CN114258337A - 双速旋转工具 - Google Patents

Abstract

一种轻量手持工具的高力矩双速涡轮转子，用以研磨及抛光，亦可使用于装有转轴的气动机器。高力矩双速涡轮转子包括两件式传动轴及传动轴内设有的控流螺杆。传动轴包括第一套中空开口，位于传动轴一端的第一位置，与转子的第一环形腔室流体互通，及第二套中空开口，位于传动轴一端的第二位置，与转子的第二环形腔室流体互通。控流螺杆在螺纹轴孔中移动，由轴孔里的开放位置移动到对应第二中空开口的关闭位置。

Description

双速旋转工具

交叉引用

本申请要求下述在先申请的优先权,并且与其相关：2019年6月12日向美国专利及商标局递交的“双速旋转工具”专利申请(临时专利申请号62/860,538)。该在先申请的说明书及附图的全部内容通过引用合并至本申请。

技术领域

本发明涉及手持或轴式气压驱动轻量工具，用以研磨和抛光，更具体地，涉及一种气压反应涡轮驱动的轻量研磨工具的涡轮转子。

背景技术

现有技术使用轻量气压工具实现各种功能，例如研磨、抛光、金属或塑胶表面处理、雕刻、钻孔及去毛刺。工具种类包括手持式及机械转轴式。手持工具通常包括一个窄身圆筒形外壳，把手部份包裹转子，以握笔动作手持传动轴。相比较重的电动马达工具，轻量气压研磨工具可供手持更长时间，不会对用家构成伤害。

虽然现有涡轮转子的力矩足以应付轻巧工具研磨及抛光，但更高的力矩有利于研磨抛光的一些应用方面。工具本身已有固定速度范围，无法大幅偏离。

发明内容

本发明提供一种轻量手持工具的高力矩双速涡轮转子，配合轴式工具气动设备使用，用以研磨及抛光。本发明包括两个或以上的转子腔室以及一个两件式传动轴，传动轴内设有控流螺杆。传动轴包括第一组中空开口，距离传动轴一端的第一位置，与转子的第一环形腔室流体互通。第二组中空开口位于距离传动轴一端的第二位置，与转子的第二环形腔室流体互通。控流螺杆在传动轴的螺纹轴孔中移动，从开放位置移动到对应第二组中空开口的关闭位置。

在开放位置，控流螺杆不会阻挡第二环形腔室的中空开口。在这个位置，控流螺杆允许加压空气流入第一环形腔室及第二环形腔室，以制造更高速的第一速度。同样地，用扳手将控流螺杆在传动轴中的开放位置移动到关闭位置，则阻止空气经传动轴流到涡轮转子的第二环形腔室，以制造较低速度。

实施例中，控流螺杆包括至少一种螺丝槽头：十字螺丝槽头、内六角螺丝槽头、内六角星螺丝槽头、正方形螺丝槽头、或是以上的组合。

附图说明

图1是本发明实施例的机械加工系统范例的立体示意图。

图2是图1所示系统另一部分的立体示意图。

图3是现有技术中双腔涡轮转子的一个示例的立体爆炸示意图。

图4是现有技术,示出图3的双腔涡轮转子的长形工具外壳的侧视垂直投影图。

图5是现有技术中双腔涡轮转子及对应传动轴的侧视垂直剖视图。

图6是现有技术中双腔室涡轮转子的立体示意图。

图7是现有技术,示出图6所示双腔室涡轮转子的侧视垂直剖视图。

图8是现有技术,示出图6所示双腔室涡轮转子安装于传动轴的局部剖视立体爆炸示意图。

图9是双腔室涡轮转子及对应传动轴另一实施例的立体示意图。

图10是图9所示双腔室涡轮转子另一实施例的侧视垂直投影图。

图11是两件式传动轴的爆炸示意图。

图12是双腔室涡轮安裝在图11所示两件式传动轴上,并且一并置入工具外壳後的侧视图。

图13是图12中13-13的剖视图,其中示出了控流螺杆的位置。

具体实施方式

根据专利文件要求,下述为本发明的具体实施方式。本发明公开之具体实施例纯属示例，下述系统及方法可以用不同形式实施。本发明公开的特定结构及功能详情仅为权利要求书的基础，并作为代表性的示例，教导技术人员根据任何合适的详细结构及功能，以不同方式应用本发明的公开内容，而不应被视为限制。另外，本发明所有用字用句旨在提供可理解的描述，亦不应被视为限制。

本发明提供一种手持式或机械轴式工具的高力矩双速涡轮转子。在现有技术中具有两个或以上的环形腔室的高速涡轮转子基础上，本发明采用一个两件式传动轴及内部控流螺杆。使用扳手控制控流螺杆在传动轴中移动，从开放位置移动到关闭位置，阻止空气经传动轴流到涡轮转子的其中一个环形腔室，以制造较低速度。同样地，使用扳手控制控流螺杆从关闭位置移动到开放位置，则引导加压空气经传动轴流到先前关上的转子环形腔室。

本发明结合现有高力矩涡轮转子的设计，不须重新设计转子，只需修改轴的部分，使用内部控流螺杆以提供两种速度。

非限制词汇：

「一」指一或多于一，「多个」指两个或以上。「另一」指第二个、第三个及如此类推。

「甲、乙、及丙其一」的「及」指甲或乙或丙，或三者的任何组合。

「包含」及「有」指包括(开放语言)。

「联接」指连接，不一定指直接连接或机械连接。

「空气」涵盖不同种类的流体，包括混合空气的油。

「一」指一或多于一，「多个」指两个或以上。「另一」指第二个、第三个及如此类推。「包含」及「有」指包括(开放语言)。「联接」指连接，不一定指直接连接或机械连接。

不同物料或其组合都可组建安装用环形组件及其部件，例如金属、合金、合成物、塑胶、陶瓷、其他有机或无机物及上述的组合。

机械加工系统

图1及图2示出一个机械加工系统102，在本实施例中为轴式工具自动切换组件，供轴式气压工具之用，该轴式气压工具工具以压缩流体驱动，例如空气。机械加工系统102包括控制装置104如电脑数值控制机(CNC)、轮转工具140、及一个或以上的轴式工具142。控制装置104包括用户输入装置106，以输入指令。控制装置104可使用各种电脑硬件及软件，对工件进行机械加工工序。本发明不限制使用何种控制。

机械加工系统102亦可包括通用主轴安装组件150(USMA)，与轴式工具142配合，使轴式工具142可在控制装置104自动切换。本实施例的机械加工系统102中，通过自动切换装置，轴式工具142在控制装置104及轮转工具140之间切换，该切换装置详情见后述。本发明亦可考虑使用其他结构及技术，例如使用线性轮转工具，通过通用主轴安装组件150连接轴式工具142和控制装置104，或断开连接。

图2示出通用主轴安装组件150，包括安装用环形组件250和安装块或歧管本体200。安装用环形组件250与另一安装用环形组件240可操作地联接，将轴式工具142垂直向下固定，安装块或歧管本体200可操作地与控制装置104联接。图中亦展示了机械加工系统102对工件290进行机械加工工序。

双腔涡轮

图3至图7示出了现有技术中的涡轮转子310。图4示出长形手持工具外壳，包裹转子、轴和轴承。如图4所示，涡轮转子310用于手持或轴式工具的研磨及抛光等工序。优选的实施例于美国专利US7077732中有详细说明，该专利由Air Turbine Technology Inc.拥有，其全部内容通过引用结合于本申请中。

图3示出现有技术中双腔涡轮转子的爆炸立体示意图。优选地，涡轮转子310包括两个分开的内部高压空气接收腔室(第一腔室及第二腔室)，由前壁312(图9之912)、中内壁314(图9之914)及后壁316(图9之916)组成。涡轮转子310通常为长筒形。前壁312及后壁316可相同。前壁312、中内壁314及后壁316以摩擦配合固定，通常为气密结构。例如，前壁312与后壁316各有周边凸缘，连接并延伸至中内壁314腔室墙的周边。在一实施例中，前壁312及后壁316紧压配合与中内壁314固定。前壁312、中内壁314及后壁316亦可粘合、或以其他元件，例如金属夹，可拆卸地组合或永久组合。

前壁312(图9之912)包括中心螺纹孔318。图5、图7及图8示出的优选实施例中，中心螺纹孔318(图9之918)的螺纹对应传动轴560的螺丝。如图5所示，传动轴560顶端包括外螺纹壁562，其设有中空开口564及566，作为入口使高压空气进入涡轮转子310的两个腔室，以推动涡轮转子310。更进一步地，中空开口564沿轴从顶端570于第一位置形成，中空开口566于传动轴560的顶端570第二位置形成。

每一中空开口564及566通常由两个或以上的开口组成,，位于传动轴560径向的不同位置。在本实施例中，中空开口564在传动轴560的后方也有另一个开口(没有显示)，即图示中的开口564的180°方向。这一组两个或以上的中空开口564维持了传动轴560及转子的平衡。同样地，图示中的开口566背面也包括另一个开口(没有显示)。另外，除了使用外螺纹壁562时，也可考虑其他接合传动轴560的方式，可为可拆卸或永久接合，例如与传动轴560黏合、焊接、或摩擦配合。传动轴560的顶端570设有轴孔568，与中空开口564及566流体互通。

如图3所示，前壁312及后壁316可用塑胶、金属、或其他合适的轻量有硬度的气密物料制造。当转子与轴接合，转子产生力矩并传送到轴，使之转动。

中内壁314亦可用塑胶、金属、或其他合适的物料制造。

中内壁314包括中心螺纹孔344，对应传动轴560上的螺纹。

如美国专利US4776752所示，实施例中的涡轮转子310包括两个腔室并各有一个调速器。优选地，调速器包括第一环形腔室320，位于中内壁314的前方表面348。至少有一个第一弓形腔室324从第一环形腔室320的外部352延伸。如图3及图7所示，实施例中设有四个第一弓形腔室324，自第一环形腔室320的外部352，延伸到中内壁314的圆周356。第一弓形腔室324与第一环形开口358(图9之958)连通。

第一弹性阀O形圈332安装于第一环形腔室320，调控及限制空气从第一环形腔室320流到第一弓形腔室324。第一环形穿孔屏障322远离第一弹性阀O形圈332在第一弹性阀O形圈332外面延伸。当引入高压空气(约90每平方英寸磅力)至涡轮转子310，并转子速度达到预设每分钟转速，第一弹性阀O形圈332紧贴着第一环形穿孔屏障322变形，限制气流并降低转子的每分钟转速。

图6示出涡轮转子310包括第二环形腔室326，位于中内壁314的后方表面350。至少有一个第二弓形腔室330从第二环形腔室326的外部354延伸。在优选的实施例中，提供四个第二弓形腔室330(各自相隔90°)，从第二环形腔室326的外部354，延伸至涡轮转子310的圆周356。第二弓形腔室330与第二环形开口362连通。如图3及图5所示，第一弓形腔室324及第二弓形腔室330对齐，第一环形开口358及第二环形开口362亦对齐。供空气通过的第一环形开口358及第二环形开口362与涡轮转子310呈切线方向设置，并切向地输出高压空气，提供推力以转动涡轮转子310。不过，本发明中第一环形开口358不一定需要对齐第二环形开口362。

第二环形腔室326亦包括第二弹性阀O形圈334，调控及限制空气从第二环形腔室326流到第二弓形腔室330。第二环形穿孔屏障328径向地远离第二弹性阀O形圈334在第二弹性阀O形圈334外面延伸。当引入高压空气至涡轮转子310，并转子速度达到预设每分钟转速，第二弹性阀O形圈334紧贴着第二环形穿孔屏障328变形，限制气流并降低转子的每分钟转速。

第一弹性阀O形圈332及第二弹性阀O形圈334通常为橡胶制，有弹性。全个涡轮转子(阀O形圈除外)可以硬性塑胶制造。涡轮转子310的轴承不需使用润滑油。第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328可以塑胶、金属或其他合适物料制造，可与中内壁314整体成型，亦可拆卸地或永久地分别连接中内壁314的前方表面348及后方表面350。另外，如图3所示，第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328可为栏栅形结构，亦可考虑使用其他等效结构。

在优选的实施例中，前壁312设有凹槽336，中内壁314的前方表面也设有对应的凹槽340，使第一环形穿孔屏障322在涡轮转子310中对齐。同样地，后壁316设有凹槽338，中内壁314的后方表面也设有对应的凹槽342，使第二环形穿孔屏障328在涡轮转子310中对齐。此外，亦可使用单一凹槽对齐环形穿孔屏障。

操作时，涡轮转子310优选实施例的操作方式如下：高压空气(约90每平方英寸磅力)通过插入前壁312、中内壁314及后壁316的中心螺纹孔318、344及346的传动轴560进入涡轮转子310。高压空气进入第一环形腔室320及第二环形腔室326，环绕第一弹性阀O形圈332及第二弹性阀O形圈334流动，通过第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328，进入第一弓形腔室324及第二弓形腔室330。空气通过中内壁314圆周356上的第一环形开口358及第二环形开口362，从第一弓形腔室324及第二弓形腔室330被挤压出去。这些周边的开口为切向喷嘴，提供多道气流，制造力矩转动涡轮。空气的反作用力使涡轮转子310转动。

优选实施例包括特定每分钟转速的调速器，于美国专利US4776752中有详细说明，该专利由Air Turbine Technology Inc.拥有，其全部内容通过引用并入本申请。第一弹性阀O形圈332及第二弹性阀O形圈334因离心力而分别紧贴第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328变形，推动涡轮转子310以预设恒速转动。当涡轮310高速转动，第一弹性阀O形圈332及第二弹性阀O形圈334变形，紧贴第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328。

第一弹性阀O形圈332及第二弹性阀O形圈334变形，限制空气流经第一环形穿孔屏障322及第二环形穿孔屏障328，以减少转力。最终涡轮转子310取得转速的平衡值并达到恒定转速。

本发明中涡轮转子310的力矩相比现有技术的涡轮转子大幅增加。例如，与两个堆迭涡轮转子相比，本发明较轻、震荡和颤动较低、更少空气穿过，减少可动配件损耗。

双腔涡轮的另一实施例

图9及图10示出本发明的另一实施例。如图所示，转子的外壳更窄，重量更轻，力矩更高。

涡轮转子310设计上有多个环形腔室及弓形腔室，比现有气压涡轮提供更高力矩，而不会显着增加轴式工具设备的重量。相比将一个涡转转子迭到另一个上，本发明的震动更小。本发明亦会考虑其他实施方案，可以在第一腔室和第二腔室之间增设多个额外的环形腔室及弓形腔室。增设的腔室可按上述说明设有阀O形圈及穿孔屏障，以监控转速。另外，本发明虽采用空气操作，但亦可考虑其他气体，应用于其他情况上。

设有控流螺杆的两件式传动轴

图11示出传动轴1160(两件式)的爆炸及剖视图，设有顶轴1172及底轴1174。虽然实施例为两件式设计，控流螺杆亦可设置为一件式、三件式或更多。顶轴1172包括轴孔1180，穿過顶轴1172通到另一端1182。顶轴1172包括外壁1162，在本实施例中为螺纹壁，但螺纹壁只属将涡轮转子310安装到传动轴1160上的例子之一。其他安装或联接金属的方法包括挤压配合、榫销、螺丝、焊接或以上方法的组合。外壁1162包括中空开口564及566。轴孔1180与中空开口564及566流体互通，也与另一端1182流体互通。控流螺杆1154包括外部螺纹1156，顶轴1172另一端1182包括内部螺纹1152，彼此可转动接合。控流螺杆1154包括至少一种符合本发明权利要求范围内的螺丝槽头：十字螺丝槽头、内六角螺丝槽头、内六角星螺丝槽头、正方形螺丝槽头、及其他螺丝槽头。

底轴1174包括具有螺纹1178的第一端1176，可转动地与顶轴1172的内部螺纹1152锁紧。从底轴1174的第一端1176延伸下去设有轴承表面1184及1188，轴承表面1184及1188以轴承隔1186互相分开。再下去设有挡板1326用的螺纹1190、一对扳手平面1192(另一扳手平面在背面,图中未示)、及夹套螺母用的螺纹1194。

图12为工具外壳的侧视图，其具有安装在图11所示的两件式传动轴上的双腔涡轮转子1210。图13为图12的A-A’侧视剖视图，示出控流螺杆1154的位置。空气或加压的流体进入顶轴1172的轴孔1180。顶轴1172外壁在顶轴1172顶端或顶轴1172第一端1150以下的一个第一位置设有一套或多套中空开口564及566中的第一套中空开口564。

顶轴1172外壁在顶轴1172顶端或顶轴1172第一端1150以下的一个第二位置设有所述一套或多套中空开口564及566中的第二套中空开口566。轴孔1180与中空开口564及566流体互通，当控流螺杆1154相对于顶轴末端处于开放位置，轴孔1180提供加压气体到涡轮转子310的第一环形腔室320及第二环形腔室326。控流螺杆1154的可移动距离1350由底轴1174的第一端1176、及顶轴1172另一端1182到顶轴1172第一端1150的螺纹深度来决定。在此开放位置，控流螺杆1154不会阻挡第二环形腔室326的中空开口566。在这个位置，控流螺杆1154允许加压空气流入第一环形腔室320及第二环形腔室326，以制造更高速的第一速度。

制造较低第二速度的方法如下：局部或完全阻挡空气进入第二环形腔室326。这个情况下，控流螺杆1154位置重置，原先不会阻挡第二环形腔室326的中空开口566，现在阻挡轴孔1180内的中空开口566。可使用工具例如螺丝刀，其末端对应控流螺杆1154的螺丝头，将该螺丝刀插入第一端1150，以重置控流螺杆的位置，由轴孔1180里的开放位置改到对应中空开口566的关闭位置。外壳100包裹转子1210及两件式传动轴1160。沿传动轴1160往下至切割或抛光工件的位置设有扳手螺母1320、轴承1322、空间或空白区域1330，以轴承隔1186区隔后及设有用于保护另一轴承1324的挡板1326。

本发明的样板中示范了90每平方英寸磅力(6.2巴)下每分钟40,000及25,000转速。在不脱离本发明的范围及原意下，亦可使用其他转速及气压。

非限制例子

本发明所述为最实用及优选的实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明本发明保护范围的前提下，还可以做出若干变形和改进。

实施例的图例旨在使人大致了解各实施例的结构，并未完全描述了采用本结构的设备及系统的元素特征。技术人员检视本发明描述后仍可从之衍生及使用其他实施例，在不脱离本发明本发明保护范围的前提下，还可以做出若干变形和改进。图例具代表性但未必完全按比例绘制，一些部分可能会放大或缩小。说明及图例纯属说明性质，非为本发明的限制。因此，虽然本发明只描述了特定实施例，但任何其他设定，只要可达到同样效果，亦可作为替代，所有相关改动或变化都落入本发明的保护范围内。技术人员检视本发明描述后，可以结合使用本发明各个实施例，或结合本发明没有特定说明的其他实施例。因此，本发明不限于公开之特定最佳实施例，亦包括了符合本发明以下权利要求保护范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.手持或轴式气動工具的双速转子，其包括：

-传动轴，包括第一端、第二端及外壁，第一端包括轴孔、外壁上距离第一端的第一位置上的第一套开口、及外壁上距离第一端的第二位置上的第二套开口，轴孔与第一套开口及第二套开口流体互通；

-涡轮转子，包括第一环形腔室，与传动轴的第一套开口流体互通、及第二环形腔室，与传动轴的第二套开口流体互通；及

-控流螺杆，以机械方式接合在传动轴第一端的轴孔内，在距离传动轴第一端的第三位置及距离传动轴第一端的第二位置之间移动，限制或阻止轴孔及传动轴的第二套开口流体互通。

2.如权利要求1所述的双速转子，其特征在于传动轴第一端包括轴孔的内部螺纹，控流螺杆可转动地接合传动轴的内部螺纹，从距离传动轴第一端的第三位置移动到距离传动轴第一端的第二位置，断开传动轴的第二套开口与轴孔之间的流体互通。

3.如权利要求1所述的双速转子，其特征在于控流螺杆包括至少一种螺丝槽头：十字螺丝槽头、内六角螺丝槽头、内六角星螺丝槽头、正方形螺丝槽头、或是以上的组合。

4.如权利要求1所述的双速转子，其涡轮转子进一步包括：外壁及转动的轴心，涡轮转子以机械方式接合传动轴，在传动轴上绕其转动的轴心转动；涡轮转子包括内壁、及至少第一环形腔室及第二环形腔室，以从第一套开口及第二套开口接收高压空气；涡轮转子的第一环形腔室及第二环形腔室各自包括空气通道，空气通道的终端于涡轮转子外壁形成切向的周边喷嘴，切向的周边喷嘴引导加压流体，推动涡轮转子及传动轴转动。

5.如权利要求4所述的双速转子，其特征在于双速转子包括一个转速调速器，位于第一环形腔室及/或第二环形腔室。

6.如权利要求5所述的双速转子，其特征在于转速调速器包括：

-前壁；

-至少一个螺旋形隔壁，从第一环形腔室及第二环形腔室的外部延伸出去；

-阀O形圈，分别设于各环形腔室；

-环形穿孔屏障，分别设于各环形腔室，在阀O形圈外面延伸；及

-后壁。

7.如权利要求6所述的双速转子，其特征在于每个环形穿孔屏障都与双速转子的本体为一个整体。

8.如权利要求4所述的双速转子，其特征在于第每个环形腔室以放射形式延伸出四个弓形腔室。

9.如权利要求6所述的双速转子，其特征在于内壁的前壁及前方内部表面设有凹槽，以嵌置第一环形穿孔屏障；内壁的后壁及后方内部表面也设有凹槽，以嵌置第二环形穿孔屏障。

10.如权利要求6所述的双速转子，其特征在于阀O形圈为弹性橡胶。

11.如权利要求4所述的双速转子，其特征在于内壁包括收窄的中间部分。

12.如权利要求5所述的双速转子，其特征在于阀O形圈以外的转速调速器部分以塑胶制造。

13.如权利要求9所述的双速转子，其特征在于前壁及后壁可释放地连接内壁。

14.如权利要求13所述的双速转子，其特征在于前壁及后壁以摩擦接合方式连接内壁。

15.如权利要求4所述的双速转子，其特征在于与第一环形腔室互通的切向周边喷嘴对齐与第二环形腔室互通的切向周边喷嘴。

16.包括双速转子的机械加工系统，其包括：

-双速转子；

-电脑数值控制机(CNC)；

-自动切换装置；

-安装用环形组件，以固定双速转子；

双速转子包括：

-传动轴，包括第一端、第二端及外壁，第一端包括轴孔、外壁上距离第一端的第一位置上的第一套开口、及外壁上距离第一端的第二位置上的第二套开口，轴孔与第一套开口及第二套开口流体互通；

-涡轮转子，包括第一环形腔室，与传动轴的第一套开口流体互通、及第二环形腔室，与传动轴的第二套开口流体互通；及

-控流螺杆，以机械方式接合在传动轴第一端的轴孔内，在距离传动轴第一端的第三位置及距离传动轴第一端的第二位置之间移动，限制或阻止轴孔及传动轴的第二套开口流体互通。

17.如权利要求16所述的包括双速转子的机械加工系统，其特征在于传动轴第一端包括轴孔的内部螺纹，控流螺杆可转动地接合传动轴的内部螺纹，从距离传动轴第一端的第三位置移动到距离传动轴第一端的第二位置，断开传动轴的第二套开口与轴孔之间的流体互通。

18.如权利要求16所述的包括双速转子的机械加工系统，其特征在于控流螺杆包括至少一种螺丝槽头：十字螺丝槽头、内六角螺丝槽头、内六角星螺丝槽头、正方形螺丝槽头、或是以上的组合。

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