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具有减振功能的电锤手柄设计 摘要：为减少电锤的振动引起对人体的损伤、降低电锤的操作难度，基于对专利库的相似专利中的减振方案进行分析优化，提出以有一对永磁铁中再加一块磁铁，组成排斥型磁铁组的方案，从而实现其减振的功能。关键字：减振；电锤；专利优化1. 电锤简介说到电锤，就不得不介绍一下电动工具。电动工具是用手握持操作，以小功率电动机或电磁铁作为动力，通过传动机构来驱动作业工作的工具。电动工具的历史要追溯到1895年。当时德国制造出世界上第一台直流电钻。外壳用铸铁制成，能在钢板上钻4mm的孔。随后出现了三相工频（50Hz）电钻，但电动机转速没能突破3000r/min。到了1914年，出现了单相串激电动机驱动的电动工具，电动机转速达10000r/min以上。1927年，出现了供电频率为150200Hz的中频电动工具，它既具有单相串激电动机转速高的优点，又具有三相工频电动机结构简单、可靠的优点，但因需用中频电流供电，使用受到限制。60年代，随着电池制造技术的发展，出现了用镍镉电池作电源的无电源线的电池式电动工具。但当时因价格昂贵，发展较慢。到70年代中后期，因电池价格降低，充电时间也缩短，这种电动工具在欧美、日本得到广泛使用。电动工具最初用铸铁作外壳，后改用铝合金作外壳。60年代，热塑性工程塑料在电动工具上获得应用，并实现了电动工具的双重绝缘，保障了电动工具的使用安全性。由于电子技术的发展，60年代还出现了电子调速电动工具。这种电动工具利用晶闸管等元件组成电子线路，以开关揿钮被揿入的深度不同来调节转速，从而使电动工具在使用时能按被加工对象的不同（如材料不同、钻孔直径大小等），选择不同的转速。电动工具主要分为金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具。常见的电动工具有电钻、 电动砂轮机、 电动扳手和电动螺丝刀、电锤和冲击电钻、混凝土振动器、电刨。 图1、电锤实物图其中电锤（如图1）和冲击电钻主要用于混凝土、砖墙及建筑构件上凿孔、开槽、打毛等作业。电锤结合膨胀螺栓使用，可提高各种管线、机床设备的安装速度和质量。电锤主要依靠旋转和捶打来工作，是由活塞的压缩空气产生的振动力作用与钻头，从而达到捶打的效果，其振动力远远大于冲击钻的冲击力，单个捶打力非常高，并具有每分钟1000到3000的捶打频率，可产生显著的力。与冲击钻相比，电锤只需要最小的压力来钻入硬材料，例如石头和混凝土等，特别是相对较硬的混凝土。所以对用量大的专业人员来说，它是最佳的选择。在工程实际中，电锤适合大口径如30mm以上的孔，优点是效率高，孔径大，钻进深度长，但其也有一定缺点。其主要缺点是振动大，对周边构筑物有一定程度的破坏作用。而对于25mm左右的小口径以及钻进深度短等条件，比较适合的是冲击钻。冲击钻对周边构筑物的破坏作用十分小。正如上述所说，电锤的主要缺点在于振动大，对周边构筑物有一定程度的破坏作用。正是因为电锤的振动，而使工作人员的手容易疲劳。尤其是大功率的电锤，更由于高频率的振动而明显地增加了其操作难度。因此，为减少电锤的振动引起对人体的损伤、降低电锤的操作难度，有人开发出了可以减振的电锤。例如专利号95103510.X中的电锤用减振设备（见图2），它是用设在连接电锤主件与手柄的弹性减振件之间的弹性棒来吸收运行中因锤具组件产生的振动所引起的上述弹性减振件的相对位移。在电锤的使用过程中，弹性减振因锤具主件传递来的振动而进行的相对运动将导致上述弹性棒在转动的同时受到压缩，由此而使振动减轻。它的主要特征在于：装附在此电锤的锤具主件上的第一弹性减振件，在此减振件中形成有一些第一凹部；连接在此电锤装置的手柄上的第二弹性减振件，在这一减振件中则形成有第二凹部，此第二凹部与前述第一弹性减振件的那些第一凹部共同限定出弹性棒导引通路，用来导引电锤主件振动时，由于第一与第二弹性减振件的相对运动而造成的弹性棒的转动并允许其压缩以减轻振动；以及一止动件，它安装在第二弹性减振件上，与第一弹性减振件结合，可使手柄能相对于此电锤装置的锤具组件作一定程度的运动，由此来方式手柄从此锤具主件上脱落。该专利所采用的技术虽然达到了减振的目的，但结构非常复杂，对加工的要求高，生产成品很高，且存在电锤手柄相对电锤主体发生轻微左右摆动的可能。还有人借鉴了此专利的优缺点，开发出了另一种电锤减振的方式。例如专利号200420019835.3中的避振电锤（见图3），它特征在于手柄的下端与电锤主体铰接，形成手柄的下支点，而其上端则通过弹性连接机构与电锤主体连接，形成手柄的上支点。弹性连接机构包括至少一根上面套装有压缩弹簧的导杆，还包括固定安装在手柄上的滑板，滑板穿装在导杆上并可相对于导杆前后移动，滑板的后侧由固定连接在导杆后端的限位件限位，而其前侧抵在压缩弹簧的后端。但是经过仔细分析，我认为它虽然具有结构简单、生产成本低且吸振效果好的优点，可广泛应用于各类电锤，但是普通压缩弹簧容易磨损，使用时间久以后吸振效果会降低，因此我认为它这个减振手柄需进行改进。 图2、电锤用减振设备 图3、避振电锤2. 设计原理首先是选择减振方案：通过对专利库的相似专利（如上述）进行分析，决定采用专利号200420019835.3的方案。减振常用的方法为吸振，较好的办法是用减振材料吸振（如压缩弹簧）（见表1）。而广义的弹簧就是把动能转化为势能或热能，以此减少位移的变化，达到减振的效果。除了普通弹簧，有压缩特性的气体或者是液体也具有吸振功能，用同级永磁体构成的排斥性弹簧也具有吸振功能。但是如上所述，普通弹簧容易磨损，使用时间久以后吸振效果会降低，气体或者液体又不便于存储，对于手柄这样的结构也是不适宜的。因此，我们采用永磁体构成的磁性弹簧（原理如图4）作为冲击钻的吸振装置。之所以选择永磁铁的减振方案是因为结构简单，成本低，维修、制造方便，便于生产。 表1、常用减振材料及减振器减振阻尼材料减振（阻尼）器弹性材料金属弹簧板弹簧、卷弹簧、环形弹簧非金属弹簧橡胶减振器、空气弹簧 阻尼材料干摩擦阻尼钢丝绳阻尼器粘稠介质（沥青或液压油）阻尼粘性阻尼器、油阻尼器液、气阻尼利用空气和水组合成浮动式隔振装置 松软材料软木、玻璃纤维、毛毡、泡沫塑料等软材料 构成的垫层 图4、永磁体减振原理图如图4，壳体上有两块永磁体，正好与把手上的永磁体磁极相斥，使把手始终处在O点附近。受到一个干扰力（即电锤工作时的冲击力）的话，永磁体的磁力迫使其重新回归到O点，也就是平衡点附近，达到减振的效果。另外，永磁体数目也可根据其减振时的具体效果决定，若是减振效果不好，可以增大永磁体的数量，以此来调节平衡力。选取永磁体的好处在下面的计算中也可显示出。对于弹簧，它的减振规律为。因此手柄偏离原点处位移越大，受到的指向原点的力就越大，因此迫使电锤主体始终在原点附近，且位移相对于未进行减振效果的要小很多，而对于永磁体减振，受力遵循以下规律，是位移的二次方的倒数。由此可见，采用永磁体减振时可以以少量的位移就可有很大的力，因此其受力比弹簧减振时的受力大了许多，于是减振效果应会更好。3. 设计具体模型初步设计图见图5： 图5、初步设计图其中，1、把手外壳；2、螺纹孔；3、永磁铁；4、“C”型把手；5、把手固定螺钉。如图5，在电锤工具的壳体尾部两内侧孔与“C”形电锤手柄的两杆端部间，分别装有两对永久磁铁中再加一块磁铁，组成排斥型磁铁组，螺钉分别穿过电锤工具的壳体两内侧孔的导向槽，固定在“C”形电锤手柄的两杆侧面，螺钉和导向槽形成滑动配合。排斥型磁性弹簧与电锤工具的壳体尾部相连接，可减少磨损和摩擦，降低振动和噪声。在基本结构确定后分别对各个零部件进行三维建模，初步确定了其各个部分的尺寸。选用PRO/E软件建模如图6：图6、Pro-E建模图其中各个部分组成如下：1、 “C”型把手（见图7）：其中的孔用于螺钉联结，便于“C”型把手在槽中滑动。前端磁铁用胶（或是其他联接方式）粘在把手上。材料考虑使用硬铝材料。 。图7、“C”型把手2、 电锤把手部分的壳体（如图8）图8、电锤把手壳体装配后的三维模型（见图9）： 通过装配来检验是否存在干涉，以及检查设计中的不合理现象。图9、装配三维图4. 设计小结此设计是我参加SRTP时的设计的题目，那时的SRTP我们的题目是“基于专利库的创新分析”，就是采用了简介所述的专利进行分析优化。从去年4月至今，虽然SRTP的效果不是很好，也没得出什么结论，但也从中学到了不少东西。就可惜没有经过后面的实验验证。在此就只是提出一个创新性方案吧。此方案我认为吸收了简介中的各个专利的特点，且利用永磁体作为减振材料，没有能量消耗，绿色环保，结构简单，成本低，维修、制造方便，便于生产，同时预计减振效果较地弹簧减振方案好，因此实现了专利分析优化、以及机械结构再创新的目的