CN102935637B - 变速工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速工具，包括：机壳；马达，设置在机壳内，并输出旋转动力；输出轴；齿轮传动机构，设置在马达和输出轴之间以将马达的旋转输出传递到输出轴上，其包括至少一组齿轮系和一移动件，移动件可在第一位置和第二位置间移动，且在第一位置和第二位置时，移动件与齿轮系以不同的方式配合，从而齿轮传动机构以不同的减速比输出马达的转速；控制***，包括电子控制单元和与移动件配合的驱动装置，电子控制单元用于检测表征输出轴负载的参数，在所述参数达到预定值后，控制驱动装置驱动移动件从第一位置运动到第二位置，并且调整马达的转速。本发明的变速工具可以解决自动换档过程中产生的打齿问题，提高了工具的使用寿命。

Description

变速工具

本申请是申请人于2007年8月29日申请的发明名称为“变速工具及其变速控制方法”，申请号为200710131762.5的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种变速工具,尤其是一种由电机驱动的带变速传动机构可输出不同转速的工具，如电钻、螺丝批和锤钻等，本发明还涉及该类变速工具的变速控制方法。

背景技术

一种变速工具，如电钻、螺丝批和锤钻等，带有变速传动机构可输出不同的转速以适应不同的负载扭矩。变速工具的变速传动机构通常都包括连接电机和输出轴的齿轮传动机构和控制***，该控制***通过改变与齿轮传动机构的啮合关系从而改变传动比，使得输出轴输出不同的速度。在现有技术中，美国专利6431289号中介绍到，将行星齿轮机构内的两个内齿圈分别沿轴向可前后移动地设置，从壳体外部用操作部件切换各内齿圈的位置，借此，通过将行星齿轮与行星架一体旋转及单独旋转组合在一起，可选择三种输出轴的旋转速度。但是这种人工操作方法使得操作者不得不时刻关注工具的工作状态、负载变化情况并判断什么时刻应该调节控制***。这种人工操作对操作者并不友善。并且当操作者控制操作部件轴向移动内齿圈进而来实现行星架与外壳的止转装置卡接的时候，很容易造成内齿圈与外壳止转装置之间的打齿，这样不仅容易造成换档失效，而且会导致变速机构的寿命缩短，影响整个工具的使用寿命。

又如美国专利公告第6824491号揭示的自动变速机构，其控制***可根据负载扭矩变化自动调整与齿轮传动机构的啮合关系实现不同速度的输出，该控制***利用带凸轮面的推环旋转推动滑环轴向移动，进而驱动齿轮传动机构中的内齿圈轴向移动与设置在外壳上的止转装置卡接。欧洲专利申请公开第EP0787931A1也公开了一种自动变速机构。上述这些自动变速机构均以机械结构之间的位置关系变化对应输出扭力的变化来实现自动换档，这种机械式变速机构不仅使得齿轮传动机构内部的机械构造更为复杂，而且由于内齿圈在轴向移动的同时也在转动，而外壳是相对固定的，所以当该变速机构在变速的时候，转动中的内齿圈的齿与外壳上的止转装置的齿会相互碰撞而很难啮合，因此无法真正实现自动换档及进行产业化实施的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种变速工具，该工具通过机电结合的手段来简化结构，并实现在不同的输出档位之间作自动切换的目的。

本发明所要解决的另一个技术问题是：保证自动切换档位的过程稳定顺畅，避免产生“打齿”现象，从而延长工具使用寿命。

本发明所要解决的再一个技术问题是：提供一种变速工具的变速控制方法，该方法可以使变速工具依其输出轴扭矩负载变化自动变换不同的输出档位。

本发明的技术方案是：一种变速工具，包括电源，电机，输出轴，连接电机和输出轴的齿轮传动机构，其中齿轮传动机构包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位，所述变速工具还包括一控制***，该控制***包括控制单元及驱动装置，所述控制单元可控制驱动装置进行自动换档。

本发明的另一技术方案是：一种变速工具，包括电源，电机，输出轴，连接电机和输出轴的齿轮传动机构，其中齿轮传动机构包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位，所述变速工具还包括一控制***，控制***包括控制单元、功能开关及驱动装置，所述变速工具有手动与自动两种控制模式，其中手动模式时，功能开关为断开状态；自动模式时，功能开关为闭合状态，此时控制单元可控制驱动装置进行自动换档。

本发明的再一技术方案是：一种变速工具，包括电源，电机，输出轴，连接电机和输出轴的齿轮传动机构，其中齿轮传动机构包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位，所述变速工具还包括控制***，该控制***包括控制单元及驱动装置，当变速工具需要换档时，控制单元先调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，再控制驱动装置实现自动换档。

本发明的变速控制方法是用以控制所述的变速工具在第一输出转速与第二输出转速之间作变速，所述的变速工具包括电机、输出轴、连接电机和输出轴的齿轮传动机构、以及控制***，其中齿轮传动机构包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位，控制***包括一控制单元及一驱动装置，所述的变速控制方法包括以下步骤：

1)负载扭矩检测步骤：所述控制***检测变速工具电路参数，判断输出轴的负载扭矩变化；

2)自动换档步骤：控制驱动装置的移动件移动至另一档位。

附图说明

下面以电钻中的变速机构为例结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明变速工具的局部剖视图。

图2是图1中的驱动装置的局部放大示意图。

图3a是本发明变速工具处于高速档位时的齿轮传动机构剖视图。

图3b是本发明变速工具处于低速档位时的齿轮传动机构剖视图。

图4a是本发明变速工具的驱动装置另一实施例的局部剖视图。

图4b是图4中的驱动装置的局部放大示意图。

图5是本发明变速工具的控制***原理方框图。

图6是本发明变速工具控制***中控制单元第一实施例的原理方框图。

图7是本发明变速工具控制***中控制单元第二实施例的原理方框图。

图8是本发明变速工具控制***中控制单元第三实施例的原理方框图。

其中：

1、电源10、电器开关11、场效应管

12、离合器2、电机3、控制单元

30、处理器31、速度调制电路32、负载检测电路

33、驱动装置控制电路34、档位信号反馈电路35、信号发生器

36、功能开关453、环形槽9、变速工具

13、主开关40、第一行星轮4、齿轮传动机构

41、第一行星架42、第二行星轮43、第二行星架

44、止转装置441、内齿5、驱动装置

45、移动件451、内齿452、端齿

51、传动件512、推杆513、钢丝套

52、驱动件521、永磁铁522、线圈

523、铁芯524、凹槽515、螺杆

525、伺服电机6、输出轴8、控制***

具体实施方式

参照图1至图3b所示，是本发明变速工具控制***的驱动装置第一实施例的结构示意图。一种变速工具9，包括电机2、电机供电电源1，启动/停止电机的主开关13、输出轴6以及齿轮传动机构4。齿轮传动机构4包括由第一行星轮40与第一行星架组成的第一行星齿轮组、由第二行星轮42及第二行星架43组成的第二行星齿轮组，固定设置于工具壳体上的止转装置44以及可轴向移动的移动件45。驱动装置5设置于齿轮传动机构4上，包括驱动件52及传动件51，本实施例的驱动件是采用一电磁铁装置，包括两个间隔一定距离的永磁铁521、设置于永磁铁中间的铁芯523及线圈522，其中铁芯523上设有一凹槽524。传动件为一弧形推杆512及与该弧形推杆512配接的钢丝套513。所述推杆512具有设置于凹槽524内的配接部。所述移动件45是一具有内齿451及端齿452的调速环，其上设置容纳钢丝套513的环形槽453。

当电磁铁通电时，线圈铁芯523将产生磁性而与两个永磁铁521的其中一个发生吸引。如果电磁铁的电流反向接通时，铁芯523则会与另一个永磁铁521产生吸引，从而带动推杆512、钢丝套513及调速环一起移动。如图3a所示的高速档状态，此时铁芯523被其中一个永磁铁521吸引，相应的，调速环的内齿451同时与第一行星架41及第二行星轮42啮合，此时齿轮传动机构4的输出转速较高；如图3b所示的低速档状态，此时铁芯523被另一个永磁铁521吸引，相应的，调速环的内齿451与第二轮42啮合，同时其端齿452与工具壳体上的止转装置44啮合，此时齿轮传动机构4的输出转速较低。

参照图4a及图4b所示，是本发明变速工具控制***的驱动装置第二实施例的结构示意图。在前面所述的驱动装置第一实施例中采用的电磁铁装置，其目的是通过控制电磁铁的电流方向来改变极性，来驱动调速环在高低速档位间移动。而本实施例中，改用一伺服电机525来作为驱动件，用一个螺杆515、带内螺纹的推杆512及钢丝套513来作为传动件51，通过伺服电机525的正反转来驱动推杆512在螺杆515上的移动，从而带动调速环一起移动，实现高低速档位的啮合。

请进一步参照图5，是本发明变速工具的控制***原理方框图。所述控制***8包括一控制单元3及驱动装置5。其中控制单元3包括处理器30及相关输入/输出电路。一信号发生器35与处理器相连接，而于变速工具主电路电源1与处理器30之间设置有功能开关36。驱动装置5由处理器30输出的控制信号所控制，以便执行自动换档动作，同时，驱动装置会将档位信号反馈给处理器30。在变速工具操作过程中，根据操作者的习惯或者应用场合的实际需要，操作者可以选择将功能开关36闭合，从而启动控制***8的自动换档控制功能，换言之，该功能开关36提供了变速工具9手动模式与自动模式之间的切换功能。如果操作仅需要其中某一个档位功能时，则可断开功能开关36，用手动模式对变速工具进行换档操作。

当变速工具9处于自动模式时，控制***8的处理器30检测变速工具的物理参数的变化，与预设值进行比较，判断是否需要开始执行自动换档。本领域技术人员也可用处理器外接运放电路来代替处理器30进行比较运算。这里所述的物理参数，可以是电气参数，比如电机电流、电压，也可以是其他参数，比如电机或输出轴转速、机械零件的应力、扭矩等。在某些使用场合，操作者或许希望能够在自动模式下仍然可以自行决定换档的时间点，也可通过信号发生器35手动输入一个控制信号，使控制***即时实现自动换档。

在自动换档过程中，控制单元3发出控制信号给驱动装置5，驱动装置5中的驱动件52带动传动件51移动，进而将齿轮传动机构4中的移动件45从高速档位移动至低速档位。此过程中，如果电机2仍在给齿轮传动机构4传递扭矩，即移动件45仍具有一定的转速，而移动之后需要与静止的止转装置44啮合(参图3b)，就会造成移动件45与止转装置44之间发生打齿而无法顺利啮合的问题。本发明为解决这个问题提出了三种解决方案，以下分别进行说明。

参照图6，是本发明变速工具控制***的控制单元第一实施例原理方框图。其中控制单元3包括处理器30、速度调制电路31、负载检测电路32、驱动装置控制电路33及档位信号反馈电路34。在变速工具9的主电路中，电源与电机之间进一步设置一电器开关10(比如场效应管、可控硅或继电器等)，该电器开关10由速度调制电路31控制通断状态。

当变速工具开机时，处理器30控制电器开关10滞后一段时间(如0.1s)再导通，在此段时间内，首先发出指令给驱动装置控制电路33，给电磁铁反向通电，将驱动装置5复位至高速档位状态。然后电源1供电让电机2启动并处于高速档正常运行。此时输出轴6带动工作头(未图示)开始进行钻孔加工。负载检测电路32以特定频率采集电机的负载电流，处理器30则将负载检测电路32所采集到的电机负载值与预设电流值进行比较。如果电机负载电流出现长时间超出预设电流值的情况，则说明工作头负载大，工具需要换至低速档大扭矩输出状态。此时处理器30先发送指令给速度调制电路31，控制电器开关10切断电源令电机停转，电机电流变为零。此时调速环的速度也会降低至零转速。

之后，处理器发出指令给驱动装置控制电路33，使驱动装置5的电磁铁反向通电，铁芯523带动调速环发生移动，从而实现高速档位向低速档位的转换。因为在换档之前，调速环的转速已经为零，在其档位转换至低速档过程中，其端齿452与止转装置44的内齿441均为静止状态，因此可以很顺利的进入啮合位置，而避免打齿问题的发生。

控制单元3中的档位信号反馈电路34在检测到电磁铁的铁芯523与另一个永磁铁521接触时(本领域技术人员也可以设计成检测调速环与齿轮组件之间的啮合位置关系)，则代表调速环已经成功移动至低速档位，处理器则发出指令给速度调制电路31，使电器开关10导通，电源1恢复给电机2供电，电机进入低速大扭矩输出工作状态。

需要说明的是，变速工具在高速正常运行过程中，往往因某些特殊情况出现电机负载电流短时大负载值出现，为了防止换档动作误启动的情况，可以通过设定处理器的程序来解决，只有当负载检测电路所采集到的电机电流超出预设值一定的时间(比如设计时间为0.5s)时，才开始执行换档控制。当然，也可直接将功能开关36切断来直接选择手动模式，避免不希望自动换档时误启动换档动作。而预设的电流值则根据工具的高速档极限工作电流值来决定，在本实施例中以30安培为预设值。另外，如果操作者希望在某个时刻启动自动换档，即便是电机负载电流还没有超出预设值，也可通过处理器30上的信号发生器35来输入一个控制信号，从而即时开始执行自动换档动作。进一步的，处理器也可以设计成具有学习功能，即，记录操作者每次通过信号发生器输入控制信号时的电机负载电流，作为设定***预设值的参考。

上述在自动换档之前控制单元3控制电器开关10让电机2短时停机只是其中一种实施方式。在通常情况下，电机2的转速如果降低至很小的程度时，换档过程中调速环与止转装置44的啮合同样不会出现打齿的问题。参照图7所示，是本发明变速工具控制***的控制单元第二实施例。在变速工具9的主电路中，电源与电机之间的电器开关10用场效应管11来代替，在需要进行自动换档时，速度调制电路31通过控制场效应管11来提供电机相应的工作电压，以达到降低电机转速的目的，从而使调速环与止转装置44的速度相互匹配，防止打齿现象的发生。这里所指的速度相互匹配是指调速环与止转装置44的相对速度达到一个可以使二者顺利进入啮合位置的范围。

同样，如图8所示，是本发明变速工具控制***的控制单元第三实施例。在电机2与齿轮传动机构4之间设置一离合器12，速度调制电路31控制该离合器12降低电机2传递至齿轮传动机构4的扭矩，也可以实现速度调制的目的，即在调速环移动至与止转装置44啮合的位置之前，降低调速环的转速，以防止啮合过程中出现打齿的问题。

综合上述几种速度调制的实施例，可以看出本发明精神主要在于：控制单元3在检测到电机2负载长时间超出预设值时，通过速度调制电路31对移动件与齿轮组件进行速度调制，在二者的相对速度相互匹配时，再进入下一档位啮合状态，或者说，控制单元先调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，再控制驱动装置实现自动换档，从而有效避免自动换档过程中的打齿问题。

另外值得一提的是，在自动换档动作结束后，电源1恢复给电机2供电，电机2从极低转速甚至是零转速状态瞬时进入低转速大扭矩输出状态，会给操作者造成一个很大的启动扭矩，如果操作者握持不紧，甚至会导致工具从操作者手中松脱而造成危险。为解决此问题，可以通过控制场效应管11(参图7)来实现电机2的软启动。具体而言，在自动换档结束后，恢复电机2供电时，控制单元3在一个设定的时间段内(比如0.6s)，通过定频调宽或定宽调频等方式来控制场效应管，来逐渐增加电机2的负载电压，缓慢恢复电机2至工作电压，从而避免换档后瞬间启动电机给操作者带来的冲击感觉。

应用以上所揭示的结构，本发明的变速工具的变速控制方法是，提供一种变速工具包括电源1、电机2、输出轴6、连接电机和输出轴的齿轮传动机构4，以及控制***8，其中齿轮传动机构4包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位；控制***8由控制单元3及驱动装置5组成，这种变速控制方法包括：

1)负载扭矩检测步骤：所述控制***检测变速工具物理参数，比如检测电机2负载电流、电压或输出轴转速，判断变速工具的工作状态；

2)自动换档步骤：控制齿轮传动机构的移动件移动至另一档位。

所述负载扭矩检测与自动换档步骤之间进一步包括一速度调制步骤，当所述输出轴的负载扭矩变化到预定值时，所述控制单元调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，使移动件与齿轮组件的转速相互匹配，即调速环与止转装置44的相对速度达到一个可以使二者顺利进入啮合位置的范围。

所述速度调制步骤中，通过降低电机的输入电压来降低电机传递给齿轮传动机构的扭矩。

在自动换档步骤之后，进一步包括移动件档位检测步骤，以确认移动件已经移动至另一挡位。

在速度调制步骤之后，还包括一电机软启动步骤，控制***在预设的时间范围内逐步加大电机的输入电压，使电机恢复扭矩输出。

本发明中的齿轮传动机构及其移动件不局限于本实施例揭示的结构，特别是不局限于本实施例中高速挡和低速档时的齿轮啮合关系，在现有技术中的齿轮传动机构各种各样，如美国专利公告第6796921号揭示了多种齿轮传动机构，其高速档和低速档时的啮合关系各不相同，但本领域普通技术人员很容易根据本发明的发明构思将各种齿轮传动机构应用于本发明。

Claims (14)

1.一种变速工具，其特征在于：该工具包括：

机壳；

马达，设置在机壳内，并输出旋转动力；

输出轴；

齿轮传动机构，设置在马达和输出轴之间以将马达的旋转输出传递到输出轴上，其包括至少一组齿轮系和一移动件，所述移动件可在第一位置和第二位置间移动，且在第一位置和第二位置时，所述移动件与所述齿轮系以不同的方式配合，从而齿轮传动机构以不同的减速比输出马达的转速；

控制***，包括电子控制单元和与移动件配合的驱动装置，所述电子控制单元用于检测表征输出轴负载的参数，

在所述参数达到预定值后保持或者超过预定值的时间达到预设时间长度，控制驱动装置驱动所述移动件从第一位置运动到第二位置，并且调整马达的转速。

2.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：在第一位置时，齿轮传动机构以低减速比输出马达的转速；在第二位置时，齿轮传动机构以高减速比输出马达的转速。

3.根据权利要求2所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元调整马达的转速包括降低马达的转速。

4.根据权利要求3所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元调整马达的转速包括将马达的转速降低至零。

5.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元先调整马达的转速，然后控制驱动装置驱动所述移动件从第一位置运动到第二位置。

6.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述齿轮系包括行星轮系，所述行星轮系包括若干行星轮、以及用于支撑行星轮的行星架。

7.根据权利要求6所述的变速工具，其特征在于：所述移动件包括内齿圈，在第一位置时，所述内齿圈同时与所述行星轮和行星架啮合，齿轮传动机构以低减速比输出马达的转速；在第二位置时，所述内齿圈仅与所述行星轮啮合，齿轮传动机构以高减速比输出马达的转速。

8.根据权利要求7所述的变速工具，其特征在于：所述齿轮传动机构包括相对于机壳固定设置的止转装置，在第二位置时，所述移动件与所述止转装置配合而与机壳保持相对固定。

9.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述驱动装置包括电磁铁装置，所述电磁铁装置具有与移动件相对固定配合的推杆；所述电子控制单元用于在所述参数达到预定值后，给所述电磁铁装置施加电流而促使所述推杆线性移动，从而驱动所述移动件从第一位置运动到第二位置。

10.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述表征输出轴负载的参数为马达的电流值。

11.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元还包括位置信号反馈电路，用于在移动件运动到第二位置时确认其已到达。

12.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元还包括速度调制电路，该电路包括场效应管，其用于输出脉宽调制信号来调节马达的转速。

13.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元还包括速度调制电路，该电路包括场效应管；所述场效应管用于在马达的转速降低至零后，通过脉宽调制信号来逐步加大马达的输入电压。

14.根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于：所述电子控制单元包括处理器。