CN109015503B - 锂电直驱恒扭力扳手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了锂电直驱恒扭力扳手，属于安装工具的技术领域，包括：正反开关、可调手柄、锂电池、可调面板、无刷电机、减速机、反力臂、方锥头螺母套筒、控制器、控制器壳体和空心管。本发明的有益效果：本发明满足钢结构安装，铁轨安装规格螺栓、螺母扭力的定扭锁紧，扭力可设定可精准控制在5%N.M，而且输出效率高，锁紧一个螺母只要5秒，机身轻便，采用锂电池供电无绳作业，并可快速更换电池以保证工作可延续性；本发明满足高强度螺栓连接钢结构接点的螺栓群锁紧一致性的工作需求；本发明能过高性能CPU和算法有效地控制了扳手的扭力输出。

Description

锂电直驱恒扭力扳手

技术领域

本发明涉及安装工具的技术领域，具体涉及锂电直驱恒扭力扳手。

背景技术

铁路铁轨装卸和钢结构装卸作业时经常用到扳手这个工具，目前市场工况通用的扳手均采用冲击式锂电扳手，柴油机扭力扳手，虎牙扳手(定扭矩扳手)，液压扳手，电动扭矩扳手和气动扭矩扳手，但是这些扳手存在一些缺点，如：冲击式锂电扭力扳手,由于其长期处于高速冲击模式机壳壳体易破裂，主要缺点是扭力小，扭力不可控，目前在特殊场合已开始禁止使用此类扳手作业；柴油机扭力扳手体积大携带不方便，扭力相对冲击式恒定，但由于其内燃机输出功率的局限，单体设备只能满足局部作业的工作需求，复杂的机械传动设计体积比较大和过重，不便局部维修便携使用，且经常需要保养，维护成本高,不节能，不环保；虎牙扳手(定扭矩扳手)，此类扳手扭矩恒定无法设定其他扭矩值，输出转速过低，无法在单位时间内满足作业的时间，扳手电压为市电220V,无法满足离岸作业的要求；液压扳手缺点是体积比较大，经常需要保养，间歇驱动工作效率低；电动扭矩扳手以及气动扭矩扳手缺点是要连接市电才能工作，不能在野外工作，输出转速低一般输出是在20rpm左右。

基于以上问题，有必要开发一种便携恒扭力扳手，解决野外铁轨，钢结构作业需求。

发明内容

为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了锂电直驱恒扭力扳手能够全面解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

锂电直驱恒扭力扳手，包括：控制器和控制器壳体，所述控制器设置于控制器壳体内与控制器壳体连接，所述控制器壳体内还设置有空心管，所述空心管惯穿控制器壳体与控制器壳体固定连接，所述控制器壳体上设有固定连接的可调面板，所述可调面板与控制器控制连接，所述控制器壳体顶端设置有可调手柄，所述可调手柄与空心管的一端活动连接，所述可调手柄上设有活动链接的正反开关，所述正反开关与控制器电连接，所述控制器壳体后侧设置有锂电池，所述锂电池与控制器壳体连接，所述控制器壳体下端设置有无刷电机，所述无刷电机与空心管的另一端固定连接，所述无刷电机与控制器控制连接，所述无刷电机的输出端设置有减速机，所述减速机与无刷电机传动连接；

所述减速机包括：上端盖、下端盖、内齿圈，所述上端盖和下端盖分别设置于内齿圈上下两端与内齿圈连接，所述内齿圈内从上往下依次设置有第一级减速结构、第二级减速结构和第三级减速结构；

所述第一级减速结构包括太阳轮一和一级行星减速机构，所述一级行星减速机构包括行星轮A、行星架A和旋转衔接钢球一，所述行星轮A设置于行星架A侧面凹槽处与行星架A连接，所述太阳轮一设置于行星架A中间内部凹槽处与行星架A连接，所述太阳轮一通过行星轮A与内齿圈连接；

所述第二级减速结构包括太阳轮二和二级行星减速机构，所述二级行星减速机构包括行星轮B、行星架B和旋转衔接钢球二，所述行星轮B设置于行星架B侧面凹槽处与行星架B连接，所述太阳轮二设置于行星架B中间内部凹槽处与行星架B连接，所述太阳轮二通过行星轮B与内齿圈连接，所述太阳轮一的底端通过旋转衔接钢球一与太阳轮二的顶端连接；

所述第三级减速结构包括太阳轮三和三级行星减速机构，所述三级行星减速机构包括行星轮C、行星架C、旋转衔接钢球三和方锥输入端，所述行星轮C设置于行星架C侧面凹槽处与行星架C连接，所述太阳轮三设置于行星架C中间内部凹槽处与行星架C连接，所述太阳轮三通过行星轮C与内齿圈连接，所述太阳轮二的底端通过旋转衔接钢球二与太阳轮三的顶端连接，所述太阳轮三的底端通过旋转衔接钢球三与方锥输入端的顶端连接，所述方锥输入端的下端贯穿下端盖与下端盖连接；

所述减速机的下端设置有反力臂，所述减速机的方锥输入端的下端还贯穿反力臂，所述反力臂与方锥输入端下端的外壁连接，所述方锥输入端的底端设置有方锥头螺母套筒，所述方锥头螺母套筒与方锥输入端传动连接，所述锂电池分别与无刷电机和控制器电连接。

进一步的，所述锂电池为48V直流锂电池。

进一步的，所述可调面板上设置有六位数码管显示器、开关按钮、窗口按钮下翻、数值上/下翻按钮和数值加/减按钮，所述六位数码管显示器、开关按钮、窗口按钮下翻、数值上/下翻按钮和数值加/减按钮通过排线与控制器电连接。

进一步的，所述无刷电机与减速机采用一体设计。

进一步的，所述一级行星减速机构内的行星轮A设置有三组，所述三组行星轮A以120度的夹角并列分布，所述二级行星减速机构内的行星轮B设置有四组，所述四组行星轮B以90度的夹角并列分布，所述三级行星减速机构内的行星轮C设置有四组，所述四组行星轮C以90度的夹角并列分布。

进一步的，所述行星架A、行星架B和行星架C均采用一体成型结构。

进一步的，所述控制器包括CPU/STM32F407VET6、DC/DC模块、电池电压检测模块、CPLD模块、缓冲驱动模块、电流取样模块，所述锂电池分别通过DC/DC模块和电池电压检测模块与CPU/STM32F407VET6电连接，所述CPU/STM32F407VET6通过CPLD模块与缓冲驱动模块电连接，所述缓冲驱动模块的输出端与无刷电机电连接，所述无刷电机通过电流取样模块分别与CPU/STM32F407VET6和CPLD模块电连接。

本发明的有益效果：本发明主要应用于铁轨安装，钢结构安装，专门安装钢结构高强螺栓，本发明满足钢结构安装，铁轨安装规格螺栓、螺母扭力的定扭锁紧，扭力可设定可精准控制在5％N.M，而且输出效率高，锁紧一个螺母只要5秒，机身轻便，采用锂电池供电无绳作业，并可快速更换电池以保证工作可延续性；本发明满足高强度螺栓连接钢结构接点的螺栓群锁紧一致性的工作需求，例如铁路铁轨的高铁扣件锁紧一致性为0.5MM，因扣件是弹簧式，极难控制锁紧的松紧度以及高度；本发明能过高性能CPU和算法有效地控制了扳手的扭力输出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明分解后的部分结构示意图；

图3是本发明的使用状态图；

图4是本发明减速机的结构示意图；

图5是本发明可调面板的结构示意图；

图6是本发明一级行星减速机构的俯视图；

图7是本发明二级行星减速机构的俯视图；

图8是本发明三级行星减速机构的俯视图；

图9是本发明减速机的部分结构示意图；

图10是本发明控制器的模块连接示意图

图11是本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本发明提供锂电直驱恒扭力扳手，包括：控制器9和控制器壳体10，所述控制器9设置于控制器壳体10内与控制器壳体10连接，所述控制器壳体10内还设置有空心管11，所述空心管11惯穿控制器壳体10与控制器壳体10固定连接，所述控制器壳体10上设有固定连接的可调面板4，所述可调面板4与控制器9控制连接，所述控制器壳体10顶端设置有可调手柄2，所述可调手柄2与空心管11的一端活动连接，所述可调手柄2上设有活动链接的正反开关1，所述正反开关1与控制器9电连接，所述控制器壳体10后侧设置有锂电池3，所述锂电池3与控制器壳体10连接，所述控制器壳体10下端设置有无刷电机5，所述无刷电机5与空心管11的另一端固定连接，所述无刷电机5与控制器9控制连接，所述无刷电机5的输出端设置有减速机6，所述减速机6与无刷电机5传动连接；

所述减速机6包括：上端盖61、下端盖62、内齿圈63，所述上端盖61和下端盖62分别设置于内齿圈63上下两端与内齿圈63连接，所述内齿圈63内从上往下依次设置有第一级减速结构、第二级减速结构和第三级减速结构；

所述第一级减速结构包括太阳轮一631和一级行星减速机构，所述一级行星减速机构包括行星轮A632、行星架A633和旋转衔接钢球一634，所述行星轮A632设置于行星架A633侧面凹槽处与行星架A633连接，所述太阳轮一631设置于行星架A633中间内部凹槽处与行星架A633连接，所述太阳轮一631通过行星轮A632与内齿圈63连接；

所述第二级减速结构包括太阳轮二635和二级行星减速机构，所述二级行星减速机构包括行星轮B636、行星架B637和旋转衔接钢球二638，所述行星轮B636设置于行星架B637侧面凹槽处与行星架B637连接，所述太阳轮二635设置于行星架B637中间内部凹槽处与行星架B637连接，所述太阳轮二635通过行星轮B636与内齿圈63连接，所述太阳轮一631的底端通过旋转衔接钢球一634与太阳轮二635的顶端连接；

所述第三级减速结构包括太阳轮三639和三级行星减速机构，所述三级行星减速机构包括行星轮C640、行星架C641、旋转衔接钢球三642和方锥输入端643，所述行星轮C640设置于行星架C641侧面凹槽处与行星架C641连接，所述太阳轮三639设置于行星架C641中间内部凹槽处与行星架C641连接，所述太阳轮三639通过行星轮C640与内齿圈63连接，所述太阳轮二635的底端通过旋转衔接钢球二638与太阳轮三639的顶端连接，所述太阳轮三639的底端通过旋转衔接钢球三642与方锥输入端643的顶端连接，所述方锥输入端643的下端贯穿下端盖62与下端盖62连接；

所述减速机6的下端设置有反力臂7，所述减速机6的方锥输入端643的下端还贯穿反力臂7，所述反力臂7与方锥输入端643下端的外壁连接，所述方锥输入端643的底端设置有方锥头螺母套筒8，所述方锥头螺母套筒8与方锥输入端643传动连接，所述锂电池3分别与无刷电机5和控制器9电连接。

锂电池3为48V直流锂电池，采用DC48V能够解决低压大电流而造成的电线粗问题，同时还解决了马达及控制器不好制作的问题。

如图5所示，可调面板4上设置有六位数码管显示器401、开关按钮402、窗口按钮下翻403、数值上/下翻按钮404和数值加/减按钮405，所述六位数码管显示器401、开关按钮402、窗口按钮下翻403、数值上/下翻按钮404和数值加/减按钮405通过排线与控制器9电连接。

无刷电机5与减速机6采用一体设计，这种设置能够使得无刷电机5的轴与减速机6直接连接，直接连接的方式能够将保证无刷电机5与减速机6的同心度，并且提高无刷电机5与减速机6之间输出力的转化效率。

如图6-8所示，一级行星减速机构内的行星轮A632设置有三组，三组行星轮A632以120度的夹角并列分布，二级行星减速机构内的行星轮B636设置有四组，四组行星轮B636以90度的夹角并列分布，三级行星减速机构内的行星轮C640设置有四组，四组行星轮C640以90度的夹角并列分布。

通过上述的设置中看出，本发明没有按照传统的多级减速机设计工艺来组合行星轮的排列组合。首先一级减速采取三等分的布局排列，这是为了在高速过程中减少旋转带来的高惯性与大的摩擦而来带的发热问题。二与三级采用四等分分布行星轮是为了增大太阳轮的齿轮咬合面，增大输出轴的承载力。

其次本发明还改变了减速机6在同等外形大模数(1.5M)下所有配合齿形一致，解决生产过程中尺寸匹配和刀具生产中错乱的问题。

(1)减速机6为适应钢轨使用尺寸限制，做了减小体积的修改，用了110的框体，做到了同等140框体的扭力输出≧400N.M，主要是订制了大模数齿轮1.5模，(同等级的一般是做到0.75模)；增加了减速级数。标准一般是二级减速，本发明设计为三级减速。

(2)转速提高，标准是3000r/min，而本发明设计为12000r/min，主要是通过改变齿轮轴承，齿轮材质，以及齿轮数来实现。

(3)因为产品要满足铁道行业标准TBT 3099-2012扣件螺栓机动扳手设计标准，目前市场上的扳手严格上说都不符合标准要求。因为标准要求的输出指标≧300N.M和70r/min是硬性指标。而又要做到便携，重量不能超过19KG，电池使用时间要长等，综合这些参数而订制开发。而本发明设计的减速机6是电机为12000转速，扭力为≧2N.M，减速比为约1：170比，减速机6总的输出速度与输出扭力符合铁道行业标准。

(4)并增加了旋转衔接钢珠，和上下平面球轴承，解决了高速时的阻力，以及纵向的冲击力的吸收。

如图9所示，行星架A633、行星架B637和行星架C641均采用一体成型结构，这种设置能够保证行星轮A632、行星轮B636和行星轮C640的旋转稳定性与输出力的一致性。

如图10-11所示，控制器9包括CPU/STM32F407VET6 901、DC/DC模块902、电池电压检测模块903、CPLD模块904、缓冲驱动模块905、电流取样模块906，所述锂电池3分别通过DC/DC模块902和电池电压检测模块903与CPU/STM32F407VET6 901电连接，所述CPU/STM32F407VET6 901通过CPLD模块904与缓冲驱动模块905电连接，所述缓冲驱动模块905的输出端与无刷电机5电连接，所述无刷电机5通过电流取样模块906分别与CPU/STM32F407VET6 901和CPLD模块904电连接。

减速机6的减速原理：减速机6通过一级减速将无刷电机5的初始转速做第一次的减速，而后通过太阳轮二635的输出插入到二级行星减速机构做二次减速。最后通过太阳轮三639的输出插入到三级行星减速机构做第三次减速而达到最终需要的输出转速与输出扭力。

减速机6是一种相对精密的机械，使用他的目的是降低转速，增大转矩。

减速机6由以下几组参数：

1.目标扭矩值＝电机额定功率下的最大输出扭矩值X传动比X效率因数(0.95)。

2.传动比＝电机输出转速÷减速机输出转速。

3.单级行星减速机齿轮比：(内齿圈÷太阳轮)+1。

4.多级行星减速机齿轮比：

【一级(内齿圈÷太阳轮)+1】×【二级(内齿圈÷太阳轮)+1】×【N级】

A:知道电机功率和速度比及使用系数，求减速机扭矩公式如下：

减速机扭矩＝9550×电机功率÷电机功率输入转数×传动比×使用系数。

B:知道扭矩和减速机输出转速及使用系数，减速机所需配电机功率公式下：

电机功率＝扭矩÷9550×电机功率输入转数÷传动比÷使用系数。

本发明的工作原理：设备使用前由可调面板4上开关按钮402启动锂电池3，从而使锂电池3与控制器9得到电能。通过正反开关1来控制扭矩扳手的正反转。通过可调面板4设定当前工作扭矩，当设备处在工作状态时启动正转开关，无刷电机5转动时扭矩扳手的反力臂7会卡在铁轨的轨腰上形成一个反向支点的力臂，无刷电机5通过控制器9按照设定的扭力值将螺母扭至预定位置。通过电流取样模块906加以判断当前扭矩值保持1S而自动反转，使扳手反力臂7脱离支点可以轻松提起进行下一次工作。

本发明的控制原理：

RPM＝KV

RPM：电机转速K：电机常数V：供电电压；

电机转速与电压存在线性关系,只需要调节供电电机即可控制电机转速。

N＝POW/RPM＝IV/KV＝I/K

N：电机扭力POW：电机功率I：供电电流V：供电电压K：电机常数

电机扭力与电流成线性关系,使用PID电流环控制,即可精确控制电机扭力.

TrendN＝△N/△T＝(N(n)–N(n-1))/△T

TrendN：扭力变化趋势,△N：扭力增量△T：采样周期N(n):本次采样值,N(n-1)上次采样值

通过扭力变化趋势可以分析无刷电机5工作状态,无刷电机5从空转到堵转,进入电流环控制,以增加扭力。无刷电机5从堵转到空转进入速度控制,以增加工作效率。

本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。

Claims (5)

1.锂电直驱恒扭力扳手，其特征在于，包括：控制器(9)和控制器壳体(10)，所述控制器(9)设置于控制器壳体(10)内与控制器壳体(10)连接，所述控制器壳体(10)内还设置有空心管(11)，所述空心管(11)惯穿控制器壳体(10)与控制器壳体(10)固定连接，所述控制器壳体(10)上设有固定连接的可调面板(4)，所述可调面板(4)与控制器(9)控制连接，所述控制器壳体(10)顶端设置有可调手柄(2)，所述可调手柄(2)与空心管(11)的一端活动连接，所述可调手柄(2)上设有活动链接的正反开关(1)，所述正反开关(1)与控制器(9)电连接，所述控制器壳体(10)后侧设置有锂电池(3)，所述锂电池(3)与控制器壳体(10)连接，所述控制器壳体(10)下端设置有无刷电机(5)，所述无刷电机(5)与空心管(11)的另一端固定连接，所述无刷电机(5)与控制器(9)控制连接，所述无刷电机(5)的输出端设置有减速机(6)，所述减速机(6)与无刷电机(5)传动连接；

所述减速机(6)包括：上端盖(61)、下端盖(62)、内齿圈(63)，所述上端盖(61)和下端盖(62)分别设置于内齿圈(63)上下两端与内齿圈(63)连接，所述内齿圈(63)内从上往下依次设置有第一级减速结构、第二级减速结构和第三级减速结构；

所述第一级减速结构包括太阳轮一(631)和一级行星减速机构，所述一级行星减速机构包括行星轮A(632)、行星架A(633)和旋转衔接钢球一(634)，所述行星轮A(632)设置于行星架A(633)侧面凹槽处与行星架A(633)连接，所述太阳轮一(631)设置于行星架A(633)中间内部凹槽处与行星架A(633)连接，所述太阳轮一(631)通过行星轮A(632)与内齿圈(63)连接；

所述第二级减速结构包括太阳轮二(635)和二级行星减速机构，所述二级行星减速机构包括行星轮B(636)、行星架B(637)和旋转衔接钢球二(638)，所述行星轮B(636)设置于行星架B(637)侧面凹槽处与行星架B(637)连接，所述太阳轮二(635)设置于行星架B(637)中间内部凹槽处与行星架B(637)连接，所述太阳轮二(635)通过行星轮B(636)与内齿圈(63)连接，所述太阳轮一(631)的底端通过旋转衔接钢球一(634)与太阳轮二(635)的顶端连接；

所述第三级减速结构包括太阳轮三(639)和三级行星减速机构，所述三级行星减速机构包括行星轮C(640)、行星架C(641)、旋转衔接钢球三(642)和方锥输入端(643)，所述行星轮C(640)设置于行星架C(641)侧面凹槽处与行星架C(641)连接，所述太阳轮三(639)设置于行星架C(641)中间内部凹槽处与行星架C(641)连接，所述太阳轮三(639)通过行星轮C(640)与内齿圈(63)连接，所述太阳轮二(635)的底端通过旋转衔接钢球二(638)与太阳轮三(639)的顶端连接，所述太阳轮三(639))的底端通过旋转衔接钢球三(642)与方锥输入端(643)的顶端连接，所述方锥输入端(643)的下端贯穿下端盖(62)与下端盖(62)连接；

所述减速机(6)的下端设置有反力臂(7)，所述减速机(6)的方锥输入端(643)的下端还贯穿反力臂(7)，所述反力臂(7)与方锥输入端(643)下端的外壁连接，所述方锥输入端(643)的底端设置有方锥头螺母套筒(8)，所述方锥头螺母套筒(8)与方锥输入端(643)传动连接，所述锂电池(3)分别与无刷电机(5)和控制器(9)电连接，所述锂电池(3)为48V直流锂电池，所述无刷电机(5)与减速机(6)采用一体设计。

2.根据权利要求1所述的锂电直驱恒扭力扳手，其特征在于，所述可调面板(4)上设置有六位数码管显示器(401)、开关按钮(402)、窗口按钮下翻(403)、数值上/下翻按钮(404)和数值加/减按钮(405)，所述六位数码管显示器(401)、开关按钮(402)、窗口按钮下翻(403)、数值上/下翻按钮(404)和数值加/减按钮(405)通过排线与控制器(9)电连接。

3.根据权利要求1所述的锂电直驱恒扭力扳手，其特征在于，所述一级行星减速机构内的行星轮A(632)设置有三组，所述三组行星轮A(632)以120度的夹角并列分布，所述二级行星减速机构内的行星轮B(636)设置有四组，所述四组行星轮B(636)以90度的夹角并列分布，所述三级行星减速机构内的行星轮C(640)设置有四组，所述四组行星轮C(640)以90度的夹角并列分布。

4.根据权利要求1所述的锂电直驱恒扭力扳手，其特征在于，所述行星架A(633)、行星架B(637)和行星架C(641)均采用一体成型结构。

5.根据权利要求1所述的锂电直驱恒扭力扳手，其特征在于，所述控制器(9)包括CPU/STM32F407VET6(901)、DC/DC模块(902)、电池电压检测模块(903)、CPLD模块(904)、缓冲驱动模块(905)、电流取样模块(906)，所述锂电池(3)分别通过DC/DC模块(902)和电池电压检测模块(903)与CPU/STM32F407VET6(901)电连接，所述CPU/STM32F407VET6(901)通过CPLD模块(904)与缓冲驱动模块(905)电连接，所述缓冲驱动模块(905)的输出端与无刷电机(5)电连接，所述无刷电机(5)通过电流取样模块(906)分别与CPU/STM32F407VET6(901)和CPLD模块(904)电连接。

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