(chǎn)電動工具的能力，這也導(dǎo)致了國產(chǎn)工具的質(zhì)量普遍 較差，只能依靠低廉的價格提升產(chǎn)品的競爭力，進(jìn)而導(dǎo)致了進(jìn)一步的惡性循環(huán) 【1 2 】。目前，國內(nèi)只有上海電動工具研究所、甘肅氣動工具研究所及成都工具研 究所等幾家研究所在對電錘產(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，故目前國內(nèi)的技術(shù)水平與國外 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 磁力傳動技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 磁力傳動是利用磁性物質(zhì)之間同性相斥、異性相吸的原理，通過磁耦合把磁 能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程。簡單來說就是利用傳動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) 來實(shí)現(xiàn)動力傳遞的一種新型傳動方式【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)的傳動技術(shù)相比而言，磁力傳動具有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡單、 無接觸傳動、噪聲振動小、節(jié)能環(huán)保等等，所以國內(nèi)外學(xué)者對磁力傳動機(jī)械做了 大量的研究與探討【1 9 】【2 0 1 。 ( 1 ) 國外研究現(xiàn)狀 國外學(xué)者很早就開始了對磁力傳動技術(shù)的研究與探索，早在1 9 4 0 年，英國 人c h a r l e s 和g e o f h yh o w a r d 就開創(chuàng)性地提出了磁力驅(qū)動泵技術(shù)，運(yùn)用永磁體 之間的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動泵的轉(zhuǎn)動，專門用于解決危險物質(zhì)的密封傳動問題，并且取得了 良好的效果，這也是代表著對磁力傳動技術(shù)研究的開始【2 1 1 ；在2 0 世紀(jì)六七十年 代，德國和法國相繼成功研制出了小型磁力驅(qū)動實(shí)驗(yàn)裝置以及永磁聯(lián)軸器，并擴(kuò) 展了磁力傳動裝置的應(yīng)用場合與范圍，這也代表著磁力驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與 拓寬【翻；在8 0 年代末期，法國的y _ 0 加e t 、h e m m e r l i n 等人已經(jīng)開始對磁性聯(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)動泵中運(yùn)用了磁 力傳動技術(shù)，運(yùn)用磁場有限元方法對傳動力以及力矩進(jìn)行了分析計算，并且分析 了參數(shù)對傳動性能的影響；y d 和d r h u 雒g 等人以磁性聯(lián)軸器以及磁力齒 輪為研究對象，首先建立了有限元仿真模型，然后運(yùn)用數(shù)值計算方法對磁性聯(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 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 ) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對于磁力傳動學(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 件研究所首先展開了對磁性傳動泵的研裂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)磁場基本理論以及數(shù)值計算方法先后對永磁齒 輪、磁性驅(qū)動器等磁力機(jī)械的靜態(tài)動態(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 以來江蘇大學(xué)的孔繁余、曹衛(wèi)東等人運(yùn)用大型有限元計算軟件a n s y s 對磁 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，對其傳遞性能進(jìn)行了計算與分析。目前雖然國內(nèi)已經(jīng)有一 些單位對某些磁力傳動機(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)者們對磁力傳動技術(shù)以及理論認(rèn)識尚淺，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)域也越來越廣泛。目前磁力傳動在許多行業(yè) 都得到了研究與應(yīng)用，比較常見的有磁性傳動泵、永磁齒輪、磁力軸承、磁性聯(lián) 軸器等等，但是磁力傳動在電動工具行業(yè)的應(yīng)用還處于研究試驗(yàn)階段，在這個方 向上有巨大的發(fā)展前景【3 8 1 。 1 2 3 電磁場數(shù)值計算的發(fā)展現(xiàn)狀 在工程中，用于分析與研究磁場問題的方法主要有三種：磁路法、解析法、 數(shù)值計算方法【3 9 1 。其中磁路法的核心是將磁場問題轉(zhuǎn)化為磁路問題進(jìn)行分析； 解析計算方法則是根據(jù)電磁場基本理論對磁場問題進(jìn)行分析以及推導(dǎo)求解，一般 計算得到的結(jié)果中包含大量高次積分，很難在實(shí)際設(shè)計中進(jìn)行運(yùn)用【鈞】【4 1 1 ；數(shù)值 計算方法則是一種以現(xiàn)代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的近似求解計算方法。 將以上三種方法進(jìn)行研究分析以及對比，可以得出各個方法的復(fù)雜程度以及 精確程度之間的對比如表1 2 所示： 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 表1 2 不同分析方法的對比 磁路法 解析法數(shù)值算法 化場為路，計進(jìn)行大量的積分利用數(shù)值計算的 復(fù)雜程度算比較簡單方運(yùn)算，十分復(fù)雜方法，計算量也比 便較大 進(jìn)行了許多簡計算得到的解析利用現(xiàn)有計算機(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，在處理較為簡單的磁力機(jī)械設(shè)計問題時，比較適合采用 磁路法進(jìn)行計算分析在計算比較復(fù)雜的磁場問題時，數(shù)值計算方法的結(jié)果則比 較精確。 相比于前兩種方法來說，數(shù)值計算方法能夠更有效地處理復(fù)雜的磁場問題， 而且計算得到的結(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 ) 在眾多的電磁場數(shù)值計算方法中，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域離散化，然后基于差分原理將離散點(diǎn)的差商 來代替該點(diǎn)偏導(dǎo)數(shù)，將待解的偏微分方程問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組問題進(jìn)行求解計 算。目前，有限差分法已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的計算方法，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)雜的磁場問題時，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 盯等人用于電磁場問題 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)的變分問題，即泛 函求極值問題；然后利用剖分、插值，離散化變分問題為普通多元函數(shù)的極值問 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，因此是在電磁場分析中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計算方法【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)展起來的一種較為精確有效的數(shù)值計算方 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題等價地轉(zhuǎn)換為邊界積分方程問題，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)雜以及開域問題時，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)雜的問題，通用性不如有限元法【4 7 】【4 8 1 。 各個數(shù)值分析方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1 3 所示。 表1 3 各種數(shù)值方法之間的對比 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)雜問題時精度以 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題時，經(jīng)濟(jì) 有限元法 高，更好的經(jīng)濟(jì)性 性較差 特別適合處理無限域以及半應(yīng)用范圍不夠廣，較難解決非 邊界元法 無限域的問題線性問題 以上簡單介紹了在磁場問題數(shù)值分析中應(yīng)用最廣泛的三種方法，經(jīng)過分析以 及對比，本文中選擇數(shù)值計算方法中的有限元法對電錘中的磁力沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿 真模擬。 1 3 本文主要研究內(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)磁力傳動技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對磁 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)，對新 型的磁力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進(jìn)行性能分析及優(yōu)化設(shè)計 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 1 3 2 本文研究內(nèi)容 本課題在國家自然科學(xué)基金項目及浙江省重大科技專項的資助下，與企業(yè)緊 密合作，對磁力沖擊技術(shù)在電錘類產(chǎn)品上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，主要研究內(nèi) 容如下： 1 首先對磁力傳動技術(shù)及電錘類產(chǎn)品的國內(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)，對磁 力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及改進(jìn)，具體包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及傳 動機(jī)構(gòu)的設(shè)計； 2 根據(jù)電磁場有限元理論，運(yùn)用a n s y s 軟件電磁場分析模塊，對磁力沖擊機(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分布情況， 并且研究磁力沖擊機(jī)構(gòu)整個動態(tài)沖擊過程中的性能，運(yùn)用a p d l 參數(shù)化語言 對其運(yùn)動過程中的受力情況進(jìn)行仿真計算； 3 分析各個設(shè)計參數(shù)對磁力沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊性能的影響，確定對磁力沖擊機(jī)構(gòu) 沖擊性能影響較大的設(shè)計參數(shù)，通過試驗(yàn)設(shè)計選取采樣點(diǎn)并構(gòu)建代理模型， 運(yùn)用遺傳優(yōu)化算法對沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化； 4 分析與研究磁力測試的方法，選擇適合磁力沖擊機(jī)構(gòu)磁作用力的測量方法， 并且搭建試驗(yàn)平臺，對磁力沖擊機(jī)構(gòu)中永磁體之間的受力情況進(jìn)行測試，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)動高效地轉(zhuǎn) 化成為沖擊運(yùn)動，這里面就涉及到磁力沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括限位機(jī)構(gòu) 的設(shè)計、行程的設(shè)計以及固定裝置的設(shè)計等； 2 在本論文中，研究的核心內(nèi)容之一就是對磁力沖擊機(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 電磁場分析模塊以及a p d l 參數(shù)化設(shè)計語言對磁 力沖擊機(jī)構(gòu)的靜態(tài)及動態(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，所以需要對設(shè)計參 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，并構(gòu)建代理模型 進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 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、磁力傳動技術(shù)、磁場數(shù)值分析方法的國內(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，對磁力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu) 進(jìn)行設(shè)計，主要包括磁力沖擊機(jī)構(gòu)以及齒輪傳動機(jī)構(gòu)的各個部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 第三章結(jié)合電磁場有限元基本理論，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)的磁場分布以及受力情況，運(yùn)用a p d l 語言對 整個動態(tài)沖擊過程中的受力情況進(jìn)行了循環(huán)計算； 第四章分析了磁極對數(shù)、磁體分布角度、最小間隙磁體半徑、磁體厚度 等設(shè)計參數(shù)對磁力沖擊機(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 設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化； 第五章簡單介紹了實(shí)驗(yàn)的原理以及方法，對磁力沖擊機(jī)構(gòu)之間的受力進(jìn)行 了測試，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，介紹了樣機(jī)制作的具體過程； 第六章對全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對后續(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 2 磁力沖擊式電錘鉆的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 目前，國內(nèi)外尚無將磁力沖擊技術(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)計思維，是一個全 新的研究領(lǐng)域。在對磁力沖擊式電錘進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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) 動盤和沖擊盤上分別交錯排列著沿軸向方向呈n 極、s 極的永磁體，永磁體之間 的相對轉(zhuǎn)動會交替地產(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。 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)動盤，1 1 傳動齒輪，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)動過程如下：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，通過齒輪減速機(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 動旋轉(zhuǎn)套筒以及鉆夾頭轉(zhuǎn)動；電機(jī)同時通過齒輪帶動轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動，安裝在轉(zhuǎn)動盤 以及沖擊盤上的永磁體之間會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，并交替地產(chǎn)生排斥力和吸引力。而 沖擊盤由于受到導(dǎo)向套簡的限制，不能進(jìn)行周向地轉(zhuǎn)動，只能相對于殼體做軸向 往復(fù)運(yùn)動，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)動的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：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)，此時永磁體之間吸引力最大；隨著轉(zhuǎn)動盤及 永磁體的轉(zhuǎn)動，吸引力逐漸減小至零，當(dāng)轉(zhuǎn)動盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，永磁體之間表現(xiàn)為 排斥力，當(dāng)排斥力大于摩擦阻力時，沖擊盤開始做沖擊運(yùn)動；此時，轉(zhuǎn)動盤繼續(xù) 轉(zhuǎn)動，永磁體之間的正對面積逐漸增大，永磁體之間的間距也越來越大，在初始 時間段內(nèi)，排斥力仍然逐步增大，當(dāng)磁體間距對磁力的影響程度超過磁體正對面 積對磁力的影響程度時，排斥力開始逐漸減小，直至碰撞到鉆頭的位置；當(dāng)碰撞 完成后，由于轉(zhuǎn)動盤一直都在轉(zhuǎn)動，此時磁體之間表現(xiàn)為吸引力，沖擊盤開始做 回復(fù)運(yùn)動，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)磁體間作用面積對磁力的影響超過磁體間距對其影響時，吸引力開始逐 步減小，直至沖擊盤完全回到初始位置，然后繼續(xù)循環(huán)上述過程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的沖 擊運(yùn)動。 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)永磁體之間沒有直接接觸，所以本文中的新型電錘具有結(jié)構(gòu) 簡單，加工制造要求低，振動噪聲小等特性。 2 3 磁力沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 著整個電錘的沖擊性能，是整個電錘產(chǎn)品設(shè)計中最關(guān)鍵的部分。在設(shè)計時需要從 以下兩個方面進(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 2 3 1 磁力沖擊機(jī)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù) 在設(shè)計磁力沖擊機(jī)構(gòu)時，需要限制沖擊盤的周向轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)動盤的軸向移動， 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，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)計參數(shù)所共同決定。在設(shè)計時，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 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，所以磁極數(shù)目與沖擊頻率之 間呈正比關(guān)系在設(shè)計時，磁極數(shù)目不能過大，否則會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)目也不宜過小，否則沖擊 頻率過低也會影響整體性能。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)動盤以及沖擊盤上的四對磁體所構(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沖擊機(jī)構(gòu)中的磁場分 布，與沖擊性能密切相關(guān)。經(jīng)過仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)四塊磁體的面積相等 時( 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 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候，需要考慮以下兩個方面的性能：第一 是永磁材料需要具有高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度b ，第二個是需要具有高的矯頑力h c 。 在分析和對比了目前市場上的永磁材料之后，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比，所以本論文中選 用了牌號為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，氣隙的減小有利 于增強(qiáng)磁場強(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)計時，氣隙 的減小會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 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)中通過限位螺 帽以及沖擊盤盤體來實(shí)現(xiàn)對沖擊行程的設(shè)定與調(diào)整，并且能夠根據(jù)不同的技術(shù)要 求對沖擊行程進(jìn)行調(diào)節(jié)與改變。同時，導(dǎo)向套筒會對沖擊盤起一個定位的作用， 這樣沖擊盤就只能進(jìn)行軸向的往復(fù)直線運(yùn)動，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 2 3 6 導(dǎo)向套筒的設(shè)計 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，運(yùn)用導(dǎo)向套筒進(jìn)行限位能夠使結(jié)構(gòu)簡單化，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，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)動盤的設(shè)計 圖2 8 導(dǎo)向套筒結(jié)構(gòu)圖 在電錘中，轉(zhuǎn)動盤所需要實(shí)現(xiàn)的功能是旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)帶動轉(zhuǎn)動 盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動，然后通過磁力耦合作用驅(qū)動沖擊部件進(jìn)行往復(fù)沖擊運(yùn)動。轉(zhuǎn)動盤是 不能進(jìn)行軸向移動的，所以通過軸承將轉(zhuǎn)動盤固定在支承座與機(jī)殼之間，轉(zhuǎn)動盤 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 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，對磁 力沖擊式電錘的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要包括對永磁體、傳動軸、沖擊盤、驅(qū)動 盤、導(dǎo)向套筒、支承座等零件的設(shè)計，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 1 2 電機(jī)，1 3