基于磁效應(yīng)的電錘減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

張惠1,2

(1. 浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316100；2. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316100)

摘要：為了減少電錘工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)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(chǎng)作為彈性介質(zhì)，相對(duì)排列兩磁體相同磁極，設(shè)計(jì)了一種磁力減振機(jī)構(gòu)用于電錘的手柄減振，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種磁力沖擊機(jī)構(gòu)以減少振動(dòng)。通過磁力減振電錘的總體方案設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了提出的新方法，實(shí)驗(yàn)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(hào)：TH166; TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助。

作者簡(jiǎn)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(jì)，知識(shí)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(dòng)工具，集塑料工程、機(jī)械、電機(jī)、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(jiǎn)單安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于其所產(chǎn)生的高頻震動(dòng)使得操作人員的手臂容易麻木疲勞，長(zhǎng)期使用還會(huì)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(duì)人體的危害程度。因此，為了減少電錘的振動(dòng)引起對(duì)人體的損傷、降低電錘的操作難度，在電錘的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮電錘的振動(dòng)、噪聲和安全性等綠色設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣缸組件、前手柄、后手柄、機(jī)殼、開關(guān)、電纜線等零部件組成，如圖1所示。由于使用時(shí)振動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)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(bào)廢。因此，減少電錘振動(dòng)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(dòng)，另一種方法是減少殼體與沖擊機(jī)構(gòu)之間的振動(dòng)，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(dòng)

1)使用彈性零件減振

如圖2所示的具有振動(dòng)阻尼手柄的手持式工具機(jī)[5]，在這種電錘上，在機(jī)殼和手柄直接設(shè)計(jì)了一個(gè)彈簧，同時(shí)手柄的形狀為具有兩個(gè)相對(duì)機(jī)體縱軸線大致平行延伸的腿，與機(jī)殼彈性連接，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可很大程度上減少對(duì)來自機(jī)殼的振動(dòng)。

圖2　振動(dòng)阻尼手柄 [5]

而另一種減振方法中只使用了一個(gè)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(diǎn)，而上端則通過彈性連接機(jī)構(gòu)與電錘主體連接，形成手柄的上支點(diǎn)。當(dāng)電錘工作產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，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(dòng)，達(dá)到減振目的。

圖3　避震電錘 [6]

1.2減少殼體與沖擊機(jī)構(gòu)之間的振動(dòng)

如圖4所示，為了減少?zèng)_擊鉆的振動(dòng)，設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行減振。這種減振方式的性能會(huì)隨著使用時(shí)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(jì)一種新穎的磁力減振機(jī)構(gòu)，用于手柄和沖擊機(jī)構(gòu)，以減小電錘的振動(dòng)。

2磁力減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(dòng)少、噪聲小以及高速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[8,9]；同時(shí)，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(jì)性、實(shí)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(jī)構(gòu)。

2.1磁力減振機(jī)構(gòu)的基本原理

圖5　磁力減振機(jī)構(gòu)的 　　基本原理

如圖5所示，該機(jī)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(chǎng)作為彈性介質(zhì)，兩磁體相同磁極相對(duì)排列，其間的排斥力隨兩磁極間距離的變化而變化。為了實(shí)現(xiàn)減振功能，利用至少兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，使所設(shè)計(jì)的磁性彈簧內(nèi)儲(chǔ)存的磁能保持一定，對(duì)于所輸入的振動(dòng)，永久磁鐵浮體不會(huì)有過大的影響，既能夠以較小的位移有效的吸收振動(dòng)，同時(shí)通過設(shè)定永久磁鐵間的間隔距離及相對(duì)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(jì)

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?jī)蓛?nèi)側(cè)孔與“C”型電錘手柄的兩桿端部間分別裝有一對(duì)永久磁鐵構(gòu)成的排斥型磁性彈簧，該減振機(jī)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(jiǎn)單，制造成本低，可極大提高電錘鉆的使用壽命。

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

2.3磁力沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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

1.固定套筒；2.沖擊錘；3.驅(qū)動(dòng)軸；4.導(dǎo)向銷；5.驅(qū)動(dòng)盤；6.磁鐵；7.磁鐵；8.轉(zhuǎn)動(dòng)盤；9.轉(zhuǎn)動(dòng)軸。 圖7　磁力沖擊機(jī)構(gòu)

圖8為裝有磁力沖擊機(jī)構(gòu)的電錘示意圖。其中，電錘的支座11中裝有電機(jī)12，當(dāng)電機(jī)12旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用其電樞前端齒輪驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)可通過小齒輪15傳遞到驅(qū)動(dòng)齒輪16上，驅(qū)動(dòng)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(dòng)，可相對(duì)固定套筒1旋轉(zhuǎn)，其前端裝有鉆夾頭20，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪16帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)套筒19旋轉(zhuǎn)時(shí)，可帶動(dòng)鉆夾頭20旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)插在其中的鉆頭旋轉(zhuǎn)。同時(shí)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆夾頭20往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錘擊功能。

1.固定套筒；2.沖擊錘；3.驅(qū)動(dòng)軸；4.導(dǎo)向銷；5.驅(qū)動(dòng)盤；6.磁鐵；7.磁鐵；8.轉(zhuǎn)動(dòng)盤；9.轉(zhuǎn)動(dòng)軸；10.大齒輪；11.支座；12.電機(jī)；13.中間齒輪；14.中間軸；15.小齒輪；16.驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)的電錘

采用磁力機(jī)構(gòu)可以降低因振動(dòng)導(dǎo)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(dòng)產(chǎn)生的噪聲，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，且不受環(huán)境因素的影響,該設(shè)計(jì)方案已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，并實(shí)施樣機(jī)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(jì)了一種電錘減振手柄及磁力沖擊機(jī)構(gòu)，有效解決了由于振動(dòng)大所導(dǎo)致的使用者工作疲勞及電錘過早失效等問題。磁力傳動(dòng)具有無摩擦及磨損，能夠高速運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)及噪聲較小等優(yōu)點(diǎn)， 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(jī)構(gòu)的電動(dòng)工具不僅可以有效降低振動(dòng)，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(shí)驗(yàn)，對(duì)磁力機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析。

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