基于磁效應(yīng)的電錘減振機構(gòu)的設(shè)計及實現(xiàn)

基于磁效應(yīng)的電錘減振機構(gòu)的設(shè)計及實現(xiàn)*

張惠1,2

(1. 浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316100；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江舟山316100)

摘要：為了減少電錘工作時所產(chǎn)生的振動對操作人員及設(shè)備的傷害，提出了一種電錘磁力減振的新方法，即通過分析現(xiàn)有電錘減振方法的不足，基于磁效應(yīng)，利用永久磁鐵的磁場作為彈性介質(zhì)，相對排列兩磁體相同磁極，設(shè)計了一種磁力減振機構(gòu)用于電錘的手柄減振，同時設(shè)計了一種磁力沖擊機構(gòu)以減少振動。通過磁力減振電錘的總體方案設(shè)計，驗證了提出的新方法，實驗結(jié)果表明了方法的有效性。

關(guān)鍵詞:電錘磁力減振磁效應(yīng)永久磁鐵

中圖分類號：TH166; TP391文獻標識碼：A

基金項目：浙江海洋學院科研啟動經(jīng)費資助。

作者簡介：張惠(1970-)，女，湖北省武漢市人，博士，研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，知識獲取方法。

收稿日期：2014-01-28

Design and implementation of vibration reduction mechanism in the electric hammer based on magnetic effect

ZHANG Hui

Abstract:To minimize vibration produced by hammer for operator and equipment damage, a new method for electric hammer magnetic damping is presented. Firstly, the existing deficiency of hammer vibration reduction methods is analyzed. Secondly, based on the magnetic effect, the same poles of two magnets are arranged oppositely with the field of permanent magnets as the elastic medium. Finally, the magnetic damping mechanism is designed for the hammer handle vibration based on the above work. At the same time, a magnetic impact mechanism is also designed to reduce vibration. The overall design of the electric hammer with magnetic damping is proposed. Experimental results show that the method is effective.

Keywords:electric hammers；magnetic damping；magnetic effect；permanent magnets

0引言

電錘是一種常見的電動工具，集塑料工程、機械、電機、電子控制等多種產(chǎn)業(yè)為一體,具有體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡單安全可靠等優(yōu)點，同時，由于其所產(chǎn)生的高頻震動使得操作人員的手臂容易麻木疲勞，長期使用還會引起肌骨失常等疾病，尤其是大功率的電錘，更明顯地增加了其操作難度和對人體的危害程度。因此，為了減少電錘的振動引起對人體的損傷、降低電錘的操作難度，在電錘的設(shè)計過程中，需要考慮電錘的振動、噪聲和安全性等綠色設(shè)計要求[1-3]。

圖1　沖擊電錘 [4]

1電錘常用減振方法

電錘主要由電機驅(qū)動系統(tǒng)、曲柄連桿機構(gòu)、齒輪驅(qū)動系統(tǒng)、氣缸組件、前手柄、后手柄、機殼、開關(guān)、電纜線等零部件組成，如圖1所示。由于使用時振動過大，會導致使用者工作疲勞及人體損傷、鉆頭過早磨損以及因損壞內(nèi)部零件而過早報廢。因此，減少電錘振動的相關(guān)課題受到研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)減振部位的不同，電錘減振的方法主要有兩種：一種是減少殼體與手柄之間的振動，另一種方法是減少殼體與沖擊機構(gòu)之間的振動，其具體結(jié)構(gòu)有如下幾種。

1.1減少殼體與手柄之間的振動

1)使用彈性零件減振

如圖2所示的具有振動阻尼手柄的手持式工具機[5]，在這種電錘上，在機殼和手柄直接設(shè)計了一個彈簧，同時手柄的形狀為具有兩個相對機體縱軸線大致平行延伸的腿，與機殼彈性連接，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可很大程度上減少對來自機殼的振動。

圖2　振動阻尼手柄 [5]

而另一種減振方法中只使用了一個彈簧，如圖3中的避震電錘[6]，這種電錘的手柄下端與主體鉸接，形成手柄的下支點，而上端則通過彈性連接機構(gòu)與電錘主體連接，形成手柄的上支點。當電錘工作產(chǎn)生振動時，在減震彈簧的作用下，手柄通過小幅度位移的變化來吸收振動，達到減振目的。

圖3　避震電錘 [6]

1.2減少殼體與沖擊機構(gòu)之間的振動

如圖4所示，為了減少沖擊鉆的振動，設(shè)計者在沖擊結(jié)構(gòu)內(nèi)部加入了彈簧，配合沖擊結(jié)構(gòu)進行減振。

圖4　沖擊結(jié)構(gòu)彈簧減振的沖擊鉆 [7]

通過上述分析，可以看到目前電錘的減振方法主要是利用普通彈簧或彈性材料本身的彈性，在手柄與殼體的連接處或者沖擊機構(gòu)內(nèi)部進行減振。這種減振方式的性能會隨著使用時間和使用頻率的增加而減弱，不能可靠減振，因此本文提出一種磁力減振方法，利用永磁體的同極相斥原理，設(shè)計一種新穎的磁力減振機構(gòu)，用于手柄和沖擊機構(gòu)，以減小電錘的振動。

2磁力減振機構(gòu)的設(shè)計

由于磁懸浮減振技術(shù)能夠非接觸支撐物體，具有極少的摩擦及磨損問題、振動少、噪聲小以及高速運動等優(yōu)點[8,9]；同時，由于磁鐵本身特殊的特征，使其能在特殊環(huán)境下使用，因此考慮到產(chǎn)品制造的經(jīng)濟性、實用性及可靠性，在磁懸浮減振原理的基礎(chǔ)上，提出一種磁力減振機構(gòu)。

2.1磁力減振機構(gòu)的基本原理

圖5　磁力減振機構(gòu)的 　　基本原理

如圖5所示，該機構(gòu)由兩塊圓柱形永久磁鐵組成，一塊為基體，一塊為浮體，利用永久磁鐵的磁場作為彈性介質(zhì)，兩磁體相同磁極相對排列，其間的排斥力隨兩磁極間距離的變化而變化。為了實現(xiàn)減振功能，利用至少兩個永久磁鐵構(gòu)成排斥型磁性彈簧，通過確定永久磁鐵中浮體的相對運動軌跡，使所設(shè)計的磁性彈簧內(nèi)儲存的磁能保持一定，對于所輸入的振動，永久磁鐵浮體不會有過大的影響，既能夠以較小的位移有效的吸收振動，同時通過設(shè)定永久磁鐵間的間隔距離及相對面積的關(guān)系，使排斥力近似一定。

2.2磁力減振手柄的設(shè)計

圖6　具有減振的電錘工具手柄

如圖6所示，在電錘工具的殼體尾部兩內(nèi)側(cè)孔與“C”型電錘手柄的兩桿端部間分別裝有一對永久磁鐵構(gòu)成的排斥型磁性彈簧，該減振機構(gòu)利用永久磁鐵“同極相斥”的原理，不僅能滿足現(xiàn)有技術(shù)的減振需求，而且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可極大提高電錘鉆的使用壽命。

該減振機構(gòu)與電錘鉆殼體尾部相連接，不僅可以減少電錘因高速沖擊產(chǎn)生的振動，減少操作者的疲勞感，而且解決了彈性元件因使用時間和使用頻率的增加而減弱的問題。

2.3磁力沖擊機構(gòu)的設(shè)計

除了在手柄處設(shè)計減振裝置外，還可設(shè)計一種磁力沖擊機構(gòu)，如圖7所示。該機構(gòu)有一個固定在殼體內(nèi)固定套筒1，驅(qū)動軸3的一端裝有一個沖擊錘2，驅(qū)動軸3的另一端與驅(qū)動盤5連接，驅(qū)動盤5的槽內(nèi)裝有永久磁鐵6，轉(zhuǎn)動盤8一端與轉(zhuǎn)動軸9連接，轉(zhuǎn)動盤8上也可裝有永久磁鐵7，二組相對的永久磁鐵相互轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生排斥力和吸引力，使驅(qū)動盤5相對轉(zhuǎn)動軸9作前后移動，帶動沖擊錘2作沖擊移動。其中兩組磁鐵沒有接觸，可以大大減小振動與噪音。

1.固定套筒；2.沖擊錘；3.驅(qū)動軸；4.導向銷；5.驅(qū)動盤；6.磁鐵；7.磁鐵；8.轉(zhuǎn)動盤；9.轉(zhuǎn)動軸。 圖7　磁力沖擊機構(gòu)

圖8為裝有磁力沖擊機構(gòu)的電錘示意圖。其中，電錘的支座11中裝有電機12，當電機12旋轉(zhuǎn)時，利用其電樞前端齒輪驅(qū)動中間軸14上的中間齒輪13，中間齒輪13和小齒輪15固定在中間軸14上，與中間軸14一起旋轉(zhuǎn)，因此，旋轉(zhuǎn)運動可通過小齒輪15傳遞到驅(qū)動齒輪16上，驅(qū)動齒輪16固定在旋轉(zhuǎn)套筒19上，旋轉(zhuǎn)套筒19通過軸承支承在支承套17上，不能軸向移動，可相對固定套筒1旋轉(zhuǎn)，其前端裝有鉆夾頭20，當驅(qū)動齒輪16帶動旋轉(zhuǎn)套筒19旋轉(zhuǎn)時，可帶動鉆夾頭20旋轉(zhuǎn)，從而帶動插在其中的鉆頭旋轉(zhuǎn)。同時磁力驅(qū)動機構(gòu)帶動鉆夾頭20往復運動，實現(xiàn)錘擊功能。

1.固定套筒；2.沖擊錘；3.驅(qū)動軸；4.導向銷；5.驅(qū)動盤；6.磁鐵；7.磁鐵；8.轉(zhuǎn)動盤；9.轉(zhuǎn)動軸；10.大齒輪；11.支座；12.電機；13.中間齒輪；14.中間軸；15.小齒輪；16.驅(qū)動齒輪；17.支承套；18.殼體；19.旋轉(zhuǎn)套筒；20.鉆夾頭；21.螺釘。 圖8　裝有磁力沖擊機構(gòu)的電錘

采用磁力機構(gòu)可以降低因振動導致的電錘內(nèi)部零件過早失效的概率，并在一定程度上減少因振動產(chǎn)生的噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，且不受環(huán)境因素的影響,該設(shè)計方案已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，并實施樣機成功。

3結(jié)論

本文基于磁效應(yīng)，利用磁力減振原理設(shè)計了一種電錘減振手柄及磁力沖擊機構(gòu)，有效解決了由于振動大所導致的使用者工作疲勞及電錘過早失效等問題。磁力傳動具有無摩擦及磨損，能夠高速運動，振動及噪聲較小等優(yōu)點， 隨著新一代的永磁材料在高剩磁、 高矯頑力、 高磁能積等性能的提高和成本的降低，具有磁力沖擊機構(gòu)的電動工具不僅可以有效降低振動，減小摩擦、噪音，而且還可以大大增加沖擊和效率。

下一步需要考慮磁性彈簧的漏磁及外界環(huán)境等各方面的影響，通過相關(guān)實驗，對磁力機構(gòu)進行力學特性分析。

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