CN111791172B - 一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，它包括动力组件、传动组件和输出组件，使用时，首先将螺栓（15）的一部分螺纹旋入到底座（17）的螺纹孔内，并将输出轴（9）底部与螺栓（15）装配，随后打开电源开关开始拧紧操作，当扭矩传感器监测到输出扭矩数值基本稳定，达到最大输出扭矩，断开电源，拧紧结束。通过将扳手外壳（1）与扭矩传递的整个***分割开，从而使操作者不必承受反作用力。本发明的有益效果是：在工作过程中对操作者的反作用力基本为零，可大幅降低劳动强度，满足人体工程学的要求，加快扭矩扳手无人化、智能化、机器人化的发展进程，具有很高的使用价值。

Description

一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手

技术领域

本发明涉及一种向紧固接合处传递扭矩的手持动力工具。

背景技术

扭矩扳手，用于驱动螺栓或螺钉等带螺纹零件旋转拧紧两个或两个以上零件的一种工具。随着动力来源、结构特点的不同，有各种不同形式的扭矩扳手。从省力原理上可分为两种，一种是采用减速原理的手动增力扳手；另一种是通过设置飞轮等方式抵消反作用力的低反作用力扳手。

现今关于增力扳手的研究包括，中国专利CN208713808U中，针对手动扳手拧紧操作费力的特点，采用增加双排变速齿轮达到减速增力的效果，在使用中仍然需要工人提供拧紧力，专利CN208773421U和CN202114667U采用增大作用力臂达到减小输入力的效果，在使用中同样需要承受较大的反作用力。

在低反作用力扳手的研究方面，专利CN105473285A和US7311027中所述扳手通过在拧紧操作前由马达给飞轮充能，并在拧紧过程中将飞轮动能通过摩擦力传递给输出轴，因此操作中的反作用力不会传递给工人而是被飞轮吸收，这种方式虽然在拧紧螺栓时基本消除了反作用力，但在为飞轮充能过程中存在加速力矩作用于操作人员。专利US2019168362中扳手工作时，将电流以脉冲的形式间歇性地供应给惯性本体，再通过碰撞的方式传递扭矩，碰撞产生的接触力一方面带动输出轴拧紧螺栓，另一方面碰撞反力由惯性本体传递给马达的转子，由于碰撞过程发生在两个电流脉冲之间，此时定子与转子之间无电磁作用力，因此碰撞产生的反作用力不会马上传递给操作人员而是使转子与惯性本体转速降低，为保证扭矩的稳定输出，在下一次脉冲碰撞前应由马达为惯性本体充能，该过程中同样存在加速力矩作用于操作者。

综上，现有的扭矩扳手中，低反作用力扳手在拧紧过程中存在加速力矩作用于操作人员，这是由于马达定子均固定安装在外壳上，在此前提下，当马达转子在电磁力的作用下加速时，定子会受到同等大小的反作用力，而定子被固定安装在扳手的外壳上并由操作者手臂支撑，因此反作用力将由定子传递给操作人员。而大扭矩扳手或增力扳手在工作时损失了空间尺寸和工作速度，且对反作用力仅起到减小的效果，均没有做到在拧紧过程中对操作者基本无反作用力。

反作用力的存在增大了工人的劳动强度，容易造成疲劳，反应迟钝，注意力不集中等负面影响，不符合人体工程学的要求，将直接影响劳动效率、工作质量和安全。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的低反作用力电动扳手工作中存在加速力矩的缺点，提供一种对操作者基本无反作用力的扭矩扳手，可以降低工人的劳动强度，提高劳动效率。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，它包括动力组件、传动组件和输出组件，动力组件包括扭矩扳手的外壳、马达外转子和马达内转子，马达外转子与外壳通过轴承装配。传动组件包括行星轮系、超越离合器，其中行星轮系包括齿圈、行星轮、太阳轮、行星架，齿圈通过连接杆与动力组件中马达外转子相互锁定，太阳轮通过离合器与脉冲器的主动冲击零件连接，离合器结合后，将太阳轮与脉冲器的主动冲击零件锁定。本发明中的脉冲器已申请发明和实用新型专利。输出组件包括脉冲器的主动冲击零件、滚子、活塞和输出轴，拧紧时，通过主动冲击零件撞击安装在输出轴上的滚子产生脉冲扭矩。输出轴上端通过连接杆与马达内转子连接，输出轴下端与行星架连接，输出轴的底端与螺栓装配。

进一步地，太阳轮与脉冲器的主动冲击零件通过超越离合器相连。离合器脱开时，太阳轮与脉冲器的主动冲击零件互不干扰；离合器结合时，太阳轮与脉冲器的主动冲击零件同轴固连。

进一步地，扳手预拧紧工作(将螺栓的螺栓头的下底面与被连接件上平面接触之前的拧紧操作称为预拧紧)中，马达外转子与马达内转子皆不固定，两者反向旋转；预拧紧结束后，马达内转子通过连接杆、输出轴、螺栓与被连接件拧紧，马达内转子基本固定。

进一步地，预拧紧结束后，即当螺栓接触到被连接件的上表面时，马达内转子固定，行星架固定，马达外转子的动能通过行星轮系换向后传递到主动冲击零件，开始脉冲冲击动作，并依靠冲击产生的碰撞力带动脉冲器的输出轴旋转，拧紧螺栓。

进一步地，扳手的拧紧力来源于脉冲器内部冲击产生的碰撞力，扳手的反作用力来源于冲击过后，由马达为主动冲击零件充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺栓与被连接件之间的固定配合承担。

需要说明的是，本发明的扭矩扳手除在螺纹装配尤其是螺栓拧紧上的应用外，还可以应用在多种其他功能的场合，适用于各种旋转输出的工具，比如钻孔工具、铣削工具等。

本发明所述的马达外转子是指在普通状态下的马达定子即用于固定在地面上的马达部分零件，在本发明中由于其在拧紧工作中会产生旋转，因此将马达定子与转子分别称为外转子和内转子；本发明所述的脉冲器是以脉冲的形式将能量间歇性地传递给输出部分以完成特定功能的部件，其特点是通过相对长时间储能后快速释放从而产生较大的输出效果。

本发明具有以下优点：

本发明能够基本消除在螺纹装配中的反作用力，采用该发明工作时首先将待拧紧螺栓的一部分螺纹拧紧到底座螺纹孔内并将扳手的输出轴与螺栓装配，随后打开电源开关，进行拧紧操作，当输出轴上的扭矩传感器接收到扭矩增大信号后，超越离合器结合将太阳轮锁定至脉冲器的主动冲击零件，当扭矩传感器监测到输出扭矩基本稳定后断开电源，拧紧结束。

本发明结构可靠，有效消除螺栓装配中工人受到的反作用力，降低使用者工作强度或减少自动化机械受力，加快扭矩扳手智能化的发展进程，具有较大应用价值。

本发明提供的脉冲器、行星轮系和离合器不受结构特点、工作原理的局限。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的一种脉冲器截面图

图3为本发明的工作状态一示意图

图4为本发明的工作状态二示意图

图5为本发明的工作原理示意图

图中，1－扭矩扳手外壳；2－轴承；3－连接杆；4－行星轮系；5－齿圈；6－行星轮；7－连接杆；8－脉冲器；9－输出轴；10－马达内转子；11－马达外转子；12－太阳轮；13－超越离合器；14－行星架；15－螺栓；16－被连接件；17－底座；18－内部凸起；19－滚子；20－活塞；21－复位弹簧；22－主动冲击零件；23－凸轮轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，本发明提供的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，包括动力组件、传动组件和输出组件，所述动力组件包括扭矩扳手的外壳1、马达外转子11和马达内转子10，马达外转子11与外壳1通过轴承2装配。所述传动组件包括行星轮系4、超越离合器13，其中行星轮系4包括齿圈5、行星轮6、太阳轮12、行星架14，齿圈4通过连接杆3与动力组件中马达外转子11同轴固连，太阳轮12中心加工出通孔，马达内转子10穿过太阳轮12中心通孔与脉冲器8的输出轴9固连，太阳轮22通过超越超越离合器13与脉冲器8的主动冲击零件22连接，超越离合器13结合后，将太阳轮12与脉冲器8的主动冲击零件22锁定。所述输出组件包括脉冲器8的主动冲击零件22和输出轴9，输出轴9底端与螺栓15装配。

如图2、图5所示，所述的一种脉冲器8包括主动冲击零件内部凸起18、滚子19、活塞20、复位弹簧21、主动冲击零件22、凸轮轴23。凸轮轴23通过螺钉锁定在主动冲击零件22内部，滚子20滚动地安装在活塞21的半圆形槽内，在输出轴9上加工出柱形孔，活塞20在柱形孔内滑动，两个活塞之间安装有复位弹簧21。工作时，马达内转子10驱动主动冲击零件22旋转，当内部凸起18与滚子19接触时，两者发生碰撞使滚子19受到冲击力，随后传递给活塞20，并进一步带动输出轴9旋转θ角度拧紧螺栓。碰撞过程中滚子7与活塞6被向内压缩，复位弹簧13用于碰撞之后滚子7和活塞6的复位，保证持续稳定的脉冲冲击，凸轮轴3用于强制复位，目的是防止工作过程中的零件变形导致活塞与滚子无法由弹簧力复位的情况。

本发明的工作过程如下：

如图3所示，工作前，首先将螺栓15的一部分螺纹旋入到底座17的螺纹孔内，打开电源开关后，电机外转子11与内转子10受内部电磁力的作用开始沿相反方向旋转，设此时内转子10为顺时针，外转子11为逆时针。内转子10带动输出轴9开始预拧紧，此过程中输出轴9受到的阻力来源于螺栓15与底座17螺纹连接的摩擦力，可忽略不计，因此转子10、输出轴9、行星架14、主动冲击零件22同步顺时针旋转(外壳内部凸起18被安装在输出轴9上的滚子19推动)。定子11与行星轮系的齿圈5同步逆时针旋转，此时的行星轮系4为差动轮系，太阳轮12以某一转速稳定运转(太阳轮的转速和转向由定子与转子的转速及行星轮系各部件的齿数决定，本专利通过设定上述参数使得预拧紧阶段的太阳轮转向为逆时针)，由于此时主动冲击零件22为顺时针，太阳轮12相对于主动冲击零件22逆时针旋转，因此超越离合器13不结合，太阳轮12与主动冲击零件22互不干扰；

如图4所示，随着输出轴9带动螺栓15继续向下拧紧，直到螺栓15的头部贴合至被连接件16的上表面，由于转子、输出轴、行星架本身的惯性，螺栓将被拧紧一个角度θ，此过程中螺栓上受到的摩擦阻力突然增大，输出轴9转速快速减小为零，并在拧紧角度θ后与被连接件16基本固定，由于行星架14与输出轴9相固连，因此行星架固定，差动轮系演变为定轴轮系，以逆时针方向旋转的定子11经过轮系4换向后，带动太阳轮12以顺时针方向旋转。由于主动冲击零件22此时无其它动力驱动(预拧紧中由安装在输出轴上的滚子驱动)，因此超越离合器13结合，将太阳轮12连接至脉冲器8的冲击外壳22，两者共同以顺时针方向旋转。

如图5所示，螺栓15的头部贴合至被连接件16的上表面之后，路径1上的部件包括内转子10、输出轴9、行星架14、螺栓15，此时超越离合器13结合，外转子11通过路径2锁定至主动冲击零件22。随着内部凸起18与滚子19发生冲击，碰撞产生的接触力带动螺栓进一步拧紧，同时向内压缩复位弹簧21，使内部凸起18越过滚子19继续进行下一次脉冲冲击。随着螺栓15拧紧，当螺栓15与被连接件16上表面之间的摩擦阻力增大到与脉冲器冲击产生的碰撞力基本一致时，碰撞引起的输出轴角位移基本为零，因此在当前工作条件下，之后的脉冲将重复上一次脉冲的碰撞过程，脉冲器开始打滑，输出扭矩基本保持稳定。

工作中，扭矩扳手的拧紧过程可分为脉冲碰撞输出扭矩和补充碰撞损失能量两部分，由于碰撞输出扭矩过程时间极短，因此反作用力主要存在于补充碰撞能量部分。具体地，每次脉冲碰撞结束后外转子11、太阳轮12和主动冲击零件22转速降低，在下一次脉冲碰撞前应由马达内部电磁力为外转子11和主动冲击零件22加速，从而使主动冲击零件22恢复到碰撞前的转速，该阶段称为补充碰撞损失能量阶段，在此阶段，螺栓15受到的反作用力来源于马达为外转子11加速产生的电磁力，显然该电磁反作用力远小于碰撞产生的拧紧力，因此螺栓将始终向着拧紧的方向旋转。本专利中扭矩扳手工作中产生的反作用力由螺栓15与被连接件16之间的固定配合承担。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于它包括动力组件、传动组件和输出组件，动力组件包括扭矩扳手的外壳(1)、马达外转子(11)和马达内转子(10)；传动组件包括行星轮系(4)、超越离合器(13)，其中行星轮系(4)包括齿圈(5)、行星轮(6)、太阳轮(12)、行星架(14)；齿圈(5)通过连接杆(3)与动力组件中马达外转子(11)同轴固连；输出组件包括脉冲器(8)的主动冲击零件(22)、脉冲器(8)的输出轴(9)，输出轴(9)上端通过连接杆(7)与马达内转子(10)同轴固连，输出轴(9)下端与行星架(14)连接，输出轴(9)的底端与螺栓(15)装配；太阳轮(12)通过超越离合器(13)与脉冲器(8)的主动冲击零件(22)连接，超越离合器(13)结合后，将太阳轮(12)与脉冲器(8)的主动冲击零件(22)固连。

2.根据权利要求1所述的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于马达外转子(11)与扭矩扳手的外壳(1)通过轴承(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于当太阳轮(12)相对于主动冲击零件(22)为逆时针方向旋转时，超越离合器脱开，太阳轮(12)与脉冲器(8)的主动冲击零件(22)互不干扰；当太阳轮(12)相对于主动冲击零件(22)为顺时针方向旋转时，超越离合器(13)结合，太阳轮(12)与脉冲器(8)的主动冲击零件(22)同轴固连。

4.根据权利要求1所述的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于扳手拧螺栓时，当螺栓(15)的螺栓头的下底面与被连接件(16)上平面接触前，马达外转子(11)与马达内转子(10)皆不固定，两者反向旋转；预拧紧结束后，马达内转子(10)通过连接杆(7)、输出轴(9)、螺栓(15)与被连接件(16)拧紧，马达内转子(10)基本固定。

5.根据权利要求1所述的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于当螺栓(15)接触到被连接件(16)的上表面时，马达内转子(10)固定，行星架(14)固定，马达外转子(11)的动能通过行星轮系(4)换向后传递到主动冲击零件(22)，开始脉冲冲击动作，并依靠冲击产生的碰撞力带动脉冲器(8)的输出轴(9)旋转，拧紧螺栓(15)。

6.根据权利要求1所述的一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于扳手的拧紧力来源于脉冲器(8)内部冲击产生的碰撞力，扳手的反作用力来源于冲击过后，由马达为主动冲击零件(22)充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺栓(15)与被连接件(16)之间的固定配合承担。

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