CN111791174B - 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，首先将螺钉（27）的一部分螺纹旋入到工件（28）的螺纹孔内，并将扳手与螺栓（15）装配，随后打开电源开关开始拧紧操作。本发明通过将扳手外壳（2）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

本发明涉及一种电动的扭矩传递手持动力工具。

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，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、手柄、电机外转子和电机内转子，电机外转子与外壳通过电机轴承装配。传动组件包括行星轮系、联接套筒、楔块式超越离合器，行星轮系包括齿圈、行星轮、太阳轮、前行星架、后行星架，行星轮与前行星架、后行星架连接，楔块式超越离合器包括楔块式超越离合器外圈、楔块式超越离合器内圈，前行星架与电机内转子通过键连接，齿圈与电机外转子同轴固连，后行星架与联接套筒一端通过键连接，联接套筒另一端与楔块式超越离合器外圈通过键连接。输出组件包括脉冲器、输出轴轴承、四方轴，脉冲器包括安装壳体、冲击壳体、滚子、活塞、凸轮轴、输出轴，冲击壳体与太阳轮通过键连接，输出轴与楔块式超越离合器内圈通过键连接，输出轴末端方轴与四方轴方孔装配，本发明中的脉冲器已申请发明和实用新型专利。。

进一步地，电机内转子连接前行星架、后行星架、联接套筒和输出轴通过楔块式超越离合器接合。当电机内转子相对于输出轴为逆时针方向旋转时，楔块式超越离合器脱开，电机内转子与输出轴旋转互不干扰；当电机内转子相对于输出轴为顺时针方向旋转时，楔块式超越离合器结合，电机内转子与输出轴同轴固连。

进一步地，扳手预拧紧工作（将螺钉的下底面与工件上平面接触之前的拧紧操作称为预拧紧）中，电机外转子与电机内转子皆不固定，两者反向旋转；预拧紧结束后，即当螺钉接触到工件的上表面时，输出轴固定，楔块式超越离合器结合，电机内转子、前行星架、后行星架固定，差动轮系演变为定轴轮系，电机变为单一输出。

进一步地，预拧紧结束后，电机外转子的动能通过行星轮系换向后传递到冲击壳体，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，拧紧螺钉。

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，由电机为冲击壳体充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺钉与工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钉拧紧上的应用外，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。

本发明所述的电机外转子是指在普通状态下的电机定子即用于固定在地面上的电机部分零件，在本发明中由于其在拧紧工作中会产生旋转，因此将电机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图

图2为本发明去除部分壳体后的内视图

图3为本发明的整体结构剖面图

图4为本发明的脉冲器剖面图

图5为本发明的传动路线图

1-四方轴；2-外壳；3-前端轴承；4-联接套筒；5-安装壳体；6-滚子；7-冲击壳体；8-行星轮；9-齿圈；10-前行星架；11-电机轴承；12-外转子；13-楔块式超越离合器外圈；14-楔块式超越离合器内圈；15-输出轴轴承；16-脉冲器轴承；17-输出轴；18-活塞；19-凸轮轴；20-后行星架；21-太阳轮；22-内转子；23-手柄；24-脉冲器；25-行星轮系；26-楔块式超越离合器；27-螺钉；28-工件。

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1-3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2、手柄23、电机外转子12和电机内转子22，电机外转子12与外壳2通过电机轴承11装配。所述传动组件包括行星轮系25、联接套筒4、楔块式超越离合器26，行星轮系25包括齿圈9、行星轮8、太阳轮21、前行星架10、后行星架20，行星轮8与前行星架10、后行星架20连接，楔块式超越离合器26包括楔块式超越离合器外圈13、楔块式超越离合器内圈14，前行星架10与电机内转子22通过键连接，齿圈9与电机外转子12同轴固连，后行星架20与联接套筒4一端通过键连接，联接套筒4另一端与楔块式超越离合器外圈13通过键连接。所述输出组件包括脉冲器24、输出轴轴承15、四方轴1，脉冲器24包括安装壳体5、冲击壳体7、滚子6、活塞18、凸轮轴19、输出轴17，冲击壳体7与太阳轮21通过键连接，输出轴17与楔块式超越离合器内圈14通过键连接，输出轴17末端方轴与四方轴1方孔装配。

如图4所示，脉冲器24的滚子6滚动地安装在活塞18的半圆形槽内，在输出轴17上加工出柱形孔，活塞18在柱形孔内滑动，太阳轮带动脉冲器24的冲击壳体7快速转动，当内部凸起与滚子6接触时，两者发生碰撞使滚子6受到冲击力，随后传递给活塞18，并进一步带动输出轴17旋转θ角度拧紧螺栓。碰撞过程中滚子6与活塞18被向内压缩，活塞18之间的复位弹簧用于碰撞之后滚子6和活塞18的复位，保证持续稳定的脉冲冲击，凸轮轴19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5所示，工作前，首先将螺钉27的一部分螺纹旋入到工件28的螺纹孔内，打开电源开关后，电机外转子12与内转子22受内部电磁力的作用开始沿相反方向旋转，设此时内转子22为顺时针，外转子12为逆时针，外转子12带动齿圈9逆时针旋转，内转子22带动前行星架10、后行星架20、行星轮21、联接套筒4同步顺时针旋转，行星轮系25为差动轮系，动力合成后太阳轮21顺时针旋转，带动脉冲器24的冲击壳体7旋转，由于在螺钉27头部接触到工件28上表面之前，输出轴17上受到的阻力来自螺纹间的摩擦力，可忽略不计，因此冲击壳体7通过内部凸起与滚子6的相互作用带动输出轴17同步顺时针旋转。此时输出轴17相对于联接套筒4顺时针旋转，楔块式超越离合器26不接合，因此太阳轮21与电机内转子22互不干扰。

当螺钉27的头部贴合至工件28的上表面后，由于电机转子、冲击外壳、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17转速快速减小为零并与工件28基本锁定，此时输出轴17相对于联接套筒4逆时针旋转，楔块式超越离合器26接合，联接套筒4与输出轴17相固连，因此联接套筒4、前行星架10、后行星架20、电机内转子22基本固定，差动轮系演变为定轴轮系，电机变为单一输出。电机外转子12带动齿圈逆时针旋转通过行星轮系25换向后，太阳轮21以顺时针方向旋转，带动脉冲器24的冲击壳体7旋转，随着内部凸起与滚子6发生冲击，碰撞产生的接触力带动螺钉27进一步拧紧，同时向内压缩复位弹簧，使内部凸起越过滚子6继续进行下一次脉冲冲击。随着螺钉27拧紧，当螺钉27与工件28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12、太阳轮21和冲击壳体7转速降低，在下一次脉冲碰撞前应由电机内部电磁力为外转子12和冲击壳体7加速，从而使冲击壳体7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，螺钉27受到的反作用力来源于电机为外转子12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钉27与工件28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 (4)

1.一种对操作者反作用力极低的扭矩扳手，其特征在于包括动力组件、传动组件和输出组件，所述动力组件包括扭矩扳手的外壳(2)、手柄(23)、电机外转子(12)和电机内转子(22)，其中，电机外转子(12)与外壳(2)通过电机轴承(11)装配；传动组件包括行星轮系(25)、联接套筒(4)、楔块式超越离合器(26)，行星轮系(25)包括齿圈(9)、行星轮(8)、太阳轮(21)、前行星架(10)、后行星架(20)，行星轮(8)与前行星架(10)、后行星架(20)连接，楔块式超越离合器(26)包括楔块式超越离合器外圈(13)、楔块式超越离合器内圈(14)，前行星架(10)与电机内转子(22)通过键连接，齿圈(9)与电机外转子(12)同轴固连，后行星架(20)与联接套筒(4)一端通过键连接，联接套筒(4)另一端与楔块式超越离合器外圈(13)通过键连接，电机内转子(22)连接前行星架(10)、后行星架(20)、联接套筒(4)和输出轴(17)通过楔块式超越离合器(26)接合，当电机内转子(22)相对于输出轴(17)为逆时针方向旋转时，楔块式超越离合器(26)脱开，电机内转子(22)与输出轴(17)旋转互不干扰；当电机内转子(22)相对于输出轴(17)为顺时针方向旋转时，楔块式超越离合器(26)结合，电机内转子(22)与输出轴(17)同轴固连；输出组件包括脉冲器(24)、输出轴轴承(15)、四方轴(1)，脉冲器(24)包括安装壳体(5)、冲击壳体(7)、滚子(6)、活塞(18)、凸轮轴(19)、输出轴(17)，冲击壳体(7)与太阳轮(21)通过键连接，输出轴(17)与楔块式超越离合器内圈(14)通过键连接，输出轴(17)末端方轴与四方轴(1)方孔装配。

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，其特征在于扳手预拧紧工作中，电机外转子(12)与电机内转子(22)皆不固定，两者反向旋转；预拧紧结束后，即当螺钉(27)接触到工件(28)的上表面时，输出轴(17)固定，楔块式超越离合器(26)结合，电机内转子(22)、前行星架(10)、后行星架(20)固定，差动轮系演变为定轴轮系，电机变为单一输出。

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，其特征在于预拧紧结束后，电机外转子(12)的动能通过行星轮系(25)换向后传递到冲击壳体(7)，开始脉冲冲击动作，并依靠冲击产生的碰撞力带动脉冲器(24)的输出轴(17)旋转，拧紧螺钉(27)。

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，其特征在于扳手的拧紧力来源于脉冲器(24)内部冲击产生的碰撞力，扳手的反作用力来源于冲击过后，由电机为冲击壳体(7)充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺钉(27)与工件(28)之间的固定配合承担。

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