CN102395448A - 转矩扳手 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，其能够高准确性地检测转矩，在检测到转矩后，能够提供手柄操作的常规感觉，并且能够安全地拧紧螺栓之类的紧固构件。在装有凸轮式转矩检测机构的转矩扳手中，在管状凸轮(22)的外周部上形成有凸轮部分(27)，其包括：静态啮合凸轮表面(27a)、转矩峰逐渐增大的凸轮表面(27b)、凸轮顶部表面(27c)、转矩逐渐减小的凸轮表面(27d)以及负转矩凸轮表面(27e)；其中，该静态啮合凸轮表面(27a)在非操作状态下以静止状态与滚柱构件(18)相啮合；该转矩峰逐渐增大的凸轮表面(27b)与该静态啮合凸轮表面(27a)相连接，并且当滚柱构件(18)移动时与之相接触，从而使转矩峰值逐渐增大；该凸轮顶部表面(27c)形成与该转矩峰逐渐增大的凸轮表面(27b)相连接的凸轮顶部部分；该转矩逐渐减小的凸轮表面(27d)用于使对于滚柱构件(18)的正转矩逐渐减小到零；而该负转矩凸轮表面(27e)用于对于越过该转矩逐渐减小的凸轮表面(27d)的滚柱构件(18)给予负转矩。

Description

转矩扳手
技术领域
本发明涉及一种转矩扳手，更具体地说，涉及一种具有机械转矩检测机构的转矩扳手，当拧紧转矩达到设定的转矩值时，其为操作者提供所施加的力突然被减小的操作感。
背景技术
对用于转矩扳手的机械转矩检测机构，有建议采用一种带有凸轮和凸轮滚柱的凸轮式转矩检测机构，其中，使该凸轮滚柱通过弹簧与该凸轮弹性接触（专利文件1）。
图3(a)显示了具有上述传统的凸轮式转矩检测机构的转矩扳手。图3(a)所示的转矩扳手具有固定于管状手柄51的前端的管状头部52，以及驱动轴53，该驱动轴53可旋转地安装在所述头部52中，从而使插槽（未示出）等可更换地安装在其上。此外，所述头部52中还设有管状凸轮54，其与驱动轴53的中心轴是同心的，并可旋转地安装在所述驱动轴53的外周，且两者之间留有间隙。所述管状凸轮54在其内周面上具有棘轮齿55，并且在其外周部分上沿着圆周具有四个凸轮部分56。再者，所述驱动轴53在其外周上设有啮合棘爪57，用于与所述棘轮齿55啮合，以用作棘轮机构。该棘轮机构使啮合棘爪57通过弹簧58与所述棘轮齿55相啮合，由此，当所述管状凸轮54以顺时针方向旋转时，所述啮合棘爪57与所述棘轮齿55相啮合。这使得所述管状凸轮54可以与所述驱动轴53成为整体，从而使在手柄51上所施加的力将螺栓（未显示）等拧紧。需要注意的是，该棘轮机构使得所述管状凸轮54在逆时针方向上自由旋转。
在所述手柄51中，设有压缩弹簧59，用于设定转矩值，并用于将配置在所述手柄51的前端的推力构件60朝向所述头部52的中心轴挤压。在所述推力构件60与所述管状凸轮54的外周面之间，配置滚柱61，该滚柱61可围绕其自身轴旋转。此外，滚柱61可在纵向方向上或者沿着轴L0自由移动，由此，经弹簧促动的推力构件60产生推力，以向着所述凸轮部分56推动所述滚柱61。
在如此构造的转矩扳手中，假设在顺时针方向上对所述手柄51施加操作力，以将螺栓拧紧。在这种情况下，若来自所述凸轮部分56的接触面对所述滚柱61所施加的反作用力小于所述滚柱61所受到的来自所述压缩弹簧59的推力，则所述管状凸轮54与所述手柄51整体旋转，从而转动所述驱动轴53。而后，随着拧紧转矩增加，反作用力增加。当所述滚柱61逆着所述压缩弹簧59的弹簧力，向着所述凸轮表面的凸轮顶部被往回推时，所述滚柱61达到转矩峰位P，以检测转矩（经检测，所述转矩已达到设定值）。
如图3(b)所示，所述凸轮部分56或者弯曲的凸轮表面是由作为滚柱静态啮合凸轮表面56a的陡坡、作为负转矩凸轮表面56b的缓坡和具有在它们之间形成的半径为R1曲面的凸轮顶部表面56c构成的，其中，所述陡坡具有半径为R0的曲面，其与所述滚柱61的曲面（半径为R0）相配合；所述缓坡具有半径为R2的曲面；所述凸轮表面56c从所述滚柱静态啮合表面56a起始或与之连续配置。此处，所述滚柱静态啮合凸轮表面56a与所述凸轮顶部表面56c之间的连接点就是转矩峰位P。
[专利文件1] 英国专利号No.2148767。
发明内容
在图3所示的传统转矩扳手处于非操作状态时，没有作用力施加在转矩扳手上，因此所述滚柱61处于停顿状态，同时与所述滚柱静态啮合凸轮表面56a的曲面相配合。而后，当所述滚柱61开始移动时，所述滚柱61立即越过所述转矩峰位P，以检测转矩。也就是说，当所述滚柱61相对于所述凸轮部分56的凸轮表面从静摩擦状态改变其状态为动摩擦状态时，进行转矩的检测。
在该方式中，所述弯曲的滚柱静态啮合凸轮表面56a与所述弯曲的凸轮顶部表面56c之间的连接点被设置于所述转矩峰位P。因此，当所述滚柱静态啮合凸轮表面56a与所述凸轮顶部表面56c的凸轮形状发生改变，或者所述滚柱因所述滚柱轴的磨损等而偏离其旋转中心时，不可能高准确性地检测出转矩。
此外，转矩峰是在所述滚柱61从静摩擦状态转变为动摩擦状态的瞬间进行检测的。由于从静摩擦状态到动摩擦状态的转变过程中，施加于所述滚柱61上的力发生变化，因此不可能高准确性地检测出转矩。
另一方面，从所述转矩检测位置P到所述凸轮顶部表面56c的凸轮顶部位置的上升坡段上，来自所述凸轮顶部表面56c沿着切线L1施加在所述滚柱61上的力小，而且与拧紧动作的方向相反。因此，一旦越过所述凸轮顶部，所述滚柱61与下降坡段的所述负转矩凸轮表面56b相接触。这使得所述滚柱61要在拧紧动作方向上承受来自所述负转矩凸轮表面56b的切线L1的力。
也就是说，在拧紧操作的过程中，操作者在拧紧动作方向上对所述手柄51施加强力。因此，一旦所述滚柱越过所述转矩峰位P，施加在所述手柄51上的反作用力立即突然减小。此外，由于所述压缩弹簧59的弹簧力，所述手柄51在拧紧动作方向上承受转动力。
因此，一旦到达所述转矩峰，所述手柄51在拧紧操作方向上立即受到转动力。这不仅会破坏扳手的可操作性，而且还会导致操作者受伤，这是由于随着所检测的转矩值增加，所述压缩弹簧59的弹簧力增加，导致施加在所述手柄51上的转动力也增加。
本发明的一个目的在于提供带有凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，其能够解决上述的传统问题，并且能够高准确性地检测转矩。
本发明的另一个目的在于提供带有凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，在转矩被检测后，其能够提供常规的手柄操作感，并且能安全地拧紧螺栓之类的紧固构件。
实现本发明的一个目的的构成是包括凸轮式转矩检测机构的转矩扳手。该转矩检测机构具有可旋转的驱动轴、管状凸轮和滚柱构件；其中，该可旋转的驱动轴用于将拧紧力传递至拧紧构件；该管状凸轮经由棘轮机构可旋转地配置在该驱动轴的周围并在其外周面上设有凸轮部分；该滚柱构件在弹性构件的促动下相对于所述凸轮部分可进退，所述滚柱构件承受拧紧力。该转矩扳手的特征在于：该凸轮部分具有静态啮合凸轮表面以及转矩峰逐渐增大的凸轮表面；其中，该静态啮合凸轮表面用于在非操作状态下以静止状态与所述滚柱构件相啮合；该转矩峰逐渐增大的凸轮表面与该静态啮合凸轮表面相连接，当所述滚柱构件移动时与之相接触，从而使转矩峰逐渐增大。
实现本发明另一个目的的构成是包括凸轮式转矩检测机构的转矩扳手。该转矩检测机构具有可旋转的驱动轴、管状凸轮和滚柱构件；其中，该可旋转的驱动轴用于将拧紧力传递至拧紧构件；该管状凸轮经由棘轮机构可旋转地配置在该驱动轴的周围并在其外周面上设有凸轮部分；该滚柱构件在弹性构件的促动下相对于所述凸轮部分可进退，所述滚柱构件承受拧紧力。该转矩扳手的特征在于：该凸轮部分具有凸轮顶部表面、转矩逐渐减小的凸轮表面以及负转矩凸轮表面；其中，该凸轮顶部表面用作凸轮顶部部分以用于在通过所述转矩峰位后引导所述滚柱构件；该转矩逐渐减小的凸轮表面与该凸轮顶部表面相连接，用于使对于该滚柱构件的正转矩逐渐减小到零；该负转矩凸轮表面用于在越过该转矩逐渐减小的凸轮表面后，给予该滚柱构件负转矩。
根据本发明的权利要求1，可以高准确性地检测出转矩，因为转矩峰可以在动摩擦状态下进行检测。即使所述凸轮的形状发生改变，或者所述滚柱构件偏离中心，例如由于所述滚柱构件的滚轴的磨损，也可以高准确性地检测出转矩。这是因为可以在所述滚柱构件相对该转矩峰逐渐增大的凸轮表面的转动角度的范围内，获得最大的转矩峰值。
根据本发明的权利要求2，在最大转矩峰之后，所述滚柱构件越过该转矩逐渐减小的凸轮表面。这使得对操作者产生轻微的负荷，并由此产生信号来警告操作者拧紧动作已经完成，因此，操作者随后会停止施加拧紧力。由于力不是在所述负转矩凸轮表面上突然释放的，因此可以在使用过程中提供改善的操作感觉，以及提供安全的转矩扳手。
根据本发明的权利要求3，可以提供具有权利要求1和权利要求2的效果的转矩扳手。
根据本发明的权利要求4，该转矩峰逐渐增大的凸轮表面是由直线轨迹构成的，使得转矩峰值容易设定，并且易于形成。
根据本发明的权利要求5，该转矩逐渐减小的凸轮表面是由直线轨迹构成的，使得由逐渐减小的转矩形成的负荷容易设定，并使得转矩逐渐减小的速率容易设定。
附图说明
图1显示了根据本发明的实施方式的转矩扳手的凸轮部分的详细视图，以及转矩-角度曲线图。
图2显示了图1的转矩扳手的全部构造，示出（a）其外表的俯视平面图，（b）其外表的主视图，（c）（a）的水平截面图，以及（d）（b）的垂直截面图。
图3显示了传统的凸轮式转矩扳手，示出（a）其主要部分的水平截面图以及（b）（a）的凸轮表面的放大视图。
具体实施方式
现根据附图所示的实施方式对本发明进行说明。
图1(a)是根据本发明的实施方式的转矩扳手的凸轮部分的详细视图，(b)显示了(a)所示凸轮部分的转矩-角度曲线图，(c)显示了(a)中的凸轮部分的转矩逐渐减小的凸轮表面的放大视图。图2显示了图1的转矩扳手的全部构造，示出（a）其外表的俯视平面图，（b）其外表的主视图，（c）（a）的水平截面图，和（d）（b）的垂直截面图。
在图2中，本实施方式提供了转矩扳手10，其具有管状头部12紧固于管状手柄11的前部的外部结构。所述头部12固定于所述手柄11，使得管状螺纹部分13从所述头部12向后延伸，以旋拧至在所述手柄11前部的内周上所形成的螺纹部分。
所述手柄11内设有压缩弹簧14。所述手柄11在其后端部分设有转矩调节机构，该转矩调节机构具有螺栓构件15和螺母构件16，其中，通过旋转所述螺栓构件15可在轴向方向上移动所述螺母构件16。所述螺母构件16的前端与所述压缩弹簧14的后端相接触。所述压缩弹簧14的前端安装有推力构件17，所述推力构件17的前端插入至所述螺纹部分13中。所述推力构件17的前部设有支承构件20，使得滚轴19可旋转地支承安装于所述头部12的滚柱构件18。所述支承构件20和所述推力构件17可以在所述手柄11的纵向方向（轴向方向）上整体移动。
所述头部12中，设有可旋转的驱动轴21，所述驱动轴21具有与所述手柄11的轴向方向相垂直的转动中心轴，围绕所述驱动轴21的外周可旋转地配置管状凸轮22，两者之间留有间隙。要注意的是，环状滚柱轴承23分别安装在所述管状凸轮22的上部和下部，从而将所述管状凸轮22通过上方和下方的滚柱轴承23可旋转地安装在所述头部12内。
所述管状凸轮22在其内周面上在圆周方向上设有多个棘轮齿24，其与棘轮爪26共同构成棘轮机构，所述棘轮爪26配置在所述驱动轴21的外周部分上并由弹簧25向着棘轮齿24促动。该棘轮机构经构造使得所述驱动轴21与所述管状凸轮22在顺时针方向上整体旋转。
在所述管状凸轮22的外周部分上，沿着圆周以相同的间隔，形成多个（在本实施方式中，为6个）凸轮部分27，使得所述滚柱构件18在所述压缩弹簧14的促动下，向着所述凸轮部分27被推压。
操作者将与所述驱动轴21相啮合的插槽（未示出）配合在螺栓或螺母之类的拧紧构件（未示出）之上，然后握住所述手柄11的把手28，并以顺时针方向进行旋转。这使得所述滚柱构件18紧靠凸轮部分27，以在顺时针方向上旋转所述管状凸轮22，并且使所述驱动轴21与所述管状凸轮22整体旋转，从而将紧固构件拧紧。随着拧紧转矩开始增大，所述凸轮部分27与所述滚柱构件18之间的凸轮作用使得所述滚柱构件18在所述手柄11的轴向方向上，逆着所述压缩弹簧14的弹簧力向后移动。操作者随后感觉到施加在所述手柄11上的转动力减小，由此检测已经达到所设定的转矩值的转矩。
现参考图1，对所述凸轮部分27进行详细地说明。
如图1(a)所示，所述滚柱构件18围绕所述凸轮部分27以顺时针方向旋转，从而固定螺栓等。所述凸轮部分27通常形成凸起的凸轮表面。
在所述凸轮部分27的左侧凸轮表面，形成有静态啮合凸轮表面27a，其曲率为R0，或者其半径与所述滚柱构件18的半径R0相同，使得所述滚柱构件18与所述静态啮合凸轮表面27a相啮合。在螺栓之类的拧紧构件未被紧固的非操作状态下，所述滚柱构件18由所述压缩弹簧14的弹簧力被推向所述静态啮合凸轮表面27a，并与之保持啮合。所述静态啮合凸轮表面27a形成凹面形状，并且与直线区段δ1或者转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b相连接。与所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b相连接，形成曲率R1的凸起的曲面或者凸轮顶部表面27c，作为所述凸轮部分27的半径为（Φ1）的凸轮表面。在这种情况下，最大转矩峰位于所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b与所述凸轮顶部表面27c之间的连接点P1。所述滚柱构件18沿着所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b旋转的转动角度也被作为转矩检测角度（θ1）。
因此，在所述滚柱构件18与所述静态啮合凸轮表面27a相啮合的状态下，拧紧力在拧紧方向上被施加在所述手柄11上并增大。这使得所述滚柱构件18开始从所述静态啮合凸轮表面27a移动，随后绕着其自身轴旋转，并向着最大转矩峰位点越过所述直线状的转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b。也就是说，所述滚柱构件18从静摩擦状态转变为动摩擦状态，检测的转矩逐渐增大。转矩峰是在动摩擦状态下进行检测的，由此可以高准确性地检测到最大转矩峰。
另一方面，所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b的凸轮高度可被作为可容许的偏心误差。也就是说，只有当所述滚柱构件18移过所述转矩检测角度θ1时，才能获得最大转矩峰的高度。因此即使所述滚柱构件18由于所述滚柱构件18的所述滚轴19的磨损等而发生偏心，也能够检测到接近于准确的最大转矩峰的转矩。
随后，因为最大转矩峰位点是所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b与曲率为R1的凸轮顶部表面27c之间的连接点P1，在检测到最大转矩峰之后，所述滚柱构件越过曲率为R1的凸起的凸轮表面。在所述凸轮顶部表面27c与负转矩凸轮表面27e或者曲率为R2的曲面之间，以转动角θ2的间隔设有转矩逐渐减小的凸轮表面27d，其中，该负转矩凸轮表面27e或者曲率为R2的曲面用于给予所述滚柱构件18负转矩。如图1(c)所示，该转矩逐渐减小的凸轮表面27d形成长度为δ1的直线，给予所述滚柱构件18正转矩，直至其到达与所述负转矩凸轮表面27e的连接点P2。然而，该转矩逐渐减小的凸轮表面27d位于所述凸轮部分27（半径为Φ1）的外径的内侧，并且形成从所述外径逐渐向内延伸的轨迹。因此，由所述滚柱构件18对所述转矩逐渐减小的凸轮表面27d施加的转矩逐渐减小。
图1(b)显示了采用根据本实施方式的转矩扳手10由对于螺栓之类的拧紧构件的拧紧动作开始所得到的转矩与转矩扳手转动角（θ）之间的关系。转动所述手柄11，使所述滚柱构件18从所述静态啮合凸轮表面27a开始移动。随着所述滚柱构件18在转动角度θ1的范围内绕着其自身轴以顺时针方向沿着所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面27b的直线距离δ1的凸轮轨迹开始旋转，转矩峰逐渐增大。而后，在位点P1，检测到最大转矩或者设定的转矩值。当所述滚柱构件18通过位点P1并移过所述凸轮顶部表面27c或者曲率为R1的曲面，作用在所述滚柱构件18上的反作用力突然减小。当所述滚柱构件18移至所述转矩逐渐减小的凸轮表面27d上的直线轨迹位点P2，施加于所述手柄11的转矩逐渐减小。
即，在以往，已经越过所述凸轮顶部表面27c的所述滚柱构件18沿所述负转矩凸轮表面27e的轨迹移动，并在拧紧方向上承受由所述压缩弹簧14的弹簧力所产生的力，引起在拧紧方向上立即作用于所述手柄11上的负转矩。然而，根据本发明，这是可以避免的。当所述滚柱构件越过所述转矩逐渐减小的凸轮表面27d，操作者会感觉到轻微的负荷。这可以作为一种对于操作者的信号，以停止施加拧紧力，使得可以避免突然施加的负转矩的危险。
如上所述，从所述静态啮合凸轮表面27a到位点P2的角度范围θ3是正转矩区间。随着所述正转矩区间到达终点，操作者可以感觉到拧紧转矩逐渐减小的操作感。如图1(c)所示，这种操作感可以以某种方式改变，使得通过使所述转矩逐渐减小的凸轮表面27d或者直线轨迹向着或背离所述凸轮部分27的外径侧（27e’），改变逐渐减小的转矩角度。
符号说明
10 转矩扳手
11 手柄
12 头部
13 螺纹部分
14 压缩弹簧
15 螺栓构件
16 螺母构件
17 推力构件
18 滚柱构件
19 滚轴
20 支承构件
21 驱动轴
22 管状凸轮
23 滚柱轴承
24 棘轮齿
25 弹簧
26 棘轮爪
27 凸轮部分
27a 静态啮合凸轮表面
27b 转矩峰逐渐增大的凸轮表面
27c 凸轮顶部表面
27d 转矩逐渐减小的凸轮表面
27e 负转矩凸轮表面
28 把手。

Claims (7)

1.包括凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，所述转矩检测机构具有：可旋转的驱动轴、管状凸轮和滚柱构件；所述可旋转的驱动轴用于将拧紧力传递至拧紧构件；所述管状凸轮经由棘轮机构可旋转地配置在所述驱动轴的周围并在其外周面上设有凸轮部分；所述滚柱构件在弹性构件的促动下相对于所述凸轮部分可进退，所述滚柱构件承受所述拧紧力；
所述转矩扳手的特征在于：所述凸轮部分具有静态啮合凸轮表面以及转矩峰逐渐增大的凸轮表面；所述静态啮合凸轮表面用于在非操作状态下以静止状态与所述滚柱构件相啮合；所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面与所述静态啮合凸轮表面相连接，并且当所述滚柱构件移动时与之相接触，从而使转矩峰逐渐增大。
2.包括凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，所述转矩检测机构具有：可旋转的驱动轴、管状凸轮和滚柱构件；所述可旋转的驱动轴用于将拧紧力传递至拧紧构件；所述管状凸轮经由棘轮机构可旋转地配置在所述驱动轴的周围并在其外周面上设有凸轮部分；所述滚柱构件在弹性构件的促动下相对于所述凸轮部分可进退，所述滚柱构件承受所述拧紧力；
所述转矩扳手的特征在于，所述凸轮部分具有凸轮顶部表面、转矩逐渐减小的凸轮表面以及负转矩凸轮表面；所述凸轮顶部表面用作凸轮顶部部分以在通过转矩峰位后引导所述滚柱构件；所述转矩逐渐减小的凸轮表面与所述凸轮顶部表面相连接，用于使对于所述滚柱构件的正转矩逐渐减小到零；所述负转矩凸轮表面用于在越过所述转矩逐渐减小的凸轮表面后，给予所述滚柱构件负转矩。
3.包括凸轮式转矩检测机构的转矩扳手，所述转矩检测机构具有：可旋转的驱动轴、管状凸轮和滚柱构件；所述可旋转的驱动轴用于将拧紧力传递至拧紧构件；所述管状凸轮经由棘轮机构可旋转地配置在所述驱动轴的周围并在其外周面上设有凸轮部分；所述滚柱构件在弹性构件的促动下相对于所述凸轮部分可进退，所述滚柱构件承受所述拧紧力；
所述转矩扳手的特征在于，所述凸轮部分具有静态啮合凸轮表面、转矩峰逐渐增大的凸轮表面、凸轮顶部表面、转矩逐渐减小的凸轮表面以及负转矩凸轮表面；所述静态啮合凸轮表面用于在非操作状态下以静止状态与所述滚柱构件相啮合；所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面与所述静态啮合凸轮表面相连接，当所述滚柱构件移动时与之相接触，从而使转矩峰逐渐增大；所述凸轮顶部表面用作与所述转矩峰值逐渐增大的凸轮表面相连接的凸轮顶部部分；所述转矩逐渐减小的凸轮表面用于使所述滚柱构件的正转矩逐渐减小到零；所述负转矩凸轮表面用于在越过所述转矩逐渐减小的凸轮表面后，给予所述滚柱构件负转矩。
4.根据权利要求1或3所述的转矩扳手，其中，所述转矩峰逐渐增大的凸轮表面由直线轨迹构成。
5.根据权利要求2或3所述的转矩扳手，其中，所述转矩逐渐减小的凸轮表面由直线轨迹构成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转矩扳手，其中，所述管状凸轮在其外周面上设有若干个凸轮部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转矩扳手，其包括管状手柄以及固定在所述手柄前端的头部，其中，所述驱动轴和所述管状凸轮配置在所述头部内，并且配置于所述手柄内的所述弹性构件使得配置于所述头部的所述滚柱构件紧靠着所述凸轮部分。
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