一種多頭一體式套筒扳手的分析與設計

王昕燁，陸 娟，方 云，朱勇杰，韓天龍，李澤延

（東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍 江哈爾濱 150040）

套筒扳手由于套在各類扳手之上的扳手頭形如筒狀，故被大家俗稱為套筒，在日常生活中常用于生產維修。套筒扳手往往有多個帶六角孔或十二角孔的套筒，并配有手柄、接桿等多種附件，一般使用在螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且由于外表低凹導致開口扳手或活動扳手不能作業(yè)的地方，特別適用于擰轉十分狹小或凹陷深處的螺栓或螺母，被廣泛應用于船舶、航空和汽車等領域。

如今市面上出現(xiàn)了許多新型的套筒扳手。但這些新形扳手的操作往往復雜且不穩(wěn)定，如多功能套筒扳手[1]，因為形狀奇怪不易存放未被接受。導致工人在工廠里攜帶的依舊是老式的整箱套筒工具。而工人采用老式的套筒扳手，是看重原始工具的簡單方便，上手快。這些傳統(tǒng)扳手也存在一些明顯缺點，手柄不能折疊，占用面積大，十分不方便攜帶。現(xiàn)有的套筒扳手的套筒大多為固定安裝，無法更換，當需要使用其他型號的套筒時需要更換整個套筒扳手，工人攜帶壓力大，且會產生巨大的作業(yè)疲勞。

1 多頭一體式套筒扳手結構設計

多頭一體式套筒扳手是針對工人作業(yè)時攜帶工具多，負擔重的問題所設計的?？梢詫崿F(xiàn)一把扳手同時攜帶多個套筒頭，簡單更換，輕松作業(yè)。同時，一把扳手可以變?yōu)槎喾N柄體形狀，可形成T 形扳手和L 形扳手2 種效果。

套筒扳手總體結構如圖1 所示，此扳手主要依靠可折疊桿以及旋轉卡槽實現(xiàn)多套筒多形制套筒扳手的更換。它主要由可折疊手桿1，套筒扳手容器2，柄體3，套筒4 以及磁鐵組成。其中套筒扳手容器為直徑80 mm的圓柱體，在中下部位有一條高度為16 mm 的滑道5，保證套筒在滑道內順利滑動。圓柱體側面有一條豎槽，上安置一個旋鈕6，保證套筒不會滑落[2]。

圖1 多頭一體式套筒扳手整體結構圖

基于油嘴套筒扳手[3]以及吸鐵套筒扳手[4]的研究設計，考慮在套筒與柄體之間用磁鐵加固。套筒4 底部為矩形凹槽，如圖2 所示，用于安置磁鐵。而柄體3 的頂部同樣為等大的矩形凹槽，安置同樣的鐵磁體物質，保證套筒能夠吸在柄體3 上。

圖2 套筒結構圖示意圖

當使用套筒時，旋開旋鈕6，將所使用的套筒4 旋轉至豎槽處，并劃出，放在柄體3 上部，通過磁鐵與鐵素體之間的吸引力將套筒吸附在柄體3 上。使用完畢后拔出套筒4 重新放回豎槽內，旋緊旋鈕防止其他套筒滑出。

可折疊桿如圖3 所示，由連接體2，折疊桿3 通過鉸接頭1 鉸接連接而成。在擰常規(guī)螺母時，往往采用普通直形扳手或L 型扳手即可完成工作，在針對機床等較牢固的螺母時，常用T 形扳手，通過改變臂長起到省力的效果[5]。

圖3 折疊桿細節(jié)放大圖

該多頭一體式套筒扳手總長350 mm，寬27.5 mm，手柄握處符合手握舒適度，直角能增大工人手部摩擦，防止因為出汗而造成擦滑。

該套筒扳手設計簡單，操作方便，成本低廉，占用面積小，可根據(jù)不同的螺母要求選擇不同型號的套筒自由組合，便于模塊化批量生產。

2 扳手靜力學建模分析

2.1 有限元模型的建立

有限元分析是指利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬。利用相互作用單元，通過有限的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。

該產品的主要受力點在于折疊桿和套筒連接處，對折疊桿進行有限元分析，用來校核可折疊桿連接處的變形問題以及應力大小。

2.1.1 前塊處理部分

（1）實體建模階段

在進行模擬仿真時，需要得到該實物的具體數(shù)據(jù)。首先用Unigraphics NX 對套筒扳手進行三維建模，將已繪制的CAD 套筒扳手二維平面圖，導入Unigraphics NX 軟件進行輪廓繪制，創(chuàng)建點線面關系圖。而后對已有的尺寸進行尺寸約束，調整輪廓大小。由于該套筒扳手主要由回轉體組成，通過回轉拉伸調整曲線等一系列操作得到三維模型，并以代碼的形式導出。

（2）網格分割階段

在不發(fā)生形變的前提下對整個結構進行小單元的分割。套筒扳手主要由回轉體以及六面體結構組成，細節(jié)部分形狀較復雜。通過ANSYS 程序的自由網格劃分器，可對復雜模型直接分割網格，避免了人為組裝時各部分網格分割不匹配帶來的麻煩[6]。將分割后的模型轉化為step格式后導入ANSYS 有限元分析軟件。

2.1.2 后塊處理部分

（1）材料數(shù)據(jù)代入

該扳手采用常用的鉻釩鋼材料（CR-V），在鋼的基礎上添加鉻、釩等合金元素，鉻釩均能增大索氏體化率、細化奧氏體和馬氏體晶粒，減小片層間距，耐高溫，加工性好，可淬火使用。彈性模量為202 500 MPa，泊松比為0.3，密度為7.86 g/cm3[7]。代入數(shù)據(jù)后得到具體應力值。

（2）結果呈現(xiàn)模式

分析結果以圖形形式顯示和輸出，結果直接體現(xiàn)在模型上，用不同的顏色代表模型上不同位置的應力值，濃淡圖則用不同的顏色代表不同部位的應力[6]范圍，清晰地反映了計算結果的區(qū)域分布情況。

2.2 有限元分析

該套筒扳手受力點成均勻對稱分布。經ANSYS 分析，如圖4 有限元分析圖所示，折疊桿處最大受力載荷為790 N，最大承受應力為296 MPa，該過程變形0.4 mm，應變變形為1.38，小于國家標準1.5，符合變形標準。

圖4 折疊桿有限元分析圖

套筒連接處通過2 個六面體以及磁鐵的磁吸力固定而成，該處可承受的最大應力為234 MPa，如圖5 所示。

圖5 套筒有限元分析圖

經有限元分析可知，較大受力點處可承受較大程度的扭力，符合日常生產需要，不會對結構造成破壞。

3 MOD 法對效率提高程度的驗證

通過與普通套筒扳手進行對比，利用MOD 法對工人扳手使用過程進行計算，并分析效率的提高程度。

由于該套筒扳手是基于更換套筒的過程而設計的新型扳手，以扳手的一個使用過程為一個單元，即套筒扳手的安裝套筒，拆卸套筒，安裝新套筒為一個使用循環(huán)過程進行MOD 分析。

現(xiàn)進行如下假設。

（1）對于普通的多頭更換的套筒扳手，所有的套筒均已被合理地按照順序放置，在替換套筒時不會花費時間尋找。

（2）套筒的擺放在身體腰部處，不需要彎腰拾取套筒，減少彎腰等浪費的時間。

普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析過程，見表1。

表1 普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析

多頭一體式套筒扳手的MOD 分析過程，見表2。

表2 多頭一體式套筒扳手的MOD 分析

由于MOD 法具有簡單實用的特點，運用此方法對工具的使用過程進行分析，其成本較低，同時可以體現(xiàn)新產品效率的提高程度。經MOD 分析可知，多頭一體式套筒扳手比普通扳手的效率提高25%，工人操作效果得到顯著提升。

4 結束語

該套筒扳手立足于工業(yè)生產，針對工人作業(yè)時攜帶多把套筒扳手的問題展開研究，為減輕工人的攜帶負擔，提高工作效率而設計。該套筒扳手實現(xiàn)了手柄的轉換和套筒頭的承載，減少了工人替換工具的時間，減輕其身體負荷，調動工人生產的積極性。同時，生產工具的改進和創(chuàng)新，也在促進著社會的發(fā)展和進步。