CN103619542A - 电脉冲螺丝刀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动螺丝刀,其包括:驱动构件(1),所述驱动构件的最大恒速扭矩为Cmax,所述驱动构件具有转子(10);末端部件(2),所述末端部件可以通过传动装置进行旋转,所述传动装置包括耦合到所述驱动构件(1)上的减速器(3),所述减速器具有比率R和输出μ;至少一个扭矩传感器(6),所述扭矩传感器用于检测扭矩设定值Cc的范围;以及用于在冲击模式下控制所述驱动构件(1)的构件(4),所述控制构件趋向于以一系列脉冲向所述驱动构件(1)供应电力。所述传动装置能够实现动能Ec的积累以及在两个脉冲之间所述动能Ec到所述末端部件(2)的返还,其中所述驱动构件(1)和所述减速器(4)经配置,从而使得R*μ*Cmax<Cc,通过将所述动能Ec转移到待拧紧的螺钉中而达到所述扭矩设定值Cc,并且所述比率R小于或等于10/(μCmax)。
Description
1.技术领域
本发明所属的领域为便携式电动工具的设计和制造。更具体地说,本发明涉及一种电脉冲螺丝刀。
螺丝刀用于紧固组件,即,(例如)借助于螺钉将若干部件连接在一起。
2.背景技术
脉冲螺丝刀大体上包含界定了手柄的主体。此主体具有:
-具有转子的马达构件;
-末端部件,所述末端部件可以通过传动装置以旋转方式进行驱动,所述传动装置包括与马达构件耦合的行星型减速齿轮;
-扭矩传感器,所述扭矩传感器用于检测是否获得设定扭矩值Cc,所述传动装置包含借助于此扭矩传感器以旋转方式连接到螺丝刀的外壳上的环;
-用于在脉冲模式下驱动马达构件的构件,以利用一系列脉冲给马达构件供电。
在本发明的领域中,最近已经出现通过脉冲来工作的电动螺丝刀(即,通过周期性重复地在较短时间段内应用扭矩),该电动螺丝刀与气动冲击扳手或传统的液压气动扳手形成竞争。实际上,电脉冲螺丝刀保留了液压气动或气动脉冲扳手在高水平扭矩方面的优点,而同时实现了对紧固扭矩水平的更好控制。
目前,在工业水平,人们往往寻求能够通过以高水平的精确度拧紧来执行紧固操作。
对于工具性能,电脉冲螺丝刀的设计者必须处理涉及工具和/或其目标的若干参数。这些参数是:
-在螺丝刀的马达的恒定速度下的最大扭矩;
-传动装置的减速比以及其效率;
-工具必须满足的紧固要求。
因为施加在待紧固的螺钉上的紧固扭矩Cs由等式Cs=R*μ*Cmax(R为减速比且Cmax为以N.m.为单位的在恒定速度下工具的马达的最大扭矩,以及μ为小于1的减速效率)来控制,所以设计者的经典以及恒定的方法是调整马达和减速器的大小,其方式为使得输出扭矩能够获得扭矩的设定值,即待实现的紧固目标。
此外,操作员必须考虑到以下要素:
-工具的生产力以及尤其是它以高速执行紧固操作的能力;
-由于在螺丝刀的每个脉冲处的冲击和震动的传送而强加给工具的使用者的应力。
为了减少紧固操作的执行持续时间,紧固操作大体上包含两个连续阶段:
-在连续模式下的预拧紧阶段,即,以恒定的高旋转速度并具有小于设定扭矩值Cc的紧固扭矩值,在所述设定扭矩值Cc处,需要紧固螺钉,以及
-通过脉冲拧紧直到达到设定扭矩值Cc的阶段。
大部分脉冲螺丝刀是手枪式手柄的工具。在连续的紧固速度的情况下,它们可以用来以明显超过操作人员所能承受水平的扭矩水平来紧固螺钉。
然而,这些紧固水平是可能的,因为扭矩脉冲是短暂的并且因为工具主体的惯性吸收了一部分紧固扭矩。
3.先前技术的缺点
目前,电脉冲螺丝刀生成的扭矩脉冲的持续时间约为10ms。在给定工具主体的惯性量的情况下,此持续时间太过冗长,因此并不能充分减弱操作人员手中的紧固反作用力以达到令人满意的舒适度。操作人员手中的反作用力因此一般太大,所述反作用力通过操作人员的手沿着拧紧轴线被螺丝刀以旋转方式驱动来显示。这会对操作人员产生烦人的后果,例如,出现骨骼肌肉疾病。换句话说,当前使用的电脉冲螺丝刀不具有适当水平的使用舒适度,或至少比得上由液压气动扳手提供的舒适度水平。
此外,对于约为30N.m的输出扭矩,电脉冲螺丝刀的额定速度约为1000rpm,而气动冲击或液压气动冲击扳手的额定速度约为5000rpm。因此,利用电脉冲螺丝刀的拧紧操作所花费的时间明显较大。此类型的螺丝刀的生产力因此不如气动或液压气动脉冲扳手的生产力好。
此外,对于被称为“硬接合”的接合操作,其中在部件的紧固开始的时刻与获得所达到的最终紧固的时刻之间,螺钉的旋转角较小,即,小于30°,可能发生的是,在预拧紧操作结束时,超过待获取的设定扭矩值。这是因为由转子积累的动能返还至螺钉,此转子由出于此目标而提供的电动工具驱动构件不完全制动。随后,马达的旋转速度需要减小以在预拧紧操作结束时不超过设定扭矩值。这导致了在预拧紧操作期间甚至进一步减小旋转速度并且因此减小生产力。
根据另一方面,当前的电脉冲螺丝刀是直接从在连续模式下工作的电动螺丝刀获得的。因此它们的减速比使得它们能够在连续模式下传递扭矩,所述扭矩等于通过在连续模式下工作的螺丝刀传递的扭矩。然而,操作人员不能连续经受大于约10N.m的反作用扭矩,除非操作人员具有反作用杆,与螺丝刀常规地在连续模式下工作一样,所述反作用杆经设计以阻挡工具外壳的旋转。因此,如果电脉冲螺丝刀错误地未在脉冲模式下使用而是在连续模式下使用,那么由操作人员的手所接收到的工具的反作用力明显大于他能够承受的反作用力。这使得对操作人员产生伤害的风险升高。
4.发明目的
本发明尤其旨在克服先前技术的这些缺点。
更具体地说,在至少一个实施例中,本发明的目的为提供一种电脉冲螺丝刀,所述电脉冲螺丝刀的使用不会对操作人员造成任何健康问题。
确切地说,本发明旨在获得这种螺丝刀,在至少一个实施例中,所述螺丝刀防止了操作人员出现骨骼肌肉疾病。
在至少一个实施例中,本发明的另一个目的是提供这种螺丝刀,所述螺丝刀使得能够实现高水平的生产力。
确切地说,本发明寻求获得这种电脉冲螺丝刀,在至少一个实施例中,所述电脉冲螺丝刀可以获得比得上液压气动工具的预拧紧速度(即,约为每分钟几千转数)。
本发明的又另一个目的是提供这种脉冲螺丝刀,在至少一个实施例中,所述脉冲螺丝刀改进了其使用的安全性。
本发明的又另一个目的是提供这种脉冲螺丝刀,在至少一个实施例中,所述脉冲螺丝刀限制了因为拧紧操作而由使用者经受的反作用扭矩,尤其是如果在某些点,螺丝刀错误地未在脉冲模式下使用而是在连续模式下使用。
5.发明内容
这些目的以及下文将出现的其他目的借助于本发明而实现,本发明的目的为一种电动螺丝刀,其包含:
-外壳;
-马达构件,在恒定速度下所述马达构件的最大扭矩为Cmax,并且具有转子;
-末端部件,所述末端部件能够通过传动装置以旋转方式进行驱动,所述传动装置包括耦合到马达构件上并且具有比率R和效率μ的减速齿轮;
-至少一个扭矩传感器,用于检测是否获得设定值的扭矩Cc;
-用于在脉冲模式下驱动马达构件的构件,意欲利用一系列脉冲为马达构件供电;
所述传动装置能够实现在转子中动能Ec的积累以及在两个脉冲之间所述动能Ec到末端部件的返还,并且马达构件和减速齿轮经配置,其方式为使得:
R*μ*Cmax<Cc,通过将动能Ec转移至待紧固的螺钉而获得设定扭矩值Cc。
根据本发明,所述比率R小于或等于10/(μCmax)。
在国际体系中,Cmax以及Cc典型地用N.m.地表示。μ小于1。
本发明的实施方式尤其使以下情况成为可能:
-通过大幅度减弱对脉冲的感知来保护操作人员的健康状态,此感知被减弱至不会引起操作人员任何不适的阈值;
-确保预拧紧速度比得上液压气动工具并且因此使本发明的工具具有高生产力;
-由于在螺丝刀错误地在连续模式下使用而未在脉冲模式下使用的情况下,减少了操作人员所经受的对拧紧操作的反作用力,因此提高了使用的安全性。
申请人已经指出,在当前的电脉冲螺丝刀中,机械扭矩脉冲可以在定子的电力供应脉冲之后出现并且错开时间,尤其是在这些电脉冲足够短暂的情况下。这可以解释为如下。
常规地,螺丝刀的传动装置包含小齿轮的有效操作所需的功能(角形)间隙。当马达的定子利用电流脉冲来供电时,它在此角形间隙的范围内加速转子并且随后,一旦间隙被吸收,则转子以冲击形式将其动能传输至螺钉,从而产生扭矩脉冲。在每个扭矩脉冲(也称为机械脉冲)期间,转子的动能随后通过传输单元从螺丝刀传输至末端部件。
在扭矩脉冲期间马达未利用电流供电。因此在这些扭矩脉冲期间马达未产生任何电磁扭矩。因此,对于获得设定扭矩值,其动能到工具的末端部件的返还而非由马达产生的电磁扭矩是决定性的。因此减速比的值并不在此动能的返还中起作用。
对可以施加到工具主体上的力和动力现象的评估引起以下考虑。
为了便于介绍,已经做出以下假设:
●操作人员在工具的手柄上施加了可忽略的夹持力,这符合本发明各目标中的一个目标,所述目标为减小操作人员手中的工具的反作用力。
●传动装置为行星减速齿轮,并且施加到此减速齿轮的行星架和工具的末端部件上的动力现象相对于施加到定子的转子上的那些动力现象是被忽略的。
●在螺钉上的扭矩脉冲期间未给马达供电,并且施加到马达的定子上的电磁扭矩因此为零,所述马达在转子上固定地接合到工具的主体上。
扭矩传感器安装在螺丝刀的主体与行星减速齿轮的环形齿轮之间,以防止扭矩传感器在工具的主体中旋转。
对于行星减速齿轮,施加在螺钉上的扭矩与由扭矩传感器测量出的扭矩之间的关系可以由以下关系表示:
其中:
●R为行星减速齿轮的减速比;
●μ为行星减速齿轮的效率;
●为在拧紧扭矩脉冲期间螺钉的抗扭矩;
在分离由工具的主体形成的组件的过程中,马达的定子以及手柄对其应用动力学基本原理,可以假设以下关系:
其中:
●为通过转子施加在定子上的抗电磁扭矩,所述抗电磁扭矩为零,因为在拧紧扭矩脉冲期间未给马达供电;
●Jbody为沿着拧紧轴线的工具主体的转子惯性;
●为在拧紧扭矩脉冲期间沿着拧紧轴线由工具的主体所经受的旋转加速度。
从其中推论出以下关系:
工具的主体所经受的加速度导致工具的主体在操作人员的手中围绕拧紧轴线旋转。工具主体的旋转角度越小,则操作人员对扭矩脉冲的感知越弱。作为此加速度的结果,为了减小工具主体的旋转角度,可以:
-减少工具的主体经受此加速度的持续时间;
-通过增加Jbody,或
-通过减小传动装置的比率R。
关于加速度的持续时间的减少,发明人已经指出,当使用具有较低减速比的减速齿轮时,转子所经受的减速扭矩大于当使用具有较高减速比的减速齿轮时所经受的减速扭矩。
实际上,拧紧抗扭矩与在扭矩脉冲期间由马达的转子产生的扭矩之间的关系如下:
其中:
●R为行星减速器的减速比;
●μ为行星减速器的效率;
在将动力学的基本原理应用到转子上的过程中,转子经受到减速齿轮的抗扭矩。此结果因此为:
其中
可以从此推论出:
因此,对于给定的拧紧扭矩,减速比越低,则转子的减速度越大并且因此转子将其动能传输至组件的持续时间将越短。
由于随着减速比低,因此拧紧扭矩脉冲的持续时间都变得更短。
为了减少拧紧脉冲的持续时间,尤其是从约10ms减少至约2ms,随后发明人在确定比值R小于或等于10/(μCmax)的事实时用约5除以减速比。
这在图3中得到了说明,图3展示了说明扭矩脉冲的持续时间的曲线,所述扭矩脉冲分别具有比率等于20.97的二级减速以及比率等于3.81的一级减速。因为机械脉冲的持续时间减少,所以工具的主体所经受的旋转加速度的持续时间也减少。因此在机械脉冲期间操作人员手中的螺丝刀的角位移非常小,并且这样限制了操作人员对脉冲的感知。
因此减速比的减小有助于:
所有这些都在减小每个脉冲处操作人员手中的螺丝刀的主体的旋转角度方面起到了作用。
因此,根据本发明的技术的实施方式使操作人员对脉冲的感知无效或至少将它们限制到不会引起不适的水平。用这种方法,螺丝刀在操作人员手中产生反作用力,该反作用力保持在容许限度的平均阈值以下,如果超出所述平均阈值,操作人员可能会感觉不适或甚至产生烦人的感觉。因此防止了操作人员出现骨骼肌肉疾病,并且增加了脉冲螺丝刀的使用舒适度。
此外,减小的减速比可以维持螺钉的高旋转速度,所述螺钉将在马达的适中旋转速度下进行紧固。实际上,低比率可以在马达的较小输出速度下传递等效输出扭矩。例如,如果我们考虑小于或等于10/(μCmax)的比率,如果马达扭矩等于2.5N.m,以及如果减速器的效率接近1,那么比率将大约等于4,并且如果马达的输出速度等于20,000rpm,那么工具的输出速度将约为5,000rpm。因此根据本发明的技术确保了高生产力。
此外,马达的此减速可以使得其在预拧紧阶段期间引起所存储的动能的减少。此结果在于,在不需要通过任何方式的情况下,当螺钉与待紧固的部件进行接触时大大减少了超过扭矩的风险,尤其是对于硬接合,从而降低工具的生产力。
因此,对于给定的输出速度,比率R的减小也可以将马达的旋转速度减少至某个值,所述值限制了超过设定扭矩值或保持技术上合理的马达速度(即,约为20,000rpm)的风险,同时在所有情况下维持高生产力。
可以注意到,本发明为问题解决方法的一部分,所述方法与所属领域(便携式电脉冲螺丝刀的设计领域)的技术人员事先形成的观点背道而驰,并不对由这些工具的设计者使用的常规杠杆起作用。
实际上,当减少在接触点处的扭矩峰值时,开始起作用的习惯性反应为在接触前减小马达的速度。然而,设计者的这种类型的习惯性反应将降低工具的生产力,而这在许多使用此类工具的工业领域(例如在装配线上)是不能接受的。
然而,根据本发明,并且考虑到比经典设计的工具速度高的该工具的额定速度,马达速度的降低可以保持高水平的生产力。
必须注意,设计者被劝阻减小减速比,因为这将使设计者进入死胡同,其中对于马达的最大给定扭矩,输出扭矩的水平(等于减速比乘以在马达的恒定速度下的最大扭矩)无法再获得设定扭矩值(因为当然可以想到,马达的最大扭矩可以通过选择更加强力的马达来提高,然而此操作的进行将不利于工具的价格和/或其空间要求和/或其重量)。
此外,利用根据本发明的工具,由于较低比率,在连续模式下的紧固能力具有上限,所述上限位于低于极限的扭矩值处,当超出所述极限时,操作人员将不再能承受此扭矩,在此情况下极限为10N.m。因此,如果即使存在工具的错误规划,也会有操作人员经受他无法承受的连续扭矩。例如,如果马达扭矩等于2.5N.m并且如果比率等于4,那么在连续模式下的输出扭矩将不超过10N.m,这符合操作人员接受扭矩的能力。
此外,在具有给定幅度的扭矩的机械脉冲期间,通过转子传输至螺钉的动能会促使减速器的变形,直到扭矩达到使螺钉开始转动并且得到紧固所需的水平。通过传动装置的一段时间的变形、螺钉的一段时间的旋转,以及传动装置的一段时间的松弛,连续形成了一个脉冲。传动装置越硬,则变形以及松弛时间段的持续时间越短,因此扭矩脉冲的持续时间越短。
为了增加传动装置的硬度,发明人已考虑减少级的数目。实际上,级的数目越少,则形成传动装置的部件的数目越少,并且传动装置的扭转变形越小,并且变形发生的时间段越短。这在图4中得到了说明,图4表示了通过行星减速齿轮的输入太阳齿轮或马达轴所施加的扭矩与太阳齿轮或马达轴的旋转角度之间的关系,工具的输出轴相对于工具的主体被固定化旋转。
根据本发明的另一方面,传动装置因此为行星型的并且仅包含一个级而非通常的两个级,并且这在减少拧紧脉冲的持续时间方面起到了作用,从而减少了工具的主体经受加速度的持续时间。
这也涉及减少在每个脉冲处操作人员手中的螺丝刀主体的旋转角度,因此提高了使用的安全性和舒适性。
传动装置优选地具有大于或等于0.5N.m/°的硬度,此硬度通过传动装置的输入太阳齿轮来测量,输出轴相对于工具的主体被固定化旋转。
根据一种有利的解决方案,马达构件和减速器经配置,其方式为使得R*μ*Cmax≤Cc/1.5。
通过此方法可以提出一种工具,对于所述工具,设定扭矩值可以具有相对较高的水平,同时限制在操作人员手上产生不希望的效果。
在任一种情况下,螺丝刀都可以以设定扭矩值Cc进行参数化,所述设定扭矩值Cc>20N.m。
所述传动装置优选地合并角形间隙,从而使得在此脉冲期间马达构件的转子能够自由加速以积累动能Ec。
在一个特定实施例中,所述行星减速齿轮包含环形齿轮,所述环形齿轮借助于扭矩传感器以旋转方式连接到螺丝刀的外壳上。
6.附图说明
通过下文对优选实施例的描述,并借助于说明性而非详尽的实例以及附图,本发明的其他特征以及优点将更加清楚,在附图中:
-图1为根据本发明的螺丝刀的示意图;
-图2为在拧紧循环期间根据本发明的螺丝刀的扭矩、电流,以及速度的曲线图;
-图3展示了说明扭矩脉冲的持续时间的曲线,所述扭矩脉冲分别具有比率等于20.97的二级减速以及比率等于3.81的一级减速;
-图4展示了表示施加到行星减速齿轮的输入太阳齿轮或马达轴上的扭矩与太阳齿轮或马达轴的旋转角度之间的关系的曲线,工具的输出轴相对于工具的主体被固定化旋转,分别具有比率等于20.97的二级减速以及比率等于3.81的一级减速。
7.具体实施方式
参考图1,根据本发明的电动螺丝刀包含:
-具有转子10的马达构件1;
-末端部件2,所述末端部件作用在螺钉上以对此螺钉的拧紧进行驱动;
-传动装置,所述传动装置连接马达构件的转子和末端部件2,此传动装置包括减速齿轮3;
-驱动构件4,所述驱动构件提供用以在脉冲模式下为马达构件1供电;换句话说,这些驱动构件4经设计以利用一系列脉冲为马达构件1供电,每一个脉冲都促使转子10进行旋转运动。
这些组成部件安装在工具的外壳5中,此外壳与手柄50相关联,在本实施例中,外壳与手柄经配置以给予螺钉手枪式手柄螺丝刀的形状。
螺丝刀的减速齿轮包含仅具有一个级的行星链,这样可以:
-减小减速器的齿轮比,从而导致持续时间的减少以及发射到工具主体的脉冲强度的减小,因此导致对工具的功能分化的改进;
-增加减速齿轮的刚度,从而导致脉冲的持续时间的减少,并且因此导致对工具的功能分化的改进;
-改进可靠性;
-降低成本价格。
此外,螺丝刀并入了某种类型的扭矩传感器6,所述扭矩传感器包含连接至工具外壳的变形元件。此扭矩传感器6的目标是检测是否达到设定值扭矩Cc。更具体地说,减速齿轮3为仅具有一个级的行星减速齿轮,所述行星减速齿轮的环借助于扭矩传感器6以旋转方式连接到螺丝刀的外壳5上。
螺丝刀的参数如下:
-在马达构件的恒定速度下的最大扭矩:Cmax;
-传动装置的减速比:R;
-传动装置的效率:μ;
-设定扭矩值:Cc。
根据本发明的原理,传动装置能够实现在转子中动能Ec的积累以及在由驱动构件触发的两个脉冲之间此动能Ec至末端部件2的返还。
此外,马达构件和减速齿轮经配置,其方式为使得R*μ*Cmax<Cc,通过将动能Ec转移到待紧固的螺钉中而达到设定值的扭矩Cc。马达构件和减速齿轮经配置,其方式为使得R*μ*Cmax≤10N.m。换句话说,它小于或等于10/(μCmax)。
根据一个特定实施例,传动装置合并角形间隙,从而使得在一个脉冲期间马达构件的转子10能够自由加速以积累动能Ec。
参考图2,下文给出了关于根据本发明的螺丝刀的某些操作参数的演变的描述,该描述以曲线形式说明。
图2所示为三条曲线:
-曲线A,曲线A说明了由驱动构件4供应给马达构件1的以安培为单位的电流的演变;
-曲线B,曲线B说明了螺丝刀的转子10的以rpm表示的速度的演变;
-曲线C,曲线C说明了通过螺丝刀的末端部件2传输至螺钉(螺丝刀作用于所述螺钉上)的扭矩的发展。
根据一个特定实施例,此外螺丝刀还具有以下特征中的任一者:
-马达构件和减速齿轮经配置,其方式为使得R*μ*Cmax≤Cc/1.5;
-Cc>20N.m。
Claims (7)
1.一种电动螺丝刀,其包含:
外壳(5);
马达构件(1),在恒定速度下所述马达构件的最大扭矩为Cmax,并且具有转子;
末端部件(2),所述末端部件能够通过传动装置(3)以旋转方式进行驱动,所述传动装置(3)包括耦合到所述马达构件(1)上并且具有比率R和效率μ的减速齿轮(3);
至少一个扭矩传感器(6),所述扭矩传感器用于检测是否获得设定值的扭矩Cc;
用于在脉冲模式下驱动(4)所述马达构件(1)的构件,所述构件意欲利用一系列脉冲为所述马达构件(1)供电;
所述传动装置能够实现在所述转子中的动能Ec的积累以及在两个脉冲之间所述动能Ec到所述末端部件(2)的返还,并且所述马达构件(1)和所述减速齿轮(4)经配置,其方式为使得:
R*μ*Cmax<Cc,通过将动能Ec转移至待紧固的螺钉而获得所述设定扭矩值Cc,
其特征在于所述比率R小于或等于10/(μCmax)。
2.根据权利要求1所述的螺丝刀,其特征在于所述减速齿轮为仅具有一个级的行星型减速齿轮。
3.根据权利要求1或2所述的螺丝刀,其特征在于所述马达构件(1)和所述减速齿轮(4)经配置,其方式为使得R*μ*Cmax≤Cc/1.5。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的螺丝刀,其特征在于Cc>20N.m。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的螺丝刀,其特征在于传动装置合并角形间隙,从而使得在一个脉冲期间所述马达构件的转子(10)能够自由加速以积累动能Ec。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的螺丝刀,其特征在于所述传动装置包含环形齿轮,所述环形齿轮借助于所述扭矩传感器以旋转方式连接到所述螺丝刀的外壳上。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的螺丝刀,其特征在于传动装置具有大于或等于0.5N.m/°的硬度。
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