CN1796813A - 具有离合器的动力工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构成为尤其用于动力工具(10)的离合器，该离合器包括第一离合器元件(24)和第二离合器元件(30)，它们设置成相对于彼此转动并可在它们之间传输转矩。该离合器包括致动元件(25)，该致动元件用于使第一离合器元件和第二离合器元件相互作用。该致动元件(25)包括纳米管致动器(56)。

Description

具有离合器的动力工具
技术领域
本发明涉及一种离合器，具体涉及一种用于动力工具的离合器，该离合器包括第一离合器元件和第二离合器元件，它们设置成相对于彼此转动，并且可在它们之间传输转矩，此外该离合器还包括用于致动这两个离合器元件中的至少一个的致动元件。
本发明还涉及一种具有所述类型离合器的动力工具。
背景技术
US-5 159 522描述了一种离合器，其包括具有第一盘状离合器元件的驱动轴，驱动轴的转矩可通过摩擦衬片从该第一盘状离合器元件传输至关联的离合器盘，后者与驱动轴相连。该离合器设计为电磁离合器，其中当通过晶体管电路适当地驱动线圈时，由该线圈产生接触压力。
这种离合器可用于许多的操作功能。然而，这种离合器的缺点在于，用于实现足够的转矩传输所需的输入功率相当大。
在现有技术中还已知许多其它的包括各种致动元件的离合器类型。例如在汽车工业中，液压操作离合器已经为人所知许多年了。其它已知的离合器包括例如电动操作离合器，并且当然包括由控制杆等致动的机械操作离合器。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于公开一种离合器，其中可通过易于操作的致动元件使两个共同作用的离合器元件彼此互相作用。这种离合器的功率要求应尽可能低。另外，该离合器应迅速地响应以允许实现甚至特殊的操作功能，例如在达到预定转矩时关掉动力工具的功能。
本发明的另一目的在于提供一种动力工具，其包括设计迅速可靠的电动离合器。
根据本发明，通过将上述类型离合器中的致动元件设计成纳米管致动器(nanotube actuator)而实现该目的。
这样就完全实现了本发明的目的。这是因为使用纳米管致动器作为致动元件，允许离合器以很低的功率输入迅速致动。很低的电压已经足以使该离合器操作。该离合器可以以高精度操作，并且即使在多次致动循环之后的连续操作中也能提供很高的可靠性。该离合器还适于传输在动力工具中尤其会遇到的10Nm或以上量级的高转矩。
从EP 1 277 905 A2已知一种用于使两个部件互锁的装置，这两个部件可以相对于彼此移动。该装置包括由纳米管致动器构成的致动元件。然而，对于该文献本发明并不是显而易见的，因为在锁定装置的情况下所经受的转矩明显低于在动力工具中所经受的转矩。而且，已知的装置需要用于生成所需转矩的传动装置。因此，本领域的技术人员不会考虑将该文献的教导用于设计具体适用于动力工具的离合器。
根据本发明的离合器通常可具有任何期望的结构。例如，它可以构造成盘形离合器、锥形摩擦离合器、牙嵌式离合器、齿轮离合器、爪形离合器或可转换的超越弹簧离合器(overrunning-spring clutch)。该离合器还可设计成用于力锁定动力传输和/或形状锁定(form-locking)动力传输。
根据本发明的另一优选改进，所述致动元件包括碳纳米管致动器。
根据本发明的另一有利改进，所述纳米管致动器包括至少一层，纳米管以优选的定向设置在其中。
在这种情况下，所述纳米管致动器可以包括至少一层单壁或多壁的碳纳米管、或者由其它无机成分(例如BN、MoS2或V2O5)构成的纳米管。
使用所述碳纳米管可产生大大高于先前已知的聚合物和压电致动器的力。该碳纳米管还能以大约1伏的非常低的电源电压进行操作，而聚合物致动器需要70至300伏的电源电压，压电致动器甚至需要高达1000伏的电源电压。此外，在碳纳米管中不会出现过冲状态。
由于具有优选方向的纳米管的定向结构，因此可实现改进的致动特性。
所述纳米管致动器可包括通过CVD(化学气相沉积)工艺构成的、包括纳米管或纳米管纤维的至少一层。
根据本发明的另一优选实施例，所述纳米管致动器包括至少一层在互相平行的板之间外延生长的纳米管。
这使得能够实现特别高容量和高效率的致动器。
然而，基本上同样可以使用堆叠层结构的致动器。
优选地，所述纳米管致动器与其电解液一起被密封地容纳在壳体中，并且电解液体积的任何膨胀都通过膜片转换成至少一个活塞的轴向运动。
由于任何施加的电压都会导致纳米管致动器的轴向和径向膨胀，因此可以通过液压传动将体积的膨胀转换成轴向运动，从而可将例如1％的沿全部三个方向的膨胀转化成大约3％的轴向运动。
所述纳米管致动器还可以包括例如多个环状盘元件，它们彼此堆叠并且串联连接，这可以降低所需的电源电压。所堆叠盘的数量(堆叠高度)取决于使离合器分离所需的位移以及纳米管致动器与膜片作用于其上的活塞表面积之间的液压传动比。
根据本发明的另一有利改进，所述致动器设置成用于使所述两个离合器元件分离，并且用于抵抗偏压力的作用，当所述致动器处于其不工作状态时，通过该偏压力可实现所述离合器元件的主动(active)接合。
这提供的优点在于，在离合器的接合状态下，该动力传输不受纳米管致动器的影响，而受到例如由适当大小的弹簧所提供的偏压力的影响。
根据本发明的动力工具包括驱动轴和输出轴，且在它们之间设有根据本发明的所述类型的离合器以用于动力传输。在这种情况下，将致动器设计成用于使离合器元件相对于彼此进行轴向运动，并用于抵抗作用在离合器元件之间的回复力。
优选地，所述离合器元件通过回复力被推入接合位置，所述致动器设计成使得所述两个离合器元件之间的相对运动进入分离位置，在该位置这两个离合器元件之间的动力传输中断。
这提供的优点在于，仅需要致动纳米管致动器以中断这两个离合器元件之间的相互作用。
根据本发明的另一有利改进，可通过滑动接触连接向所述致动器施加电压。
所述离合器可以构成为例如盘形离合器，其具有至少一个包括用于动力传输的摩擦衬片的离合器元件。
根据本发明的动力工具的另一有利改进，所述输出轴的一端可转动地座靠在所述驱动轴上，并包括第一离合器元件和关联的第二离合器元件，该第二离合器元件与驱动轴连接以与其一起转动，并且可通过纳米管致动器轴向移动，用于使所述两个离合器元件分离以将它们移动至断开位置。
这就保证了简单、紧凑且可靠的结构。
基本上，当然同样可以进行相反的作用，在这种情况下通过施加电压而使纳米管致动器致动，会使得离合器接合。
可以理解的是，本发明的上述特征和将在下文说明的特征，不仅可以以示出的各种组合进行使用，还可以以其它组合进行使用或单独使用。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在以下参照附图对本发明优选实施例的描述中更加明显。
图1表示根据本发明的电动工具的简图，该电动工具具有根据本发明的离合器。
具体实施方式
附图表示根据本发明的动力工具的简图，该动力工具大体上由附图标记10表示。所示的工具例如可以是螺旋操作件(screw runner)，其设有大体上由附图标记23表示的转矩控制电动离合器。该螺旋操作件例如可用于以精确的转矩拧紧螺纹连接。为此，可设置转矩感测器(未示出)，用于在达到预定转矩时致动离合器23，从而中断转矩的传输。
根据本发明的电动工具10包括驱动轴12，其通过由附图标记20示意性表示的电机驱动，必要时通过传动装置驱动。驱动轴12的旋转运动可通过离合器23传输至输出轴14，在该输出轴14上可安装一工具，为此在图中示意性地显示出工具夹持器16。
输出轴14的工具端部座靠在轴承18中，同时其面向驱动轴12的端部与凸缘22连接，用于与凸缘22一起转动。离合器23的筒形第一离合器元件24通过螺纹连接与凸缘22连接。与驱动轴12相连以与其一起转动的第二离合器元件30，座靠在驱动轴12的面向输出轴14的部分上，用于轴向移动。同样，第二离合器元件30具有凸缘的形状，并被引导以在驱动轴12的表面上轴向移动。
为了实现用于与驱动轴12一起转动的连接，设有容纳在驱动轴12上的滑键36，该滑键可滑动地接合在第二离合器元件30内的容纳槽38中。第二离合器元件30包括盘状摩擦衬片32，该摩擦衬片与第一离合器元件的关联摩擦衬片26共同作用，以允许两个离合器元件24、30之间的力锁定动力传输。
第一离合器元件24的中心孔抵靠在第二离合器元件30的柱形部分的外表面上，从而被可转动地引导。衬套28安装在驱动轴12的远离输出轴14并与之相对的端部上。在衬套28与第二离合器元件30面向其的端面之间设有弹簧元件34，通过该弹簧元件将第二离合器元件30朝向第一离合器元件24的摩擦表面26偏压。如图中所示，弹簧元件34例如可采取螺旋弹簧的形式，或者盘簧的形式等。弹簧元件34用于推动第二离合器元件30的摩擦表面32以抵靠第一离合器元件24的共同作用摩擦表面26，从而由弹簧元件34的强度预先确定传输转矩所需的接触压力。
离合器23包括大体上由附图标记25表示的致动元件，在根据本发明的实施例中，该致动元件包括纳米管致动器56。纳米管致动器56与电解液一起可密封地容纳在壳体54中，该壳体同轴地封装驱动轴12的远离输出轴14朝向的部分。
在施加电压时，纳米管致动器56沿全部三个方向膨胀，从而使电解液移动，该电解液由在其面向离合器侧的密封件(膜片52)密封。膜片52与三个活塞44接触，该活塞44的轴向移动传递至轴承座42。容纳在该轴承座中的轴承40将所述运动转换成第二离合器元件30沿与弹簧元件34的作用相反的方向的轴向移动。因此，纳米管致动器56的膨胀使得第二离合器元件30沿分离方向轴向移动，从而摩擦元件32与关联的摩擦表面26之间的相互作用中断，从而离合器23分离。
通过电解液的液压传动具有这样的效果，即，将纳米管致动器56的体积沿全部三个空间方向的膨胀转换成轴向运动。
用于纳米管致动器56的壳体54在驱动轴12的远离输出轴14朝向的一侧支撑在轴承62上，并包括用于容纳纳米管致动器56的环状空间。纳米管致动器56包括碳纳米管，其通过CVD工艺在两个端板58、60之间以定向布置外延生长，或者如上所述，包括呈环状盘形式的堆叠的碳纳米管。电解液可形成为卤化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、磷酸二氢盐、磷酸氢盐、卤化盐、过卤化盐、氢氧化物、醋酸盐、草酸盐(olaxate)的碱金属、碱土金属、铝和金属盐的溶液，或它们的酸或混合物的溶液。
例如，可以使用Na2SO4或Na2HPO4或Na2PO4或KCl的水溶液，且浓度例如可以在0.1mol和1mol之间变化。例如使用1mol的KCl和1mol的Na2SO4可获得最高的力。
在远离轴承62朝向的一侧上，纳米管致动器56由密封件52朝向外部密封，该密封件52用作三个关联活塞44上的膜片。壳体54拧在容纳有活塞44的盖50上，且密封件52放置在这两个元件之间。例如可设有三个活塞40，它们以120°的均匀角度间隔设置，且与驱动轴12的纵向轴线轴向平行，并从该轴线向外径向分开。在图的上半部可看见活塞44，而在图的下部示意性地显示了另一活塞46。活塞44、46容纳在盖50的轴向孔中以纵向移动，并分别支撑在纳米管致动器56或密封件(膜片)52的端面上。
活塞44通过O型环密封件48而相对于它们在盖50中的容纳孔被密封。因此，通常可实现壳体54中的纳米管致动器与盖50朝向外部的完全密封。纳米管致动器56的板58、60可适当地通过滑动触点(未示出)连接在外部电压源上，以允许纳米管致动器的致动。
活塞44、46将电压引起的移动传递给轴承座42的端面，在该轴承座中，第二离合器元件30座靠在设计为滚珠轴承的轴承40中。
因此，活塞44、46的轴向移动直接转换成第二离合器元件30的分离运动。
由于纳米管致动器56即使对于1伏量级的微电压脉冲也非常迅速地响应，因此可以确保离合器23特别精确和迅速的响应，从而产生离合器23的分离或接合运动。

Claims (18)

1、一种离合器，尤其是用于动力工具(10)的离合器，其包括第一离合器元件(24)和第二离合器元件(30)，它们设置成相对于彼此转动并可以在它们之间传输转矩，该离合器还包括用于所述两个离合器元件(24，30)中的至少一个的致动元件(25)，其特征在于，所述致动元件(25)包括纳米管致动器(56)。
2、根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述离合器(23，30)构造成盘形离合器、锥形摩擦离合器、牙嵌式离合器、齿轮离合器、爪形离合器或可转换的超越弹簧离合器。
3、根据权利要求1或2所述的离合器，其特征在于，所述离合器元件(24，30)设计成用于力锁定动力传输。
4、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述离合器元件设计成用于形状锁定动力传输。
5、根据权利要求1或2所述的离合器，其特征在于，所述致动元件(25)包括碳纳米管致动器(56)。
6、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器(56)包括至少一层，纳米管以优选的定向设置在其中。
7、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器(56)包括至少一层单壁或多壁的碳纳米管、或者由其它无机成分，例如BN、MoS2或V2O5构成的纳米管。
8、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器(56)包括至少一层在互相平行的板(58，60)之间外延生长的纳米管。
9、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器(56)包括通过CVD工艺构成的、包括纳米管或纳米管纤维的至少一层。
10、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器与电解液一起被密封地容纳在壳体(54)中，并且电解液体积的任何膨胀都通过膜片(52)转换成至少一个活塞(44)的轴向运动。
11、根据前述任一项权利要求所述的离合器，其特征在于，所述纳米管致动器(56)设置成用于使所述两个离合器元件(24，30)分离，并且用于抵抗偏压力的作用，当所述纳米管致动器(56)处于其不工作状态时，通过该偏压力实现所述离合器元件(24，30)的主动接合。
12、根据权利要求11所述的离合器，其特征在于，所述第一离合器元件(24)和第二离合器元件(30)由弹簧元件(34)推动至相对于彼此接合的位置，在该位置实现所述离合器元件之间的动力传输。
13、一种动力工具，其包括根据前述任一项权利要求所述的离合器(23)。
14、根据权利要求13所述的动力工具，其特征在于，包括驱动轴(12)和输出轴(14)，在它们之间设有根据权利要求1至11中任一项所述的离器(23)以用于动力传输，所述纳米管致动器(56)设计成用于使离合器元件(24，30)相对于彼此进行轴向运动，并用于抵抗作用在离合器元件(24，30)之间的回复力。
15、根据权利要求13所述的动力工具，其特征在于，所述离合器元件(24，30)通过回复力被推入接合位置，所述致动器(56)设计成使得所述两个离合器元件(24，30)相对于彼此运动至分离位置，在该位置两个离合器元件(24，30)之间的动力传输中断。
16、根据权利要求13、14或15所述的动力工具，其特征在于，可以通过滑动接触连接向所述致动器(56)施加电压。
17、根据权利要求13至16中任一项所述的动力工具，其特征在于，所述离合器(23)可设计成盘形离合器，其具有包括用于动力传输的摩擦衬片(32)的离合器元件(24，30)中的至少一个离合器元件(24)。
18、根据权利要求14至17中任一项所述的动力工具，其特征在于，所述输出轴(14)的一端可转动地座靠在驱动轴(12)上，并包括第一离合器元件(24)和关联的第二离合器元件(30)，该第二离合器元件与驱动轴(12)连接并与其一起转动，所述第二离合器元件可通过纳米管致动器(56)轴向移动，用于使所述两个离合器元件(24，30)分离以将它们移动至断开位置。
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