基于磁效应的电锤减振机构的设计及实现

基于磁效应的电锤减振机构的设计及实现*

张惠1,2

(1. 浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316100；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山316100)

摘要：为了减少电锤工作时所产生的振动对操作人员及设备的伤害，提出了一种电锤磁力减振的新方法，即通过分析现有电锤减振方法的不足，基于磁效应，利用永久磁铁的磁场作为弹性介质，相对排列两磁体相同磁极，设计了一种磁力减振机构用于电锤的手柄减振，同时设计了一种磁力冲击机构以减少振动。通过磁力减振电锤的总体方案设计，验证了提出的新方法，实验结果表明了方法的有效性。

关键词:电锤磁力减振磁效应永久磁铁

中图分类号：TH166; TP391文献标识码：A

基金项目：浙江海洋学院科研启动经费资助。

作者简介：张惠(1970-)，女，湖北省武汉市人，博士，研究方向：产品创新设计，知识获取方法。

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

电锤是一种常见的电动工具，集塑料工程、机械、电机、电子控制等多种产业为一体,具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单安全可靠等优点，同时，由于其所产生的高频震动使得操作人员的手臂容易麻木疲劳，长期使用还会引起肌骨失常等疾病，尤其是大功率的电锤，更明显地增加了其操作难度和对人体的危害程度。因此，为了减少电锤的振动引起对人体的损伤、降低电锤的操作难度，在电锤的设计过程中，需要考虑电锤的振动、噪声和安全性等绿色设计要求[1-3]。

图1　冲击电锤 [4]

1电锤常用减振方法

电锤主要由电机驱动系统、曲柄连杆机构、齿轮驱动系统、气缸组件、前手柄、后手柄、机壳、开关、电缆线等零部件组成，如图1所示。由于使用时振动过大，会导致使用者工作疲劳及人体损伤、钻头过早磨损以及因损坏内部零件而过早报废。因此，减少电锤振动的相关课题受到研究者的广泛关注。根据减振部位的不同，电锤减振的方法主要有两种：一种是减少壳体与手柄之间的振动，另一种方法是减少壳体与冲击机构之间的振动，其具体结构有如下几种。

1.1减少壳体与手柄之间的振动

1)使用弹性零件减振

如图2所示的具有振动阻尼手柄的手持式工具机[5]，在这种电锤上，在机壳和手柄直接设计了一个弹簧，同时手柄的形状为具有两个相对机体纵轴线大致平行延伸的腿，与机壳弹性连接，这种设计结构简单，可很大程度上减少对来自机壳的振动。

图2　振动阻尼手柄 [5]

而另一种减振方法中只使用了一个弹簧，如图3中的避震电锤[6]，这种电锤的手柄下端与主体铰接，形成手柄的下支点，而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。当电锤工作产生振动时，在减震弹簧的作用下，手柄通过小幅度位移的变化来吸收振动，达到减振目的。

图3　避震电锤 [6]

1.2减少壳体与冲击机构之间的振动

如图4所示，为了减少冲击钻的振动，设计者在冲击结构内部加入了弹簧，配合冲击结构进行减振。

图4　冲击结构弹簧减振的冲击钻 [7]

通过上述分析，可以看到目前电锤的减振方法主要是利用普通弹簧或弹性材料本身的弹性，在手柄与壳体的连接处或者冲击机构内部进行减振。这种减振方式的性能会随着使用时间和使用频率的增加而减弱，不能可靠减振，因此本文提出一种磁力减振方法，利用永磁体的同极相斥原理，设计一种新颖的磁力减振机构，用于手柄和冲击机构，以减小电锤的振动。

2磁力减振机构的设计

由于磁悬浮减振技术能够非接触支撑物体，具有极少的摩擦及磨损问题、振动少、噪声小以及高速运动等优点[8,9]；同时，由于磁铁本身特殊的特征，使其能在特殊环境下使用，因此考虑到产品制造的经济性、实用性及可靠性，在磁悬浮减振原理的基础上，提出一种磁力减振机构。

2.1磁力减振机构的基本原理

图5　磁力减振机构的 　　基本原理

如图5所示，该机构由两块圆柱形永久磁铁组成，一块为基体，一块为浮体，利用永久磁铁的磁场作为弹性介质，两磁体相同磁极相对排列，其间的排斥力随两磁极间距离的变化而变化。为了实现减振功能，利用至少两个永久磁铁构成排斥型磁性弹簧，通过确定永久磁铁中浮体的相对运动轨迹，使所设计的磁性弹簧内储存的磁能保持一定，对于所输入的振动，永久磁铁浮体不会有过大的影响，既能够以较小的位移有效的吸收振动，同时通过设定永久磁铁间的间隔距离及相对面积的关系，使排斥力近似一定。

2.2磁力减振手柄的设计

图6　具有减振的电锤工具手柄

如图6所示，在电锤工具的壳体尾部两内侧孔与“C”型电锤手柄的两杆端部间分别装有一对永久磁铁构成的排斥型磁性弹簧，该减振机构利用永久磁铁“同极相斥”的原理，不仅能满足现有技术的减振需求，而且结构简单，制造成本低，可极大提高电锤钻的使用寿命。

该减振机构与电锤钻壳体尾部相连接，不仅可以减少电锤因高速冲击产生的振动，减少操作者的疲劳感，而且解决了弹性元件因使用时间和使用频率的增加而减弱的问题。

2.3磁力冲击机构的设计

除了在手柄处设计减振装置外，还可设计一种磁力冲击机构，如图7所示。该机构有一个固定在壳体内固定套筒1，驱动轴3的一端装有一个冲击锤2，驱动轴3的另一端与驱动盘5连接，驱动盘5的槽内装有永久磁铁6，转动盘8一端与转动轴9连接，转动盘8上也可装有永久磁铁7，二组相对的永久磁铁相互转动，产生排斥力和吸引力，使驱动盘5相对转动轴9作前后移动，带动冲击锤2作冲击移动。其中两组磁铁没有接触，可以大大减小振动与噪音。

1.固定套筒；2.冲击锤；3.驱动轴；4.导向销；5.驱动盘；6.磁铁；7.磁铁；8.转动盘；9.转动轴。 图7　磁力冲击机构

图8为装有磁力冲击机构的电锤示意图。其中，电锤的支座11中装有电机12，当电机12旋转时，利用其电枢前端齿轮驱动中间轴14上的中间齿轮13，中间齿轮13和小齿轮15固定在中间轴14上，与中间轴14一起旋转，因此，旋转运动可通过小齿轮15传递到驱动齿轮16上，驱动齿轮16固定在旋转套筒19上，旋转套筒19通过轴承支承在支承套17上，不能轴向移动，可相对固定套筒1旋转，其前端装有钻夹头20，当驱动齿轮16带动旋转套筒19旋转时，可带动钻夹头20旋转，从而带动插在其中的钻头旋转。同时磁力驱动机构带动钻夹头20往复运动，实现锤击功能。

1.固定套筒；2.冲击锤；3.驱动轴；4.导向销；5.驱动盘；6.磁铁；7.磁铁；8.转动盘；9.转动轴；10.大齿轮；11.支座；12.电机；13.中间齿轮；14.中间轴；15.小齿轮；16.驱动齿轮；17.支承套；18.壳体；19.旋转套筒；20.钻夹头；21.螺钉。 图8　装有磁力冲击机构的电锤

采用磁力机构可以降低因振动导致的电锤内部零件过早失效的概率，并在一定程度上减少因振动产生的噪声，结构简单，使用方便，且不受环境因素的影响,该设计方案已获得国家发明专利授权，并实施样机成功。

3结论

本文基于磁效应，利用磁力减振原理设计了一种电锤减振手柄及磁力冲击机构，有效解决了由于振动大所导致的使用者工作疲劳及电锤过早失效等问题。磁力传动具有无摩擦及磨损，能够高速运动，振动及噪声较小等优点， 随着新一代的永磁材料在高剩磁、 高矫顽力、 高磁能积等性能的提高和成本的降低，具有磁力冲击机构的电动工具不仅可以有效降低振动，减小摩擦、噪音，而且还可以大大增加冲击和效率。

下一步需要考虑磁性弹簧的漏磁及外界环境等各方面的影响，通过相关实验，对磁力机构进行力学特性分析。

参考文献

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