变速工具的制作方法

专利名称：变速工具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种变速工具，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。
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系统，该控制系统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圏的位置，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系统。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，其控制系统可才艮 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， 该控制系统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。实用新型内容本实用新型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。本实用新型所要解决的另 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。本实用新型的技术方案是 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系统，该控制系统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。本实用新型的另 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系统，控制系统包括控制单元、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。


下面以电钻中的变速机构为例结合附图对本实用新型做进一 步说明。 图1是本实用新型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是本实用新型变速工具处于高速档位时的齿轮传动机构剖视图。 图3b是本实用新型变速工具处于低速档位时的齿轮传动机构剖视图。 图4a是本实用新型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是本实用新型变速工具的控制系统原理方框图。图6是本实用新型变速工具控制系统中控制单元第 一 实施例的原理方框图。图7是本实用新型变速工具控制系统中控制单元第二实施例的原理方框图。图8是本实用新型变速工具控制系统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4全测电路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、7JC磁铁522、线圈523、铁芯524、 凹槽515、螺杆525、伺服电机6、输出轴8 、控制系统具体实施方式
参照图l至图3b所示，是本实用新型变速工具控制系统的驱动装置第一 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l，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及线圏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45 ,其上设置容纳钢丝套5 13 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45 —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45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45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，是本实用新型变速工具控制系统的驱动装置第 二实施例的结构示意图。在前面所述的驱动装置第 一 实施例中釆用的电磁铁 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45 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5 1 5 、带内螺紋的推杆5 12及钢丝套5 1 3来作为传动件5 1 ，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45—起移动，实现高低速档位的啮合。请进一步参照图5,是本实用新型变速工具的控制系统原理方框图。所 述控制系统8包括 一 处理单元3及驱动装置5 。其中处理单元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，从而启动控制系统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，控制系统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，使控制系统即时实现自动换档。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。本实用新型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，是本实用新型变速工具控制系统的控制单元第 一实施例原理 方框图。其中处理单元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O.ls ) 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以特定频率釆集电机的负载电流，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45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45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45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IO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，作为设定系统预设值的参考。上述在自动换档之前控制单元3控制电器开关IO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45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，是本实用新型变速工具控制系统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ll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45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45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，是本实用新型变速工具控制系统的控制单元第三实 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3 1 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45移动至与止转装置44啮合的位置之前，降低调 速环45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，可以看出本实用新型精神主要在于 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45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l恢复给电机2供电，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，緩慢恢复电 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。本实用新型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实用新型的实用新型构思将各种齿轮传动机构应用于本 实用新型。
权利要求1.一种变速工具，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，其特征在于所述变速工具还包括一控制系统，该控制系统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。
2. 根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于所述齿轮传动机构的齿轮 组件包括第 一行星齿轮组、第二行星齿轮组及与工具壳体固定配接的止转 装置。
3. 根据权利要求2所述的变速工具，其特征在于所述移动件是设有内齿的 调速环，其具有与第一行星架及第二行星轮啮合的高速档位，以及与第二 行星轮及止转装置啮合的低速档位。
4. 根据权利要求1或3所述的变速工具，其特征在于所述控制单元包括处 理器、负载检测电路及驱动装置控制电路，所述负栽检测电路检测变速工 具的物理参数，处理器将检测到的参数与预设值作比较运算，而驱动装置 控制电路用于接收处理器的控制信号并控制驱动装置的运动。
5. 根据权利要求4所述的变速工具，其特征在于所述驱动装置包括驱动件 及传动件，所述驱动件为一电磁铁装置，传动件包括与电磁铁的铁芯配接 的推杆及设置于推杆上的钢丝套，所述钢丝套与齿轮传动机构的移动件配 接。
6. 根据权利要求4所迷的变速工具，其特征在于所述驱动装置包括驱动件 及传动件，所述驱动件为一伺服电机，传动件包括由伺服电机驱动的螺杆、 装设于螺杆上的螺母、与螺母配接的推杆及及设置于推杆上的钢丝套，所 述钢丝套与齿轮传动机构的移动件配接。
7. 根据权利要求4所述的变速工具，其特征在于所述控制单元进一步包括 速度调制控制电路，以便在自动换档过程中对电机传递至齿轮传动机构的 扭矩进行控制。
8. 根据权利要求7所述的变速工具，其特征在于所述速度调制控制电路包 括场效应管，通过控制所述场效应管来降低电机的输入电压，从而降低电 机输出功率，使换档之前齿轮组件与移动件的速度相互匹配。
9. 根据权利要求7所述的变速工具，其特征在于所述速度调制控制电路包括一电器开关，通过断开所述电器开关来控制电机停机，使换档之前齿轮 组件与移动件的速度相互匹配。
10. 根据权利要求7所述的变速工具，其特征在于所述速度调制控制电路 包括一设置于电机与齿轮传动机构之间的离合器装置，通过控制该离合器 来调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，使换档之前齿轮组件与移动件的 速度相互匹酉己。
11. 根据权利要求4所述的变速工具，其特征在于所述控制单元与驱动装 置或齿轮传动机构之间进 一 步设置 一 档位反馈电路，用于检测移动件的位置。
12. 根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于所述控制单元进一步设 置与处理器相连的信号发生器，当处理器接收到该信号发生器发出的信号 时，则可直接控制速度调制电路及驱动装置控制电路执行自动换档。
13. 根据权利要求1所述的变速工具，其特征在于所述控制单元进一步设 置功能开关，用以启动或关闭控制单元的功能。
14. 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，其特征在于 所述变速工具还包括一控制系统，控制系统包括控制单元、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。
15. 根据权利要求14所述的变速工具，其特征在于控制系统进一步包括一 信号发生器，当所述功能开关闭合时，可通过信号发生器给控制单元输入 信号，以即时控制驱动装置进行自动换档。
专利摘要本实用新型公开了一种变速工具，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系统，控制系统包括控制单元及驱动装置，驱动装置具有可在齿轮传动机构中第一位置与第二位置之间移动的移动件，且当该移动件位于第一位置与第二位置时，输出轴具有不同的输出特性。当负载扭矩变化至预定值时，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。本实用新型的变速工具可以解决自动换档过程中产生的打齿问题，改善了工具的电气性能，提高了工具的使用寿命。
文档编号F16H59/04GK201093036SQ20072004563
公开日2008年7月30日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者张士松, 强尼·鲍瑞那图, 沃伦·布朗, 王家达, 钟红风, 陈成忠 申请人:苏州宝时得电动工具有限公司