CN1114519C - 具有双刚性弹簧应用振荡质量的工具 - Google Patents

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Abstract

公开了一种有低反作用的振荡质量扭转工具(1)，其中，一振荡质量(4)被反转脉冲激励而大体上进行谐振振荡，从而使贮存在双刚性弹簧(3)周围的振荡能量增大，这样就在沿拧紧方向上以更为刚性的弹簧作用提供更大的扭矩输出，并由此将紧固件拧紧。

Description

具有双刚性弹簧应用振荡质量的工具
本发明总体上涉及机动工具，更具体来说，涉及利用惯性的手持扭转工具。目前，小反作用的工具是使一回转惯性质量加速通过一相对大转角的典型装置。此加速是利用一马达的输出扭矩来实现的，此扭矩与工具的输出扭矩能力相比是相对较低的。当惯性质量加速时，惯性质量就贮存动能。在惯性质量已转动一足够大角度(例如180°或更大些)后，一离合装置可将惯性质量与工件接合。之后的惯性质量之负加速度就产生一种比加速马达所提供的扭矩相对较高的输出扭矩。这种高输出的扭矩不会对使用者产生反作用，因为反作用是由与飞轮或惯性质量之负加速度有关的扭矩提供的。
一般说来，两类离合装置可被设在惯性质量与工件之间。占主导地位的方法是采用机械离合器。不幸的是此类离合器的快速接合和脱开会导致噪音产生，而且在离合器的冲击变换区域上产生的高应力会导致零件的磨损和变形，这些因素会降低离合器的效率和缩短其使用寿命。
第二种离合方法是采用液压闭锁离合器。虽然这种方法在运作时比现有的机械离合器安静，但其制造成本高及可能存在的液压流体的损失限制了这类方法的应用。
为了拧紧一螺纹连接紧固件，必须通过施加一卡紧连接件的扭矩来使螺栓转动。所有螺栓均有某种头部和螺旋角，对于右旋螺纹紧固件来说，它们允许将顺时针方向的转动传递给螺母或构件以使螺栓中产生张紧力。与沿相反方向即使一连接件松开的方向相比当卡紧一连接件时，所述的螺旋角会使螺栓难以被转动(亦即需要较高的转矩)。在我们研究一种振荡驱动系统时，由于上面讨论的原因，对紧固件施加正、反相等的扭矩会导致连接松驰。克服此类障碍的一种方法是对驱动马达施加一附加励磁扭矩，从而使拧紧力矩比拧松扭矩大。这一选择方案会在壳体上产生由使用者承受反作用的附加激励扭矩。对于附加激励可能是很小的低转矩类工具来说，这样做可能是合适的。
日本专利JP-A-04030974是最接近的现有技术，它公开了一种机动螺钉拧紧装置。在此装置中，使用高频电流与振荡体相结合以产生一线性振荡，此振荡通过端头传递给螺钉。这种振荡作用敲击正在被拧紧的螺钉，以便改善此拧螺钉装置的操作性能。虽然所述振荡体的振动作用可能有助于提高拧螺纹装置的操作性能，但其振荡力较小，因而不足以克服利用惯性操作的扭转工具所需求的摩擦力。
上面提到的缺陷公知于现有的工具和方法中。因此，很明显的是提供一种旨在克服上述缺陷之一或多个的替换方案是有好处的。而且，一种适合的替换方案包括了在下面更充份公开的许多特点。
本发明的基本构思是发明一种双刚性弹簧，此簧在拧紧方向上比在拧松方向(即较小的刚性)上有更大的抗扭性能(即：更大的刚性)。这就取消了对附加激励扭矩的需求，因而施加在壳体上的反作用扭矩就比较小。
在此公开的本发明实施例表明了杆中的弯曲和扭转刚性之间的相对差别。与此相关的附图描绘了一种运作模式：在沿拧松方向上是弯曲，而在拧紧方向上则是弯曲加扭转。
本发明的一个方面即为实现上述运作方式而提供一种利用谐振振荡质量的扭转工具，此工具有一可转动的谐振振荡质量；一个实现使质量振荡的装置；一个将振荡质量连接于一回转摩擦力调整工件的双刚性弹簧，此簧沿拧紧转向作用在工件上一较大的扭转输出，而沿相反的拧松方向作用的输出扭矩较低，并不足以使工件沿拧松方向转动。
结合附图对本发明详细介绍之后，上述的及其它方面将会变得更加清楚。各附图为：
图1是本发明应用谐振振荡质量的扭转工具的剖视图；
图2是现有技术中有加速质量的冲击工具在经历时间内于紧固件上施加的扭矩图表；
图3是本发明之应用谐振振荡质量的工具在经历时间内施加于紧固件上的扭矩的图表；
图4是本发明一推荐实施例的轴状双刚性弹簧的放大图；
图5是在振荡质量内的双弹簧接纳套筒的端视图，虚线展示出此弹簧端头之装配后的中间位置；
图6是在每个位置上关于轴扭矩和振荡扭矩与转子可靠性能测量值RPM重叠表示的扭矩与时间关系曲线。
参看图1，本发明基于谐振振荡质量的双刚性弹簧扭转工具总体用参考数码1来表示。一套筒型套筒扳手即卡紧装置5与未示出的待拧紧的紧固件头部紧紧地连接。该套筒扳手5被连接于一双刚性轴状扭转弹簧3，弹簧3则通过一弹簧销接纳套筒即驱动套筒40与一杯状飞轮转子即振荡质量4连接。飞轮转子4以后会解释的方式环绕着一内部的定子转动和振荡。一永久磁铁9安置在飞轮转子4之内径面内的一狭槽2中。一屏蔽环和磁回路通道8环绕着飞轮转子4。环8是用钢一类的导磁材料制作的，而且被安装在形成工具外壳的一壳体15中。用来握持该工具的手柄11与壳体15连接。扳机14可起动工具，一正、反向开关13可用来选择从操作者看来是沿顺时针的拧紧方向转动或是沿逆时针的拧松方向转动。
如图1所示，飞轮转子4、双刚性弯曲扭转弹簧3及套筒5借助轴承16及轴承17、18被支承得可在壳体15及定子20的延伸部内转动，轴承17、18则环绕着套筒19。设置一前部光学编码器7以检测套筒的转动，并设置一光学的飞轮位置编码器10来确定飞轮转子4的运动及位置。
参看图1、4及5，它们展示了用标号3表示的一双刚性簧的实施例。簧3具有与基座31连接、并从其上沿轴向延伸出的四个指状销30，设置一孔32来接纳一套筒驱动轴33。轴33则以驱动销35被可驱动地连接于基座31。从图1和5中可清楚地看出：轴状弹簧销30的端部36被精确地制作而使之与驱动套40上精确制作的槽37配合作用。驱动套40则又与飞轮转子4连接，并由此以振荡方式被驱动。槽37的形状被构造得在套件40被如图5所示沿顺时针方向(从操作者看来是沿反时针方向拧松转动)转动时，弹簧销30主要被弯曲变形。沿逆时针方向转动时，套件40通过接触点41，41′施加一作用力。该力趋向于使弹簧销30既弯曲又扭转，由此显示出对沿图5所示的逆时针方向(从操作者看来是沿顺时针即拧紧方向)转动增大阻力。因此，双刚性弹簧呈现出在拧紧方向上具有比在拧松方向要大的、不同的弹簧刚性。
上述事实在图6所示的曲线图上看得最清楚，其中，飞轮转子4可靠性能测量值RPM曲线是与所达到的飞轮之矩形波振荡扭矩和呈现的输出轴扭矩值作对比描绘的。如在图6中被清楚地展示的那样。对于一给定的振动扭矩值，与在周期之拧松部份所达到的400(磅)in.Ibs相比，可以达到一个相当高的拧紧扭矩(接近800(磅)in.Ibs)。
在运作中拧紧一螺纹紧固件时，飞轮在开始时作为一普通马达通过激励电磁线圈6及对永磁铁9的反作用被初始驱动以执行一紧固循环的拧紧(rundown)部份。一旦紧固件达到了飞轮作为普通马达被驱动的输出极限时，套筒形套筒扳手5的转动就中断并被前光学编码器7检测到。飞轮转子4的位置则被光学位置编码器10检测到。如图3所示，根据检测到的一失速的套筒状况，该合适的电气线路就开始通过将反转能量脉冲施加于该电磁线圈6使飞轮振荡，并使飞轮在该惯性质量弹簧系统之谐振频率或其附近频率振荡。
采用本发明的此振荡质量原理，就可以达到使马达所施加的振荡扭矩被倍增多倍后输出。另一种描述振荡的方法是：当扭转簧内的扭矩超过阻碍紧固件运动的工件扭矩时，该紧固件就可以由此两扭矩间的差值来加速运动。在此过程中，一些能量会从该振荡质量系统中失去。马达可以补充这些能量，因而可增加更多的重复振荡，从而使振荡一直继续到使紧固件完全安装好。在已经到达了所需要的紧固件扭矩时，该马达就终止使飞轮运动。
光学编码器7和10给工具的控制系统提供反馈信息。在通常的工具运作中，可能会希望使飞轮作为一个马达来运转并在初始阶段将紧固件拧紧(rundown)到一个适当小扭矩水平。该小扭矩可以通过套筒转动的失速被测知。就在此时刻送出一个信号以开始马达的振荡脉冲模式，并使飞轮通过重复地施加反向的扭矩脉冲而在该质量弹簧系统谐振频率或其附近处振荡。双刚性弹簧可使得加在拧紧方向上的扭矩峰值较高，而且在反转方向上，一个更长时间内只施加一个较低的拧松扭矩。所施加扭矩间的差值是通过弹簧的相对刚性来选定的。这样就可防止紧固件在施加反向扭矩时被拧松。在拧紧方向上施加的较高的扭矩可克服紧固件的摩擦力而使之沿此紧固方向逐渐被拧紧。
除了上述的实施例外，还可以有许多另外的实施例。所有实施例的共同点是：被用来拧紧工件的扭矩均是通过使包括作为附加激励输出扭矩机构的一双刚性弹簧之质量弹性系统。在其谐振频率或附近处振荡来提供的。
本发明呈现了低的反作用和低的震动。该激励频率大体上高于现行工具的扭矩输出频率。那些更高的频率要比与现行冲击工具之相关的反复的“飞轮自旋加快”(“flyweel spinup”)的频率更容易地被衰减(见图2)。在采用窄带激励频率的以重量为基础的振荡方案中，与面临的当前冲击工具之宽频带特性的工具相比，它更容易采用声音和震动减小措施。此外，可以消除冲击的表面，因而可以减小噪音和磨损。
本发明的工具更容易控制，并且有更好的扭转精度。本实施例的工具以更小、更频繁的扭矩脉冲方式将扭矩传递给工件。与当前的低反作用工具相比，这种更小的脉冲可允许更精细地控制所施加的扭矩。而且对工件的刚性即连接率、依赖性更小。此外，本发明的原理本身很好地提供了电子驱动实施例，这些实施例给使用者增加了例如对操作速度等其它方面的控制能力。
已经用推荐实施例介绍了本发明，但不希望这些实施例除了所附权利要求以外去限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于一可转动的摩擦力调定工件的、应用谐振振荡质量的扭转工具，包括
一回转谐振式转动振荡的质量(4)；
一使该质量谐振振荡的装置；
一将该振荡质量与一可转动摩擦力调定工件连接的双刚性弹簧(3)；该双刚性弹簧(3)是一种弯曲和扭转的复合弹簧，且该弹簧(3)允许在质量(4)与所述工件向有相对转动；该弹簧(3)沿拧紧方向在该工件上施加一更高的输出扭矩来使工件沿拧紧方向转动；以及在沿(与所述拧紧方向)相反的方向于该工件上施加一个不足以使工件转动的较低的输出扭矩。
2.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述扭转工具(1)是手持扭矩扳手。
3.如权利要求1所述的工具，其特征在于，振荡质量(4)的位置是用一位置编码器(10)检测的。
4.如权利要求1所述的工具，其特征在于，位置编码器(10)是一种光学位置编码器。
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