Электрические ударные гайковерты. Динамика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования 

 «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ 

 А.Н. Дроздов, В.В. Степанов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УДАРНЫЕ 
ГАЙКОВЕРТЫ. 
ДИНАМИКА

Москва 2017

2-е издание (электронное)

Ре ц е н з е н т ы:
лауреат Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель РФ,                          
кандидат технических наук, Б.Г. Гольдштейн, 
президент РАТПЭ; 
доктор технических наук, Г.А. Тимофеев, профессор МГТУ им. Баумана

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ

Дроздов, А. Н.
Электрические ударные гайковерты. Динамика [Электронный ресурс] : монография / А. Н. Дроздов, В. В. Степанов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл 
pdf : 122 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1679-3 

Систематизированы и рассмотрены основные сведения, касающиеся электрических ударных гайковертов на современном этапе развития науки и техники. Представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на 
кафедре строительных и подъемно-транспортных машин Московского государственного  строительного  университета,  в  научно-исследовательских институтах 
ВНИИСМИ,  Институте  машиноведения  РАН  и  научно-техническом центре 
ЗАО «Интерком». Решение задач в области исследования динамики  электрических  ударных  гайковертов  приведено  в  виде  программ системы Mathcad,  также 
численными методами в ходе моделирования в CAE-системе Universal Mechanism. 

Для научно-технических работников, аспирантов и магистрантов, изучающих дисциплины « Основы создания ручного механизированного инструмента» 
и  «Строительно-отделочные  машины  и  механизированный  инструмент».

УДК 621.88:69.002.5 
ББК 38.112 

Д 75

УДК 621.88:69.002.5 
ББК 38.112 

ISBN 978-5-7264-1679-3 
 © ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2013

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Электрические 
ударные гайковерты. Динамика : монография / А. Н. Дроздов, В. В. Степанов ; М-во 
образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство 
МИСИ—МГСУ, 2013. — 118 с. — ISBN 978-5-7264-0781-4.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя 
возмещения убытков или выплаты компенсации.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 5
Введение   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 6
Глава 1.  Ручные резьбозавертывающие машины 
ударного действия.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 7
1.1. Общие положения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 7
1.2. Ручные электрические ударные гайковерты .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 7
1.3. Основы расчета ударных гайковертов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 13
1.4. Вопросы исследований ударных гайковертов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 14
1.5. Классификация УВМ гайковертов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 15
1.6.  Особенности математических моделей 
ударно-вращательных механизмов гайковертов .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 18
Глава 2.  Динамика процесса затяжки резьбовых соединений 
периодическими ударами  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 29
2.1.  Краткие сведения о динамике механизмов 
с самотормозящимися элементами .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 29
2.2. Динамическая модель резьбового соединения   .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 31
2.3.  Решение уравнений движения системы «резьбовое
соединение–шпиндель гайковерта» в среде Mathcad  .  .  .  .  .  .  . 35
2.4.  Определение динамических параметров процесса завинчивания 
резьбового соединения периодическими ударами.  .  .  .  .  .  .  .  . 46
2.5.  Создание имитационной модели системы «резьбовое соединение–
шпиндель гайковерта» в системе Universal Mechanism .  .  .  .  .  . 55
2.6.  Моделирование импульсной затяжки резьбового соединения 
в системе Universal Mechanism (динамика модели резьбового 
соединения при воздействии импульсов крутящего момента)  .  . 55
2.7.  Моделирование затяжки резьбового соединения периодическими 
ударами в системе Universal Mechanism  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 57
Глава 3.  Средства обеспечения заданного момента затяжки 
резьбового соединения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 59
3.1.  Ограничение максимального момента затяжки
с помощью торсиона.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 60
3.2.  Механизм автоматического отключения
пневматического гайковерта   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 62
3.3. Электронные средства обеспечения тарированной затяжки  .  .  . 64

3.4.  Решение уравнений движения системы «резьбовое соединениешпиндель гайковерта» с учетом влияния торсиона  .  .  .  .  .  .  .  . 66
3.5. Основы проектировочного расчета торсионов   .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 70
Глава 4.  Исследования динамики УВМ гайковерта  .  .  .  .  .  .  .  . 74
4.1.  Задачи исследований динамики УВМ гайковерта.  .  .  .  .  .  .  .  . 74
4.2. Исследование кинематики ударника  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 74
4.3. Динамическая модель УВМ.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 76
4.4.  Допущения и предположения, принятые 
при исследовании динамической модели  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 77
4.5. Удар в системе «приводной вал–ударник–наковальня» .  .  .  .  .  . 77
4.6. Упрощенная динамическая модель УВМ   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 81
4.7. Приведенная масса ударника  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 83
4.8. Отыскание периодических режимов движения модели.  .  .  .  .  . 83
4.9. Определение крутящего момента на приводном валу.  .  .  .  .  .  . 85
4.10. Подбор рабочей пружины  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 88
4.11. Ударная мощность гайковерта .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 91
4.12. Динамическая устойчивость УВМ гайковерта .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 92
Приложения.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 93
Заключение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  117
Библиографический список  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  118

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель данной работы — сообщить, обобщить и систематизировать 
основные сведения, накопленные при изучении электрических ударных 
гайковертов на современном этапе развития науки и техники. 
При написании монографии принимались во внимание результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных 
в разные годы на кафедрах СиПТМ и ММС Московского государственного строительного университета; в научно-исследовательских 
институтах — ВНИИСМИ, Институте машиноведения РАН, а также в 
научно-техническом центре ЗАО «Интерскол».
Большая часть представленной в книге информации носит прикладной характер. Решение многих задач либо приведено в виде программ 
системы Mathcad, либо проводится численными методами в ходе моделирования в известной CAE-системе Universal Mechanism. Такой подход позволяет при помощи так называемых «живых» формул (или пошагово повторяя алгоритм моделирования) использовать свои данные и 
немедленно получить результат.
Работа ориентирована на читателей, занимающихся проблемами 
проектирования и прикладных исследований гайковертов, а также 
иных ручных машин ударного действия. Книга может быть полезна 
специалистам, чья деятельность связана с ручным механизированным 
инструментом, аспирантам и молодым ученым, студентам старших 
курсов втузов и всем, кто интересуется динамикой машин и (или) моделированием технических систем.

ВВЕДЕНИЕ

Резьбовые соединения в конструкциях узлов машин составляют 
15÷20 % от общего количества соединений. А трудоемкость их сборки равна 25÷35 % от общей трудоемкости сборочных работ. Причем 
в некоторых специфических отраслях, таких как автомобиле- и судостроение, эта цифра может достигать и больших значений. Подсчитано, 
что 60÷70 % всех соединений, например, в автомобиле — резьбовые. 
Использование таких соединений в строительстве, во всех отраслях 
промышленности постоянно возрастает с увеличением объема выпускаемой продукции. С увеличением действующих на конструкции нагрузок и ужесточением требований к их прочности растет число ответственных особо прочных соединений. В таких условиях необходима 
механизация процесса сборки для обеспечения экономически выгодной 
производительности.
Сборочный резьбозавинчивающий инструмент делится на два основных типа: статического и импульсного действия. Выбор того или 
иного типа зависит от требований к точности затяжки, качества собираемых узлов, серийности выпуска, конструктивных особенностей, 
жесткости резьбового соединения и других факторов.
Статический метод считается наиболее точным, но имеет недостатки. К ним относятся меньшая производительность (по сравнению с 
импульсным методом) и высокая нагрузка на руки оператора, который 
воспринимает реактивный момент, возникающий при затяжке.
Принцип ударной передачи энергии позволяет при сравнительно 
небольших приводных двигателях развивать высокий момент затяжки, что позволяет создавать удобные и легкие машины. В импульсных 
гайковертах практически отсутствует реактивный момент. Имея высокую производительность, они решают проблему массовости сборки, но имеют при этом низкую точность момента затяжки собираемых 
соединений1.
Анализ публикаций и патентов указывает на повышенный интерес к 
проблеме ударной затяжки резьбовых соединений.

1  По данным Atlas Copco и ИНСТРУМ-РЭНД — компаний-производителей 
инструмента.

Глава 1

РУЧНЫЕ РЕЗЬБОЗАВЕРТЫВАЮЩИЕ 
МАШИНЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

1.1. Общие положения

По типу источника энергии резьбозавертывающие машины ударного действия подразделяют на:
• электрические (сетевые или аккумуляторные);
• пневматические;
• гидравлические;
• бензиновые.
Различают машины статического и ударного действия. Высокий 
крутящий момент на ключе ударного гайковерта достигается за счет 
накопления движущейся массой энергии и периодической передачи ее 
выходному валу в результате удара. Благодаря такому принципу действия обеспечивается большой момент на ключе при малом реактивном 
моменте, воздействующем на руки оператора.
Помимо собственно гайковертов к резьбозавертывающим машинам 
ударного действия также относят:
• шпильковерты;
• муфтоверты;
• шуруповерты;
• некоторые резьбонарезающие машины и проч.

1.2. Ручные электрические ударные гайковерты

Гайковерт — это инструмент, относящийся к классу машин для сборочных работ и в основном предназначенный для механизации процессов затяжки и откручивания резьбовых соединений. Он может применяться для работы с болтовыми соединениями, глухарями, анкерными 
шурупами и др. Область применения гайковертов весьма обширна: их 
используют при сборочных работах, для обслуживания транспортной 
техники, при ремонте железных дорог, на строительных объектах.
Ручные электрические ударные гайковерты имеют двигатель, редуктор и ударно-вращательный механизм (далее — УВМ), обеспечи

вающий преобразование непрерывного вращения на входе в ударные 
импульсы на выходе. Тангенсальная составляющая ударных импульсов 
на плече их приложения обеспечивает затяжку резьбового соединения.
Основными определяющими параметрами этих машин являются диапазон диаметров затягиваемых резьбовых соединений, максимальный 
момент затяжки, время затяжки, 
энергия единичного удара, частота 
ударов. Гайковерты с ударно-вращательными механизмами относятся к 
машинам виброударного действия. 
Их разделяют на частоударные 
(f > 5 Гц, обычно 20÷30 Гц) и редкоударные (f < 5 Гц). Ориентировочный диапазон диаметров резьбы 
затягиваемых соединений — 16÷36 
(60) мм.
Машины производят в прямом и 
угловом исполнениях с рукоятками 
различных типов: с рукояткой пистолетного типа, с рукояткой замкнутого типа заднего расположения, с рукояткой-корпусом и др.
При механизированной затяжке резьбовых соединений применяются гайковерты с различными УВМ. Существует множество конструкций УВМ и гайковертов в целом, однако принципиальных схем УВМ, 
применяемых в гайковертах, немного, причем с электроприводом наибольшее распространение получила схема с винтовым движением ударника относительно ведущего вала механизма. Учитывая значительные 
потери скорости ударником при торцевом контакте кулачков при достижении им переднего положения до удара, конструкция УВМ должна 
исключать такой режим. Эта схема механизма получила широкое распространение благодаря простоте конструкции: при высоком аккумулировании энергии она исключает возможность создания режима короткого замыкания для двигателя.
Схема УВМ с винтовым движением ударника относительно приводного вала представлена на рис. 1.2.
Ударный механизм размещается в корпусе 2 и содержит ударник 3 

Рис. 1.1. Современный электрический 
ударный ручной гайковерт (опытный 
образец ЗАО «Интерскол»)

с рабочими кулачками, поджатый пружиной 4, и шпиндель-наковальню 6, также имеющую рабочие кулачки. На приводном валу 8 выполнены спиральные канавки, а на ударнике — кулачковые поверхности, 
образующие вместе с шариками шарико-винтовую пару 5, обеспечивающую возможность углового и осевого перемещений ударника относительно приводного вала.

Рис. 1.2. Ударно-вращательный механизм с винтовым движением ударника: 
1 — ключ; 2 — корпус; 3 — ударник; 4 — рабочая пружина; 5 — шарико-винтовая пара; 6 — шпиндель-наковальня; 7 — возвратная пружина; 8 — приводной вал

Рассматриваемый УВМ может работать в двух режимах: непрерывной передачи крутящего момента от приводного вала шпинделю и 
ключу в результате постоянного зацепления кулачков ударника и наковальни и импульсной передачи крутящего момента. Смена режимов 
осуществляется автоматически.
Первый режим характерен для процесса наворачивания гайки на 
тело болта и первой стадии затяжки резьбового соединения, при котором величина крутящего момента сопротивления на ключе мала по 
сравнению с моментом на приводном валу и не вызывает короткого 
замыкания обмоток электродвигателя. По мере увеличения сопротивления на ключе, чтобы избежать перегрузки привода, ударник замедляется относительно приводного вала и за счет наличия шарико-винтовой 
пары начинает движение в осевом направлении, поджимая рабочую 
пружину (взвод ударника) до тех пор, пока не выйдет из зацепления 
с кулачками шпинделя. С этого момента ударник продолжает движение отдельно от наковальни и УВМ переходит в импульсный (ударный) 
режим работы. Последующий разгон ударника приводным валом и рабочей пружиной обеспечивает первое ударное взаимодействие ударни

ка и наковальни. При последующих ударах картина будет качественно 
повторяться, отличаясь в каждом случае начальными условиями и, как 
следствие, параметрами движения бойка.
К недостаткам рассмотренного механизма следует отнести непостоянство энергии единичного удара в процессе затяжки, а также отсутствие 
правильного ориентирования положений ударника и наковальни перед 
ударом. Первый недостаток ведет к неравномерной загрузке двигателя 
в процессе затяжки и ограничивает применение гайковертов с данным 
механизмом для тарированной затяжки ответственных соединений. Второй недостаток ведет к появлению кромочных ударов, что снижает надежность машины. Влияние первого недостатка может быть несколько 
снижено при проектировании машины расчетными методами. Снижение 
влияния второго фактора может быть осуществлено конструктивно.
Рассмотрим другую схему УВМ гайковерта, представленную на рис. 1.3. 
Это один из ударных механизмов [2], разработанных применительно к гайковертам, хотя не исключается возможность его использования в молотках, 
вибраторах и других машинах. Механизм работает следующим образом: при 
вращении водила 3 (по часовой стрелке) ролики 4 под действием центробежных сил находятся в крайних верхних положениях и, зацепляясь с кулачками 7, передают непрерывное вращение наковальне-шпинделю и далее через 
ключ гайке (последние не показаны), происходит завинчивание гайки.
При затяжке резьбового соединения наковальня 2 остановлена, ролики 4 относительно водила 3 в пазах 8 «выжимаются» (против часовой 
стрелки), огибают кулачки 7 и, поднимаясь за счет центробежной силы, 
наносят удары по кулачкам 7. Далее процесс с отскоком роликов по па
Рис. 1.3. Ударно-вращательный механизм с бойками, движущимися в плоскости, перпендикулярной к оси вращения: 1 — квадрат для крепления инструмента; 2 — шпиндель-наковальня; 3 — водило; 4 — ударные ролики; 
5 — приводной вал; 6 — корпус; 7 — кулачки; 8 — наклонные пазы

зам 8 повторяется до окончательной затяжки резьбового соединения. 
При отвинчивании резьбового соединения аналогичный процесс происходит в обратном направлении.
Таким образом, при работе механизма в режиме затяжки резьбового 
соединения приводной вал 5 с водилом 3 вращается непрерывно, не испытывая стопорения при соударении роликов 4 с кулачками 7. Поэтому 
данный механизм может работать с электроприводом. 
К достоинствам этого механизма по сравнению с рассмотренным 
выше можно отнести:
• отсутствие осевой составляющей движения бойков и ударника, благодаря чему предполагается некоторое снижение уровня вибрации;
• отсутствие рабочей пружины (сила сжатия пружины заменена центробежной);
• снижение габаритного размера механизма в осевом направлении. 
Наряду с механическими ударными механизмами в гайковертах нашли применение гидравлические ударные механизмы [24] (так называемые гидроимпульсные гайковерты). Ударное взаимодействие в таких 
механизмах осуществляется через гидравлическую среду. На рис. 1.4 
представлена конструкция гидроимпульсного механизма лопаточного 
типа с лопаткой, перемещающейся перпендикулярно оси гайковерта.

Рис. 1.4. Гидравлический ударный механизм

а

б

Бойком является корпус гидравлической камеры 1, соединенный 
с приводным валом. Внутри полого бойка расположен шпиндель 3. В 
головку шпинделя вставлена лопатка 5 с пружинами 6. Полость бойка 
образует камеру 7 цилиндрической формы, поверхность которой имеет 
полукольцевые выемки 8, разделенные двумя диаметрально расположенными поясками 9. Продольная ось камеры 7 смещена от оси шпинделя на величину эксцентриситета. Замкнутый объем камеры заполнен 
маслом. Рабочий процесс состоит из цикла разгона корпуса гидравлической камеры и цикла удара (динамического уплотнения). Таким образом, 
шпиндель делит весь внутренний объем камеры на две части — А и В. 
Разгон осуществляется беспрепятственно, поскольку эти части соединены выемками 8 и каналом под шпинделем, благодаря которым жидкость 
свободно перетекает из одной полости в другую (рис. 1.4 а). Совершив 
один оборот и увеличив скорость, корпус камеры занимает относительно 
шпинделя положение, показанное на рис. 1.4 б, при этом уплотняющие 
выступы 9 на корпусе и соответствующие выступы на лопатке и шпинделе располагаются друг против друга, перекрывая каналы, соединяющие 
полости А и В. Скорость изменения объемов в этот момент максимальна. Уплотнение зазоров вызывает повышение давления жидкости в полости A. Кинетическая энергия бойка расходуется на сжатие жидкости. 
В силу перепада давления между частями камеры и эксцентриситета на 
боек и шпиндель действуют вращательные моменты. Боек затормаживается, момент на шпинделе передается на затягиваемое соединение. Затем боек с малой угловой скоростью проходит область динамического 
уплотнения. В процессе удара лопатка поджимается высоким давлением, 
подводимым внутрь шпинделя из полости сжатия по каналу 10. Предельным устройством в этом механизме является перепускной шариковый 
клапан 11, регулирующий максимальное давление в полости сжатия. 
Данный вид механизмов может использоваться как с пневматическим, так и с электрическим приводом и снабжаться различными предельными устройствами — центробежными, торсионными и проч.
К очевидным достоинствам гидроимпульсных гайковертов следует 
отнести повышенную долговечность, бесшумность и вибробезопасность при работе. Частота ударов у таких механизмов ниже, чем у механических. Наконец, гидроимпульсным механизмам присуща большая 
стабильность момента затяжки.