EA002133B1

EA002133B1 - Резонансное устройство для создания вращательного момента, основанное на действии колеблющейся массы

Info

Publication number: EA002133B1
Application number: EA199900974A
Authority: EA
Inventors: Тимотси Р. Купер; Томас П. Лоу; Рональд Е. Пилрин; Дали В. Плоигер
Original assignee: Ингерсолл-Рэнд Компани
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2001-12-24
Also published as: CN1258243A; ES2170498T3; CA2291240A1; DE69804112T2; BR9809701A; CA2291240C; EP1015186A1; EP1015186B1; ATE213987T1; TW378168B; EA199900974A1; WO1998053960A1; DE69804112D1; CN1114519C; US5848655A; JP2002508711A

Abstract

Описано резонансное устройство для создания вращательного момента, основанное на действии колеблющейся массы для использования со способной к вращению, удерживаемой трением обрабатываемой деталью. Устройство включает вращательно-резонансную, способную к вращательным колебаниям массу. Устройство содержит также средства для осуществления резонансного колебания данной массы, пружину двойной жесткости, соединяющую упомянутую массу с обрабатываемой деталью. Пружина двойной жесткости позволяет относительное вращение между массой и деталью в обоих из двух направлений вращения. Данная пружина двойной жесткости обеспечивает приложение более высокого уравновешивающего вращательного момента к массе для данного углового отклонения от ее ненагруженного положения в одном затягивающем направлении, чем для углового отклонения равной величины в противоположном направлении. Таким образом, во время колебания данной массы пружина двойной жесткости позволяет прикладывать более высокий вращательный момент к обрабатываемой детали в одном затягивающем направлении вращения, что приводит к вращению обрабатываемой детали в затягивающем направлении. Пружина также позволяет прикладывать более низкий вращательный момент в противоположном направлении вращения, который является недостаточным, чтобы осуществить вращение обрабатываемой детали в данном противоположном направлении.

Description

Это изобретение относится в основном к силовым устройствам и в частности к ручным устройствам, основанным на инерции, предназначенным для создания вращательного момента.

Уровень техники

В настоящее время устройства с низкой реакцией - обычно устройства, которые ускоряют вращательную инерционную массу посредством относительно большого угла перемещения. Это ускорение осуществляется при помощи двигателя с выходным вращательным моментом, который относительно низок по сравнению с выходным вращательным моментом устройства. Поскольку инерционная масса ускоряется, она накапливает кинетическую энергию. После того, как инерционная масса переместилась на существенный угол (например, 180° или больше), устройства для сцепления сцепляют вращающуюся инерционную массу с обрабатываемой деталью. Последующее отрицательное ускорение инерционной массы приводит в результате к выходному вращательному моменту, который относительно высок по сравнению с тем, который подводится ускоряющим двигателем. Этот высокий выходной вращательный момент не воздействует на пользователя, поскольку реакция обеспечивается вращательным моментом, связанным с отрицательным ускорением маховика или инерционной массы.

Как правило, предусмотрены два типа устройств для сцепления инерционной массы и обрабатываемой детали. Преобладающий способ состоит в использовании механической муфты. Быстрое сцепление и разъединение муфты, к сожалению, приводит к шуму и высоким напряжениям, развивающимся в ударной переходной зоне сцепления, что приводит к износу и деформации частей, снижая эффективность и ограничивая ресурс муфты.

Второй способ сцепления использует гидравлическую запорную муфту. Хотя он более бесшумен в действии, чем существующие механические муфты, издержки в изготовлении и возможные потери рабочих жидкостей ограничивают их применение.

Чтобы надлежащим образом затянуть резьбовой фиксатор, нужно вращать болт с применением вращательного момента, чтобы зажать соединение. Все болты имеют некоторый шаг и винтовой угол, что позволяет вращать болт по часовой стрелке, в случае правосторонней резьбы, для перемещения гайки или элемента конструкции, тем самым затягивая болт. Эти углы затрудняют поворачивание болта (например, из-за необходимости использования более высокого момента) при зажиме соединения по сравнению с обратным направлением, ослабляющим соединение. Когда рассматривается система приводов, основанная на колебаниях, то прикладывание равных прямого и обратного вращательного моментов к фиксатору заставляет соединение ослабляться по причинам, обсужденным выше. Способ преодоления этого препятствия мог бы состоять в приложении смещенного вращательного момента к двигателю привода так, чтобы затягивающий вращательный момент был больше, чем ослабляющий вращательный момент. Это создало бы смещенный вращательный момент на корпусе, которому должен будет противодействовать оператор. Это может быть приемлемо для устройства с низким значением вращательного момента, где смещение мало.

Прототипом настоящего изобретения является японский патент 1Р-Л-04030974, который раскрывает приводное устройство с винтом для передачи усилия, в котором ток высокой частоты используется в соединении с колеблющимся телом, в результате чего производится вибрация с малой амплитудой, которая передается через резьбу к винту. Вибрация действует на винт, когда он затягивается, повышая производительность устройства для завинчивания винтов. В то время как вибрационное действие колеблющегося тела может помочь при действии устройства для завинчивания винтов, колебательная сила мала и недостаточна для того, чтобы преодолеть трение, имеющееся при работе с ручными устройствами для создания вращательного момента на основе инерции.

Сущность изобретения

Описанные выше данные иллюстрируют известные существующие ограничения в имеющихся устройствах и способах. Таким образом, очевидно, что было бы выгодно создать альтернативное решение, направленное на преодоление одного или большего количества сформулированных выше ограничений. Настоящее изобретение представляет собой подходящую альтернативу, содержащую особенности, более полно раскрытые ниже.

Данная задача была решена настоящим изобретением. Резонансное устройство для создания вращательного момента, основанное на действии колеблющейся массы для использования со способной к вращению, удерживаемой трением обрабатываемой деталью, согласно изобретению включает вращательнорезонансную, способную к вращательным колебаниям массу, средства для осуществления резонансного колебания данной массы; пружину двойной жесткости, соединяющую упомянутую массу с обрабатываемой деталью, причем пружина двойной жесткости позволяет относительное вращение между массой и деталью в обоих из двух направлений вращения; при этом данная пружина двойной жесткости обеспечивает приложение более высокого уравновешивающего вращательного момента к массе для данного углового отклонения от ее ненагруженного положения в одном затягивающем направлении, чем для углового отклонения равной величины в противоположном направлении, так что во время колебания данной массы пружина двойной жесткости позволяет прикладывать более высокий вращательный момент к обрабатываемой детали одном в затягивающем направлении вращения, что приводит к вращению обрабатываемой детали в затягивающем направлении, и более низкий вращательный момент в противоположном направлении вращения, который является недостаточным, чтобы осуществить вращение обрабатываемой детали в данном противоположном направлении.

Резонансное устройство может содержать ручной крутящий затягивающий инструмент.

Пружина двойной жесткости, в частности, может являться комбинацией пружин изгиба и кручения.

В данном резонансном устройстве положение способной к колебаниям массы может определяться кодирующим устройством положения.

При этом кодирующее устройство положения может быть выполнено в виде оптического кодирующего устройства положения.

Таким образом, концепция, представленная здесь, состоит в том, чтобы создать пружину двойной жесткости, которая имеет большее сопротивление кручению (например, большую жесткость) в направлении затягивания и меньшее сопротивление кручению (например, меньшую жесткость) в ослабляющем направлении. Это устраняет потребность в смещенном моменте и, таким образом, вращательный момент, прикладываемый к корпусу, относительно мал.

Приведенный вариант осуществления использует относительную разность между жесткостью изгиба и кручения в стержне. Соответствующие чертежи описывают способ работы, который представляет собой изгиб в ослабляющем направлении и изгиб с кручением - в направлении затягивания.

В одном аспекте, задача настоящего изобретения решается с помощью создания резонансного устройства для обеспечения вращательного момента, основанного на действии колеблющейся массы, включающей имеющую возможность вращаться резонансную колеблющуюся массу; средства для осуществления колебаний массы; пружины двойной жесткости, соединяющей колеблющуюся массу с вращающейся удерживаемой трением обрабатываемой деталью; пружина двойной жесткости прикладывает более высокий вращательный момент к обрабатываемой детали только в затягивающем направлении вращения; и более низкий вращательный момент в противоположном направлении вращения, являющийся недостаточным, чтобы осуществить вращение обрабатываемой детали в противоположном направлении вращения.

Предшествующий и другие аспекты станут очевидными из следующего детального описания изобретения, сопровожденного чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - поперечный разрез резонансного устройства для создания вращательного момента, основанного на действии колеблющейся массы, согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 - график, показывающий приложение вращательного момента к фиксатору за некоторый период времени для устройства для динамического воздействия, основанного на ускорении массы, согласно прототипу;

Фиг. 3 - график, показывающий прикладываемый вращательный момент к фиксатору за некоторый период времени для резонансного устройства, основанного на действии системы колеблющихся масс, согласно настоящему изобретению;

Фиг. 4 - увеличенный вид осевой пружины двойной жесткости согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения;

Фиг. 5 - вид с торца двойной пружины, включающий муфту в колеблющейся массе, пунктиром показано нейтральное положение собранных пружинных наконечников;

и фиг. 6 - диаграмма вращательного момента в зависимости от времени для вращательного момента вала и момента возбуждения с приведением на схеме количества оборотов в минуту ротора в каждом положении.

Детальное описание изобретения

На фиг. 1 показано резонансное устройство согласно настоящему изобретению для создания вращательного момента, с пружиной двойной жесткости, основанное на действии колеблющейся массы, обозначенное цифрой 1. Гнездо типа цангового патрона или устройств зажима 5 плотно сцеплено с головкой фиксатора (не показано), которая должна быть зажата. Гнездо типа цангового патрона 5 присоединено к закрученной по оси пружине двойной жесткости 3, которая в свою очередь присоединена к ротору маховика, имеющему форму чаши, или к колеблющейся массе 4 через штифт пружины, подсоединенный к цанговому патрону или втулке привода 40. Ротор маховика 4 колеблется и вращается относительно внутреннего статора 20 способом, который будет описан ниже. Постоянный магнит 9 размещен внутри выреза 2 в пределах внутреннего диаметра ротора маховика 4. Кольцо защитного экрана и магнитопровод возврата 8 окружают ротор маховика 4 и выполнены из магнитопроводящего материала типа стали. Кольцо защитного экрана 8 в свою очередь заключено в кожух 15, который образует внешний корпус устройства. Предусмотрена прикрепленная к кожуху 15 ручка 11 для удержания устройства. Собачка 14 включает устройство, а прямой и обратный выключатель 13 служат для выбора направления вращения или направления затягивания (обычно по часовой стрелке) или направления откручивания (обычно против часовой стрелки), что определяется оператором.

Как показано на фиг. 1, ротор маховика 4, пружина кручения-изгиба двойной жесткости 3, и цанговый патрон 5 приспособлены под подшипники для вращения внутри кожуха 15 посредством подшипника 16, и внутри продолжения статора 20 посредством подшипников 17 и 18, которые окружают цанговый патрон 19. Передний оптический кодировщик 7 предусмотрен для того, чтобы контролировать вращение цангового патрона, а оптический кодировщик 10, размещенный на маховике, предусмотрен для определения движения и положения ротора маховика 4.

На фиг. 1, 4, и 5 показан один вариант осуществления пружины двойной жесткости, обозначенной цифрой 3. Пружина включает четыре зубца 30, расположенных в осевом направлении, соединенных с основой 31 и начинающихся от нее. Канал 32 предусмотрен, чтобы принять ведущий вал цангового патрона 33, который в свою очередь связан приводом с основой 31 посредством направляющего штифта 35.

Наконечники 36 осевых пружинных зубцов 30 точно обработаны, чтобы точно соответствовать точно выполненной щели 37 во втулке двигателя 40, как показано на фиг. 1 и 5. Втулка двигателя 40 в свою очередь связана с ротором маховика 4 и таким образом приводится в состояние колебания. Конфигурация щели 37 такова, что, когда втулку 40 приводят во вращение по часовой стрелке, как показано на фиг. 5 (ослабляющее вращение осуществляют против часовой стрелки, что определяется оператором), пружинный зубец 30 деформируется прежде всего изгибом. В направлении вращения против часовой стрелки втулка 40 прикладывает силу через контактные точки 41 и 41', что имеет тенденцию и изгибать и закручивать пружинные зубцы 30, показывая таким образом увеличение сопротивления вращению в направлении вращения против часовой стрелки, как показано на фиг. 5 (по часовой стрелке или в направлении затягивания, с точки зрения оператора). Поэтому пружина двойной жесткости демонстрирует различную жесткость в затягивающем (более жестком) направлении, и в обратном (ослабляющем, более мягком направлении).

Вышеупомянутый эффект лучше заметен на диаграмме, показанной на фиг. 6, на которой график количества оборотов в минуту ротора маховика 4 изображен в сравнении с моментом возбуждения прямоугольной волны маховика и показанных достигнутых значений вращательного момента выходного вала. Как можно увидеть на фиг. 6, для данного момента возбуждения может быть развит значительно более высокий затягивающий момент вала (приблизитель но 800 фунто-дюймов) по сравнению с минус 400 фунто-дюймов, достигаемых в обратной или ослабляющей части цикла.

При затягивании резьбового фиксатора маховик приводят во вращение изначально как обычный двигатель, посредством возбуждения электромагнитных катушек 6 и реакции против действия постоянных магнитов 9, чтобы выполнить реверсивную часть цикла закрепления. Как только фиксатор достигает выходного предела маховика, который приводится во вращение как обычный двигатель, вращение гнезда типа цангового патрона 5 прекращается, что считывается передним оптическим кодировщиком 7. Положение ротора маховика 4 считывается оптическим кодировщиком положения 10. Как изображено на фиг. 3, при считывании состояния остановленного цангового патрона, соответствующая электрическая схема начинает приводить в колебательное движение маховик посредством приложения реверсивных энергетических импульсов к электромагнитным катушкам 6, побуждающих маховик колебаться с резнонасной частотой (или около нее) пружинной системы с инерционной массой.

Используя принцип колебания массы согласно настоящему изобретению, можно достичь значений выходных вращательных моментов, многократно превышающих значения вращательных моментов возбуждения используемого мотора. Другой аспект состоит в том что, когда вращательный момент в пружине кручения превышает вращательный момент обрабатываемой детали, сопротивляющейся движению фиксатора, фиксатор должен быть ускорен разностью между вращательными моментами. В процессе этого некоторая энергия будет отводится от системы колеблющейся массы. Двигатель должен вернуть эту энергию и добавить еще с повторным колебанием, что позволит продолжить рост амплитуды колебаний. Когда желаемый вращательный момент фиксатора будет достигнут, двигатель прекращает возбуждение маховика.

Оптические кодировщики 7 и 10 обеспечивают обратную связь управления устройством. В типичном варианте функционирования устройства может быть желательно использовать маховик как двигатель, чтобы в начальной стадии подвести к фиксатору достаточный момент. Достаточный момент может быть обеспечен остановкой вращения цангового патрона. В этот момент посылается сигнал, чтобы начать режим действия импульсных колебаний двигателя, в котором маховик заставляет колебаться со значением резонансной частоты или около нее пружинную систему масс путем повторяющегося приложения импульсов обратного вращательного момента. Пружина двойной жесткости дает в результате более высокий максимальный вращательный момент, прикладываемый в затягивающем направлении и более низкий ослаб002133 ляющий вращательный момент, прикладываемый в течение большей длительности в обратном направлении. Разница между прикладываемыми вращательными моментами определяется относительной жесткостью пружины, которая предотвращает ослабление фиксатора при приложении обратного вращательного момента. Более высокий приложенный вращательный момент в прямом или затягивающем направлении преодолевает трение фиксатора и продвигает вперед фиксатор в затягивающем направлении.

В дополнение к обсужденному выше варианту выполнения возможны другие многочисленные варианты выполнения. Общая идея во всех вариантах выполнения - предположение того, что энергия, которую нужно использовать для вращательного момента обрабатываемой детали, проявляется в колебаниях пружинной системы масс с ее резонансной частотой или около нее, причем пружина двойной жесткости служит как средство смещения выходного момента.

Устройство согласно настоящему изобретению обладает низкой реакцией и низкой вибрацией. Частоты возбуждения могут быть, вообще говоря, высокими относительно частоты подачи вращательного момента используемых в настоящее время устройств. Эти более высокие частоты более легко уменьшаемы, чем частоты, связанные с повторным обращением маховика используемых в настоящее время ударных устройств (см. фиг. 2). В подходах, базирующихся на колебаниях массы, которые используют узкие полосы частот возбуждения, стратегические подходы к уменьшению звука и вибрации более легки в осуществлении по сравнению с осуществлением их при широкополосных режимах используемых в настоящее время импульсных устройств. Кроме того, могут быть устранены ударные поверхности, что уменьшает шум и износ.

Устройства согласно настоящему изобретению более легки в управлении и показывают большую точность вращательного момента. Устройство согласно данному варианту выполнения подает вращательный момент обрабатываемой детали менее продолжительными, более частыми импульсами вращательного момента. Менее продолжительные импульсы позволяют более тонкий контроль над прикладываемым вращательным моментом, и меньше зависят от жесткости обрабатываемой детали, то есть, от скорости соединения, чем используемые в настоящее время устройства с низкой реакцией. Кроме того, настоящая концепция хорошо представляет себя в осуществляемых при помощи электроники вариантах выполнения, которые обеспечивают усиленный контроль со стороны пользователя другими способами, например, посредством быстродействия.

Рамки настоящего изобретения не ограничиваются приведенным вариантом выполнения, а ограничены только формулой изобретения.

Claims

1. Резонансное устройство для создания вращательного момента, основанное на действии колеблющейся массы для использования со способной к вращению, удерживаемой трением обрабатываемой деталью, включающее вращательно-резонансную, способную к вращательным колебаниям массу (4);

средства для осуществления резонансного колебания данной массы;

пружину двойной жесткости (3), соединяющую упомянутую массу с обрабатываемой деталью, причем пружина двойной жесткости позволяет относительное вращение между массой (4) и деталью в обоих из двух направлений вращения; при этом данная пружина двойной жесткости обеспечивает приложение более высокого уравновешивающего вращательного момента к массе для данного углового отклонения от ее ненагруженного положения в одном затягивающем направлении, чем для углового отклонения равной величины в противоположном направлении, так что во время колебания данной массы пружина двойной жесткости позволяет прикладывать более высокий вращательный момент к обрабатываемой детали в одном затягивающем направлении вращения, что приводит к вращению обрабатываемой детали в затягивающем направлении, и более низкий вращательный момент в противоположном направлении вращения, который является недостаточным, чтобы осуществить вращение обрабатываемой детали в данном противоположном направлении.

2. Резонансное устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство (1) содержит ручной крутящий затягивающий инструмент.

3. Резонансное устройство по п.1, отличающееся тем, что пружина двойной жесткости (3) является комбинацией пружин изгиба и кручения.

4. Резонансное устройство по п.1, отличающееся тем, что положение способной к колебаниям массы (4) определяется кодирующим устройством (10) положения.

5. Резонансное устройство по п.4, отличающееся тем, что кодирующее устройство (10) положения выполнено в виде оптического кодирующего устройства положения.