一种可调扭矩的套筒扳手的制作方法

1.本发明属于内燃机铁路螺栓紧固作业的技术领域，具体涉及一种可调扭矩的套筒扳手。


背景技术：

2.近些年来，我国铁路行业发展迅猛。无论是安全方面还是在速度方面都在世界处于领先位置。全国每年至少有24亿人次选择铁路出行。那么铁路安全可靠的运行是其中的重中之重，它与我们百姓的生命安全息息相关。在铁轨日常维护作业中，需要定期对轨道上即将失效的紧固螺栓开展更换作业，以保证轨道安全。然而，目前工人在使用内燃扳手进行铁路紧固螺栓快速更换作业时，存在螺栓锁紧力矩过大的情况，进而引发螺栓断裂失效等问题，导致铁轨无法可靠固定，使得列车在运行过程中存在倾覆、脱轨等重大安全隐患。为了解决这一问题，急需研制一套恒定扭矩输出的扭力套筒扳手，以期实现紧固螺栓的快速拆卸与定扭矩紧固作业。进而为轨道交通安全可靠运行提供技术保障。
3.在针对内燃机轨道螺栓紧固作用中，经由内燃机驱动蓄能体进行高频冲击实现螺栓紧固作业。而现有的扭矩输出装置大致可分为两类，一类为手动扳手，例如专利201710225113.5、专利201810227714.4和专利201721176986.3中所公开的，但此种方式作业扭矩范围较小，且只能采用手动紧固作业，无法安装于内燃扳手前端实现大扭矩紧固作业。另一类为套筒类扳手，例如专利201810329254.6、专利201810375939.4和专利201820593978.7中所公开的，此类虽然可以实现较为准确的定扭矩紧固作业，但上述扳手在静载荷输出作业工况下有较好的适应性。上述两类定扭矩扳手并不适用于内燃机扳手作业工况，且存在体积、重量较大，户外作业携带不便的问题；另外部分体积较小的扳手存在扭矩较小，不能达到额定输出扭矩要求的问题。而专利201911270741.0中所公开的，此类虽然体积重量较小、便于携带、输出扭矩能够达到要求，但是经过大量的实验数据显示，该类扳手的扭矩传递稳定性较差、扭矩传递的结构也较易磨损。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决现有技术中上述不足，提供一种满足结构简单，适用于铁路内燃扳手作业条件下的限扭矩锁紧套筒式结构扳手。该可调扭矩套筒扳手结构设计可以满足恒定扭矩重载荷稳定输出，具备蓄能结构，并可以实现自锁，还可实现多级扭矩限制功能的套筒式扭力扳手结构，以期实现不同定扭矩输出作业。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种可调扭矩的套筒扳手，其包括端盖1、上壳体2、滚珠保持架3、滚珠4、下壳体5、紧固圆圈6、芯轴7、紧固圆圈垫片8、碟簧9、碟簧垫片10、第一轴间垫片11和第二轴间垫片12和棘轮自锁机构。
7.所述的芯轴7的上端设置于上壳体2中，芯轴7的下端穿过下壳体5，芯轴7的上端端面设置由方形凸起，芯轴7的中部侧壁与下壳体5的内壁间通过花键连接，使下壳体5带动芯
轴7进行旋转，同时使上壳体2和下壳体5通过芯轴7相互连接。
8.所述的上壳体2的上端端面通过螺栓与端盖1固定连接，使端盖1旋转带动上壳体2旋转；所述的上壳体2的下端端面沿周向设置多个(例如至少八个)类半球形凹槽，半球形凹槽的数量和滚珠4数量保持一致。同时在上壳体2的下端端面的每个半球形凹槽之间设置深度较半球形凹槽浅的凹槽通道，使得上壳体2的下端端面的各半球形凹槽及凹槽通道形成沿周向的一圈环形凹槽。同时，在上壳体2的内壁设置两个相同的环形轴间垫片，即第一轴间垫片11和第二轴间垫片12。
9.所述的下壳体5的上端端面沿周向设置多个(例如至少八个)类半球形凹槽，下壳体5的上端端面的半球形凹槽数量和滚珠4数量保持一致；且下壳体5的上端端面所有的类半球形凹槽的尺寸、位置与上壳体2的下端端面所有的类半球形凹槽相对应，使得在可调扭矩的套筒扳手中，滚珠4与上、下壳体端面上的类半球形凹槽位置相对应，且相互接触。且各滚珠4的外围设置滚珠保持架3。上壳体2的类半球形凹槽的深度要比下壳体5的类半球形凹槽要浅一些，目的是保证滚珠可以顺利的被下壳体5带动。
10.可见，对于滚珠保持架3及滚珠4，由至少八颗滚珠和一个适配保持架构成，起到扭矩传递的作用。本发明将cn111015562b中公开的一种可调扭矩套筒扳手中的扭矩传递装置进行了改进，接触方式从面接触改变成线接触，将推板滑块的结构用滚珠代替；同时考虑到先前实验发现的扭矩传递不稳定的问题，将之前的四组推板滑块改成了至少八颗滚珠4(例如八颗滚珠)，并选用gcr9轴承钢(该材料经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能)，增大了扭矩的分载，在最大限度上保证扭矩传递的稳定性。同时在至少八颗滚珠4外围设置了滚珠保持架3，目的是配合凹槽通道，当下壳体5带动滚珠运动的时候，滚珠保持架3和环形凹槽通道一起发挥作用，保证滚珠4顺利的从一个凹槽进入到下一个凹槽中不会跑偏。
11.所述的下壳体5的下半部分为空心结构，在芯轴7的下端端部设置有螺纹结构，紧固圆圈6的内圈设置有与芯轴7的下端端部的螺纹结构相匹配的螺纹结构，二者螺纹连接，碟簧垫片10与碟簧9通过紧固圆圈6固定在下壳体5的空心结构中，碟簧垫片10置于碟簧9与下壳体5空心结构的内部上壁间，碟簧9与紧固圆圈6之间设置有紧固圆圈垫片8。具体地，紧固圆圈6通过芯轴7的螺纹端螺旋固定在芯轴7上，紧固圆圈垫片8位于与紧固圆圈6与碟簧9之间，紧固圆圈6起到固定、支撑碟簧9的作用，紧固圆圈垫片8可以解决碟簧9需要一个底面去支撑的问题。
12.所述的棘轮自锁机构包括棘轮13、棘轮套14和四个相同的偏心扇形块15。棘轮13的中心设置有方形孔，棘轮13通过方形孔套在芯轴7的上端的方形凸起上，棘轮套14位于棘轮13的外圈，均位于上壳体2中；四个相同的偏心扇形块15通过销沿周向均匀连接在棘轮13上，位于棘轮13和棘轮套14之间。端盖1的外圈与上壳体2连接，端盖1的内圈与棘轮套14的连接。
13.由于结构原因，本技术舍弃了cn111015562b中公开的一种可调扭矩套筒扳手使用的滑块反向自锁，根据结构需要选用偏心扇形块15代替了原有的棘爪，偏心扇形块15类似扇形，其中一侧倒圆角另一侧保持不变，重心偏向一侧，同时通过销连接将四个偏心扇形块15固定在棘轮13上，棘轮13在棘轮套14中由于偏心扇形块15两侧不同的结构设计，当有反向作用力的时候，未倒角一侧和棘轮套14之间产生摩擦，阻止棘轮反向旋转，使得棘轮13只
能朝倒圆角那一侧的方向运动，这样可以有效的保证反向自锁。
14.进一步地，第一轴间垫片11和第二轴间垫片12由聚四氟乙烯材料制成，用于上壳体2与芯轴7之间的润滑，以及防止金属件直接接触。
15.进一步地，滚珠4通过滚珠保持架3固定在上壳体2下壳体5之间；至少八颗滚珠4固定在上下壳体各自的类半球形凹槽组成的类球形凹槽中。
16.进一步地，通过调节碟簧9数量、紧固圆圈6的预紧力以调节所述可调扭矩套筒扳手的扭矩。
17.本发明的效果和益处是：
18.由于之前专利的结构存在扭矩传递不稳定的问题，本专利对扭矩传递装置和自锁部分进行了改进。由于扭矩传递结构的不稳定，将扭矩结构接触方式从面接触改变成线接触，将推板滑块用滚珠代替；同时为了增大扭矩的分载，增加了传递结构数量，保证扭矩传递的稳定性。同时放弃滑块反向自锁结构，改用偏心扇形块代替了棘爪，用销连接将四个偏心扇形块固定在棘轮上，使棘轮只能朝一个方向运动，可以实现保证反向自锁。本发明提供的可调扭矩套筒扳手其紧固方式为冲击式动载荷紧固，利用内部蓄能体结构通过高频冲击作用实现铁路轨道螺栓的紧固作业。本发明提供的可调扭矩套筒扳手达到了内燃机铁路轨道的螺栓紧固作业需求，具有结构简单、拆卸方便、可靠性高、扭矩传递稳定，可以实现高频动载荷冲击下的多级扭矩输出紧固作业等优点，填补了内燃机铁路螺栓紧固作业设备在这一方面的技术空白。
附图说明
19.图1为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的结构示意图。
20.图2为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的整体结构拆分图。
21.图3为端盖与上壳体连接示意图。
22.图4为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的芯轴与下壳体花键连接示意图。
23.图5为轴间垫片与上壳体连接示意图。
24.图6为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠及保持架与上壳体连接的示意图。
25.图7a为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠及保持架的结构示意图。
26.图7b为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠及保持架的侧视图。
27.图7c为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠及保持架的俯视图。
28.图8a为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构的结构示意图。
29.图8b为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构的结构俯视图。
30.图9为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构与芯轴连接示意图。
31.图10为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构与端盖连接示意图。
32.图中：1端盖；2上壳体；3滚珠保持架；4滚珠；5下壳体；6紧固圆圈；7芯轴；8紧固圆圈垫片；9碟簧；10碟簧垫片；11第一轴间垫片；12第二轴间垫片；13棘轮；14棘轮套；15偏心
扇形块。
具体实施方式
33.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
34.应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
35.在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.图1为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的结构示意图。图2为其整体结构拆分图。参见图1，在本实施例中，定义图1的下方为可调扭矩套筒扳手的上端，定义图1的上方为可调扭矩套筒扳手的下端。图4为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的芯轴与下壳体花键连接示意图。参见图1、图2和图4，在本实施例中，针对户外内燃机铁路螺栓紧固作业的可调扭矩套筒扳手包括端盖1、上壳体2、滚珠保持架3、滚珠4、下壳体5、紧固圆圈6、芯轴7、紧固圆圈垫片8、碟簧9、碟簧垫片10、第一轴间垫片11、第二轴间垫片12、棘轮13、棘轮套14、偏心扇形块15。
38.其中，芯轴7的上端设置于上壳体2中，芯轴7的下端穿过下壳体5，芯轴7的中部侧壁与下壳体5的内壁间通过花键连接，进而使上壳体2和下壳体5通过芯轴7相互连接。具体地，花键为矩形花键，矩形花键的设置可以使下壳体5带动芯轴7进行旋转，花键的尺寸经过计算满足设计需要的强度要求。
39.图3为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的端盖与上壳体连接示意图。图5为轴间垫片与上壳体连接示意图。参见图1至图3，以及图5，在本实施例中，上壳体2的上端端面通过螺栓与端盖1固定连接，使端盖1旋转带动上壳体2旋转。在上壳体2的内壁由上至下依次设置两个相同的环形轴间垫片，即第一轴间垫片11和第二轴间垫片12。第一轴间垫片11和第二轴间垫片12由聚四氟乙烯材料制成，用于上壳体2与芯轴7之间的润滑，以及防止金属件直接接触。
40.图6为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠及保持架与上壳体连接示意图。参见图1、图2和图6，所述的上壳体2的下端端面沿周向设置多个类半球形凹槽，凹槽的数量和滚珠4的数量保持一致。具体地，滚珠4通过滚珠保持架3固定在上下壳体各自的类半球形凹槽组成的球形凹槽中。图7a、图7b和图7c分别为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的滚珠保持架的结构示意图、侧视图和俯视图。
41.图9为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构与芯轴连接示意图。参见图1、图2、图8a、图8b和图9，在本实施例中，棘轮自锁机构包括棘轮13、棘轮套14和偏心扇形块15，其中，棘轮13的中心设置了一个方形孔，该方形孔的尺寸和芯轴7上端的凸出部分的方形尺寸一致，并且棘轮自锁机构中间的棘轮13的厚度和芯轴7上端的凸出的长
度一致。
42.图10为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构与端盖连接示意图。参见图1、图2、图8a、图8b和图10，在本实施例中，棘轮自锁机构的棘轮套14的端面上沿周向设置多个通孔。这些通孔的尺寸位置和端盖1的端面上的通孔的尺寸位置可以一一对应。具体的，棘轮自锁机构的外圈棘轮套14通过螺栓通孔和端盖1固定在一起。图8a、图8b分别为本发明实施例中提供的可调扭矩套筒扳手的棘轮自锁机构的结构示意图和俯视图。
43.下壳体5的上端端面所有的类半球形凹槽的尺寸位置与上壳体2的下端端面所有的类半球形凹槽容纳槽相对应，使得在可调扭矩套筒扳手中滚珠与上下壳体端面上的类半球形凹槽位置相对应，且相互接触。上壳体2的类半球形凹槽的深度要比下壳体5的类半球形凹槽要浅一些，目的是保证滚珠可以顺利的被下壳体5带动。具体地，在本实施例中，本结构中，将滚珠4及滚珠保持架3嵌入上下壳体5中，且存在多个滚珠来均布载荷。当螺栓拧紧时，电机输出扭力，此时螺栓的反作用力逐渐增大，直到大于滚珠在类半球形凹槽中的静摩擦力，滚珠4会从上壳体2类半球形凹槽中滚出，接下来滚入各类半球形凹槽之间形成的环形凹槽通道内。当滚珠4从上壳体2的类半球形凹槽中滚出时，而下壳体5的类半球形凹槽较深，下壳体5从而带动滚珠4运动。当滚珠继续在凹槽通道中向前滚动时，会到达下一个类半球形凹槽，滚珠4进入该类半球形凹槽内，这个时候螺栓的扭力值例如刚好为350n
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m。这样就通过滚珠4的运动完成了恒扭矩输出。依此顺序循环作业最终完成大扭矩重载条件下实现铁路轨道螺栓的定扭矩紧固作业。
44.参见图1和图2，下壳体5的下半部分为空心结构，碟簧垫片10与碟簧9通过紧固圆圈6固定在下壳体5的空心结构中。其中碟簧垫片10置于碟簧9与下壳体5空心结构的内部上壁间。具体地，在芯轴7的尾部(下端)设置有螺纹结构，紧固圆圈6的内圈设置有与芯轴7的尾部螺纹结构相匹配的螺纹结构，二者螺纹连接，使碟簧9通过紧固圆圈6的锁紧而固定在下壳体5的中空部分中，并且使上壳体2、下壳体5紧密连接在一起，不会发生分离的情况。同时，碟簧9与紧固圆圈6之间设置有紧固圆圈垫片8。
45.紧固圆圈6通过芯轴7的螺纹端螺旋固定在芯轴7上，紧固圆圈垫片8位于与紧固圆圈6与碟簧9之间，紧固圆圈6起到固定和支撑碟簧9的作用，紧固圆圈垫片8可以解决碟簧9需要一个底面去支撑的问题。
46.使用时，利用碟簧9的弹力使滚珠4从滑移状态掉入到下一个类半球形槽内，下壳体5向上运动从而使机构完成复位。而且可以通过调整碟簧9在下壳体5中的装配数量进而实现多级扭矩限制功能，使本发明的可调扭矩套筒扳手的应用范围更加广泛。并且，将碟簧9通过紧固圆圈6固定和紧固圆圈垫片8锁紧后置于下壳体5的中空部分，这样使滚珠4及滚珠保持架3与碟簧9就相当于通过紧固圆圈6锁紧作用而连接在一起。因为本发明的限扭矩套筒扳手是应用于铁路工人紧固螺栓作业，所以为了方便工人们操作及携带，限扭矩套筒扳手的整体重量不可以过重。
47.碟簧9的选用是由于本发明中定力矩扳手如果选用圆柱螺旋类弹簧弹力太大，需要的尺寸很大，所以选择了可以满足弹力要求的碟簧，因碟簧的价格适宜，生产成本较低。
48.在一个具体的实施方案中，可调扭矩功能是由于在内燃机铁路螺栓紧固作业中，需要的扭矩并不相同，所以碟簧9数量、紧固圆圈6的预紧力大小可以通过其在芯轴7上设置的行程范围与扭矩的对应关系，依据所需扭矩的大小进行调节，进而使机构满足多级扭矩
限制的需求。具体实施方法为按照所需的扭矩大小，根据标定的与扭矩的对应关系，通过取下紧固圆圈6和紧固圆圈垫片8后直接增减碟簧9数量来达到所需要的扭矩，还可通过在下壳体5边缘设置的预紧力与扭矩值对应标定来调节紧固圆圈8进而得到所需要的输出扭矩。
49.实施例
50.如图1所示本发明实施例中的350n
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m限扭矩套筒扳手包括端盖1、上壳体2、滚珠保持架3、滚珠4、下壳体5、紧固圆圈6、芯轴7、紧固圆圈垫片8、碟簧9、碟簧垫片10、轴间垫片11和12、棘轮13、棘轮套14、偏心扇形块15。
51.本结构中，将滚珠4及滚珠保持架3嵌入上下壳体5中，且存在多个滚珠来均布载荷。当螺栓拧紧时，电机输出扭力，此时螺栓的反作用力逐渐增大，直到大于滚珠在凹槽中的静摩擦力，滚珠4会从上壳体2凹槽中滚出，接下来滚入两凹槽之间的凹槽通道内。当滚珠从上壳体凹槽中滚出时，而下壳体5的凹槽较深，下壳体5从而带动滚珠4运动。当滚珠继续在凹槽通道中向前滚动时，会到达下一个凹槽，滚珠进入凹槽内，这个时候螺栓的扭力值刚好为350n
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m。这样就通过滚珠4的运动完成了恒扭矩输出。另一方面利用棘轮自锁机构中的偏心扇形块15实现机构的自锁。通过销连接将四个偏心扇形块15固定在棘轮13上，只能使芯轴7带着棘轮13朝一个方向运动，这样可以有效的保证反向自锁。
52.本实施例中的可调扭矩套筒扳手的工作过程：将被紧固螺栓螺母套上套筒与端盖1上端连接。端盖1与上壳体2之间通过螺栓连接，滚珠通过滚珠置于上壳体2和下壳体5之间的类球形凹槽内，滚珠由下壳体5带动一起旋转。在进行锁紧螺栓作业时，芯轴7下端套在内燃机扳手上，内燃机扳手带动芯轴7旋转，下壳体5与芯轴7之间采用类矩形花键进行连接，带动下壳体5一起旋转，以达到拧紧螺栓的作用。由内燃机扳手施加小频次冲击载荷作用，使螺栓紧固程度逐渐加强，同时螺栓会产生反向的作用力作用在芯轴7上，再通过芯轴7和下壳体5的花键连接，带动下壳体5旋转，下壳体5将作用力作用在滚珠上带动滚珠转动。随着作用力逐渐增大，滚珠逐渐从上壳体端面的凹槽中爬升出来，此时产生向下的压力，通过下壳体5传递到碟簧9。碟簧9受力发生弹性形变，作用力促使滚珠在两个半球形凹槽之间的平面进行滑移。直到达到锁紧螺栓所需扭矩时，滚珠成功落入下一个半球形凹槽内，在碟簧9弹力的作用下，下壳体5向上运动，此时完成卸载，没有了压力，恢复到最初始时的状态。此时随着螺栓的拧紧，螺栓产生的反向作用力也越来越大，通过端盖1传递到棘轮自锁机构的反向作用力也越来越大，由于偏心扇形块15两侧不同的结构设计，当有反向作用力的时候，未倒圆角一侧和棘轮套14之间产生摩擦，阻止棘轮反向旋转，只能朝倒圆角那一侧的方向运动，这样可以有效的保证反向自锁。重复上述运动。
53.限扭矩机构为恒输出350n
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m的机构。每当扭矩达到350n
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m的时候，滚珠4就会在下壳体5的带动下从一个类半球形槽内被带动到下一个类半球形凹槽内，经历上升出槽、中间滑移和下落入槽的过程，并重复此过程，保证输出扭矩恒定为350n
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m。进而完成对内燃机铁路螺栓的定扭矩锁紧作业，由于本发明的套筒结构拆卸方便，还可通过调整碟簧9的数量、紧固圆圈6预紧力大小等方式实现多级扭矩限制功能，满足不同要求下的内燃机铁路螺栓紧固作业的要求。
54.以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释
本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。