一種航天用雙向定值扭矩扳手設(shè)計(jì)

徐春光　冉江南　高奔　劉寅

摘要：空間站某些在軌設(shè)備的維修及更換需要將螺釘擰松與擰緊到達(dá)指定扭矩。根據(jù)某任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種航天用雙向定值扭矩扳手，該工具能夠滿足擰松力矩大于擰緊力矩。本研究對雙向定值扭矩扳手的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，設(shè)計(jì)棘輪兩側(cè)不同角度，47°方向?qū)?yīng)擰緊，擰緊力矩為7 N·m，40°方向?qū)?yīng)擰松，擰松力矩為9 N·m。通過理論分析和仿真分析對擰緊擰松時(shí)所需要的扭矩進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合產(chǎn)品開展了相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與力矩計(jì)算、仿真結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：雙向；定值；扭矩扳手；棘輪

中圖分類號：TH69 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.013

文章編號：1006-0316 （2023） 05-0076-05

Design of a Two-Way Constant Torque Wrench for Aerospace

XU Chunguang，RAN Jiangnan，GAO Ben，LIU Yin

（ Tianjin Institute of Astronautics Electromechanical Device， Tianjin 300458， China ）

Abstract：The maintenance and replacement of some on-orbit equipment on the space station requires the loosening and tightening of the screws to reach the specified torque. According to the requirements of a mission， a two-way constant torque wrench for aerospace is designed， which can meet the requirement that the loosening torque is greater than the tightening torque. This paper introduces the structure and principle of the two-way constant torque wrench. The angles on both sides of the ratchet are different，? the tightening torque is 7 N·m with the angle of 47°， and the loosening torque is 9 N·m with the angle of 40°. Through the theoretical analysis and simulation analysis， the torque required for tightening and loosening is calculated， and the corresponding tests are carried out on the products. The test results are basically consistent with the torque calculation and simulation results.

Key words：bidirectional；constant value；torque wrench；ratchet

空間站在軌組裝建造、維護(hù)維修、空間應(yīng)用與科學(xué)實(shí)驗(yàn)，都需要航天員實(shí)施出艙活動(dòng)，攜帶相關(guān)的設(shè)備和艙外工具，完成指定操作任務(wù)[1-3]。從國外空間站建造、運(yùn)營、維修的經(jīng)驗(yàn)看，在軌維修對保障航天員生命安全和空間站在軌正常運(yùn)營、提高空間站在軌壽命、降低空間站運(yùn)營成本等方面有著十分重要的意義[4-5]。某些在軌設(shè)備的維修及更換需要擰松及擰緊螺釘，操作過程中，螺釘?shù)臄Q松力矩要大于擰緊力矩以此達(dá)到維修的目的。目前市面上的商用扭矩扳手是擰緊與擰松兩個(gè)方向都為定值，不能滿足擰松力矩大于擰緊力矩的要求。根據(jù)某些在軌設(shè)備維修的需求性，設(shè)計(jì)一種擰松力矩大于擰緊力矩的雙向定值扭矩扳手[6-7]。在地面經(jīng)過驗(yàn)證能夠滿足擰松力矩大于擰緊力矩的要求。該力矩扳手最大的優(yōu)點(diǎn)為擰緊與擰松兩個(gè)方向扭矩是不同值，應(yīng)用范圍更廣。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該力矩扳手的主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示[8]。

力矩扳手的換向功能主要由換向蓋板、鋼珠、鋼珠等實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要換向時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)換向蓋板，換向蓋板內(nèi)的鋼珠在彈簧的作用下擠壓換向卡子，換向卡子與棘輪內(nèi)齒相嚙合，完成換向。瞬時(shí)針旋擰力矩扳手，當(dāng)達(dá)到定值扭矩時(shí)，棘輪內(nèi)齒與換向卡子外齒嚙合且不會(huì)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，在擰緊的過程中換向蓋板不會(huì)自己松脫轉(zhuǎn)回。逆時(shí)針旋擰力矩扳手手柄，為擰松狀態(tài)；順時(shí)針旋擰力矩扳手手柄，為擰緊狀態(tài)。

力矩扳手的打滑主要由彈簧、頂桿、頂塊、螺塞等實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)靠近頂桿的螺塞的旋入深度來調(diào)節(jié)彈簧的伸縮量，從而調(diào)節(jié)力矩扳手的預(yù)置力，第二個(gè)螺塞用于防松，并涂螺紋防松膠。

1.2 工作原理

螺釘擰緊：將套筒轉(zhuǎn)接件與被擰緊螺釘進(jìn)行連接，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換向蓋板，將力矩扳手調(diào)至擰緊狀態(tài)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)套筒本體，開始擰緊螺釘。當(dāng)螺釘擰緊至指定扭矩值時(shí)，棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)頂塊壓縮彈簧，實(shí)現(xiàn)打滑，螺釘擰緊工作完成。

螺釘擰松：順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換向蓋板，將力矩扳手調(diào)至擰松狀態(tài)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)套筒本體，開始擰松螺釘。當(dāng)螺釘擰緊至指定扭矩值時(shí)，棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)頂塊壓縮彈簧，實(shí)現(xiàn)打滑，螺釘擰松工作完成[9]。

2 扭矩理論計(jì)算

力矩扳手雙向定值力矩通過棘輪與頂塊兩側(cè)不同角度實(shí)現(xiàn)。為便于分析，將棘輪和頂塊的受力等效集中到齒面接觸中點(diǎn)位置O點(diǎn)[10]。受力如圖2所示。

力矩扳手在理論臨界狀態(tài)下力矩平衡。

3 扭矩扳手有限元分析

3.1 有限元模型建立

對扭矩扳手整體模型進(jìn)行簡化，選取棘輪、頂塊、彈簧、彈簧座、換向卡子組成扭矩扳手仿真模型。頂塊與棘輪的夾角取40°和47°。47°對應(yīng)擰緊方向，擰緊力矩7 N·m，40°對應(yīng)擰松方向，擰松力矩9 N·m。在ABAQUS有限元軟件中對棘輪、頂塊、彈簧座、換向卡子進(jìn)行實(shí)體單元建模，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元為C3D4四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元。彈簧用spring單元進(jìn)行建模，彈簧剛度為90 N/mm。扭矩扳手簡化模型如圖3所示。

3.2 材料屬性

棘輪、頂塊、彈簧座、換向卡子的材料為9Cr18，硬度為HRC 42～45。對模型賦予材料屬性，如表1所示[12]。

3.3 載荷施加

棘輪與換向卡子、頂塊之間為面－面接觸，仿真過程中對彈簧座底面施加固定約束，對棘輪施加0.8 rad/s的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，對頂塊施加454 N的彈簧預(yù)緊力。分析換向卡子強(qiáng)度時(shí)，對棘輪施加9 N·m的彎矩。載荷施加如圖4所示。

3.4 分析結(jié)果

3.4.1 棘輪與頂塊分析結(jié)果

通過有限元分析得到擰緊方向和擰松方向的應(yīng)力云圖如圖5所示。可以看出，無論是擰緊方向還是擰松方向，應(yīng)力集中在頂塊進(jìn)入下一個(gè)棘輪齒的圓角部分，原因?yàn)椋喸谵D(zhuǎn)動(dòng)過程中受到來自頂塊的彈簧力，在進(jìn)入到下一個(gè)棘輪齒前還要繼續(xù)下壓彈簧，致使彈簧力增大，所以會(huì)在圓角部分產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[13]。

在仿真過程中，還對頂塊兩側(cè)的接觸面輸出了反作用力。擰緊方向輸出的合力為648 N，擰松方向輸出的合力為814 N。計(jì)算得出，47°對應(yīng)擰緊方向，擰緊力矩7.128 N·m；40°對應(yīng)擰松方向，擰松力矩9.064 N·m。

3.4.2 棘輪與換向卡子分析結(jié)果

通過仿真分析得到在9 N·m的彎矩下，換向卡子的受力云圖，如圖6所示。可以看出，應(yīng)力主要集中在換向卡子棘齒部分，主要原因?yàn)椋鏁r(shí)針旋擰力矩扳手時(shí)，當(dāng)達(dá)到定值扭矩，棘輪內(nèi)齒與換向卡子外齒進(jìn)行嚙合且不會(huì)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，棘齒部分存在尖角，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。換向卡子棘齒最大應(yīng)力118.8 MPa，位移0.005 mm，根據(jù)表1，換向卡子強(qiáng)度滿足要求。

4 扭矩扳手試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 扭矩扳手加工

為驗(yàn)證扭矩扳手定值扭矩的真實(shí)性，對扭矩扳手進(jìn)行加工。頂塊與棘輪的夾角為40°和47°。彈簧剛度90 N/mm。除頂桿材料為2A12外，其余都為9Cr18。零件加工完成后對扭矩扳手進(jìn)行組裝，成品如圖7所示。

4.2 扭矩值檢定

對裝配完的扭矩扳手進(jìn)行擰緊操作、擰松操作兩個(gè)方向的扭矩值檢定。檢定的儀器型號為DOTE100N3-G。檢定方法為，將扭矩扳手水平安裝在儀器上，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換向蓋板，將扳手調(diào)節(jié)到擰緊檔，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，力矩扳手進(jìn)行擰緊，當(dāng)擰緊到力矩扳手打滑時(shí)，停止操作；順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換向蓋板，將扳手調(diào)節(jié)到擰松檔，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，螺釘擰松，停止操作[10]。如圖8所示。

4.3 扭矩值分析

分別對扭矩扳手?jǐn)Q緊方向、擰松方向進(jìn)行22次檢定，得出擰緊方向、擰松方向的扭矩曲線，如圖9所示。可以看出，擰緊的平均力矩為7.096 N·m，擰松的平均力矩為9.281 N·m。

通過試驗(yàn)得出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在±5%的誤差。存在誤差的主要原因?yàn)槟Σ亮υ斐傻挠绊憽Ｒ驗(yàn)榧喤c頂塊采用線切割快走絲方式進(jìn)行加工，棘輪與頂塊接觸面表面粗糙度不高，產(chǎn)生的摩擦力較大，容易造成誤差。為了后續(xù)繼續(xù)驗(yàn)證理論與試驗(yàn)存在的誤差，可以通過提高棘輪與頂塊的表面粗糙度和增加棘輪與頂塊之間的潤滑兩種方式減小摩擦力。

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算、有限元仿真、扭矩扳手試驗(yàn)驗(yàn)證三種方式，得出了扭矩扳手中頂塊與棘輪的不同夾角對應(yīng)的扭矩值，三種分析方法確定的扭矩值誤差在±5%。分析該誤差存在的原因?yàn)槟Σ亮Φ挠绊憽Ｔ撛O(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)擰緊和擰松兩個(gè)不同方向的扭矩，使得扭矩扳手的使用范圍更廣。

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收稿日期：2022-05-24

作者簡介：徐春光（1995－），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，E-mail：xchg1995@126.com。