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：
本发明涉及一种变速工具，尤其是一种由马达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栽扭矩。变速工具的变速传动机构通常都包括连接马达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图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图的位置，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團进而来实现行
星架与外壳的止转装置卡接的时候，很容易造成内齿圏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围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，而且由于内齿團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，转动中的内齿图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。
本发明的技术方案是 一种变速工具，其包括
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；
控制系统，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，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。 与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明通过电子控制单元对电 磁铁装置施加电流，来驱动内齿圏线性运动，从而改变齿轮传动机构的减速 比，进而实现自动换档的目的。此外，电子控制单元在执行自动换档时，会 先通过速度调制电路对移动件与齿轮组件进行速度调制，在二者的相对旋转 速度相互匹配时，再进入下一档位啮合状态，从而有效避免自动换档过程中 的打齿问题，进而延长工具使用寿命。


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系统原理方框图。
图6是本发明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是本发明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是本发明变速工具控制系统中控制单元第三实施例的原理方框图。 图9是本发明变速工具在高速运行和低速运行是的效率曲线图，以说明
变速工具的速度切换时机。
图10是本发明变速工具另 一实施例的侧视图，其中部分机壳被移除以揭
示驱动装置的结构，此时，驱动装置处于高速位置。
图11与图IO相似，此时，驱动装置处于高速位置。 图12是沿图11中A-A线方向的剖视示意图。 图13是沿图11中B-B线方向的剖视示意图。
图14是图9和图10中所示变速工具的电磁铁装置的剖视示意图。
图15是本发明变速工具另 一实施例的侧视图，其中显示了信号发生装置。
图16是图15变速工具的俯视图，其中还进一步显示出侧手柄以及可选 择高速、低速、和自动三种模式的速度模式开关。
图17a是沿图15中C-C线方向的剖视示意图，其中揭示了一种触发开 关的形式。
图17b与图17a类似，其中揭示了另 一种触发开关的形式。 图18与图16类似，但其中速度模式开关仅具有高速和低速两种档位。 图19与图18类似，但其不具有速度模式开关，仅具有用于显示高速和 寸氐速状态的LED灯。
图20是图16所示变速工具的内部电路的简化图。
图21是图20中处理器执行自动速度切换的工作流程图。
图22是图20中处理器执行手动即时速度切换的工作流程图。
具体实施例方式
参照图l至图3b所示，是本发明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，包括马达2、马达供电电源1,启动/停 止马达的主开关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513 的环形槽453。
当电磁铁通电时，线圏铁芯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/F兹铁521吸引，相应的，调速环45的内齿451与第二專仑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45在高低速 档位间移动。而本实施例中，改用 一伺服马达525来作为驱动件，用一个螺 杆515、带内螺紋的推杆512及钢丝套513来作为传动件51,通过伺服马达 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，是本发明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，比如马达电流、电压，也可以是其他 参数，比如马达或输出轴转速、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，如果马达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^r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， 电源与马达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供电让马达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以特定频率采集马达的负载电流，处理器30则将负 载检测电路32所采集到的马达负载值与预设电流值进行比较。如果马达负载
8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切断电源令马达停转，马达电流变为零。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l恢复给马达2 供电，马达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 出现马达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马达电流 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，即便是马达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马达负载电流，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让马达2短时停机只是 其中一种实施方式。在通常情况下，马达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，是本发明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，电源与马达之间的电器开关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来提供马达相应
9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，是本发明变速工具控制系统的控制单元第三实施例。 在马达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降低马达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，可以看出本发明精神主要在于控制 单元3在检测到马达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，控制单元先调整马达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恢复给马达2供电， 马达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)来实现马达2的软启动。具体而言，在自动换档结束后，恢复马达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，来逐渐增加马达2的负载电压，緩慢恢复马 达2至工作电压，从而避免换档后瞬间启动马达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、马达2、输出轴6、连接马达和输出轴的齿轮传动机 构4,以及控制系统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 系统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系统检测变速工具物理参数，比如检测 马达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，所述控制单元调整马达传递给齿轮 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。
所述速度调制步骤中，通过降低马达的输入电压来降低马达传递给齿轮 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;险测步骤，以确认移动件
已经移动至另 一挡位。
在速度调制步骤之后，还包括一马达软启动步骤，控制系统在预设的时 间范围内逐步加大马达的输入电压，使马达恢复扭矩输出。
以下结合图9对本发明变速工具的自动速度切换的时机进行说明。图9 所示的是变速工具的整机输出效率ri随输出轴负载扭矩T的变化曲线图。其 中整机的输出效率r|为输出轴的输出功率与马达的输出功率的比值，T|H曲 线为整机在高速运转时的输出效率曲线，曲线为整机在低速运转时的输出 效率曲线。由图中可以看出，当整机在高速运转时，随着负载的增加，输出 效率开始迅速增大，当达到最高的输出效率点后随即迅速降低；当整机在低 速运转时，随着负载的增加，输出效率开始緩慢增大，而当达到最高的输出 效率点后即緩慢降低。在负载扭矩值等于Tc时，高速效率曲线TIh和低速效 率曲线riL在此交会，其交点为T|c。而在此之前，整机在高速运转时的输出 效率要高于在低速运转时的输出效率；在此之后，则随着负载的继续增加，
整机在高速运转时的输出效率要低于在低速运转时的输出效率，所以，当负 载扭矩值达到Tc时，将整机的运行速度从高速切换到低速，可以确保变速能 够一直保持较高的输出效率。本发明变速工具希望通过确定负载扭矩值达到 Tc的时间点，然后执行高速到低速的切换。
如图9所示，在本实施方式中，控制系统会^r测通过马达的电流的变化， 用来表征输出轴的负载钮矩。其中lH为输出轴在高速运转时的电流曲线。起 初，输出轴工作在高转速，当负载扭矩值达到Tc时，此时，4全测到马达的电 流值为Ic，在本实施方式中，Ic-30A(安培)，然后，控制系统控制驱动装 置执行从高速到低速的切换。需要说明的是，由于不同类型的马达的特性各 不相同，如采用不同的马达，则输出效率的曲线也会有不同，如此对应的Ic 值也有可能不同。此外，本实施方式中采用监测马达的电流值来反映输出轴 的负载，在其他实施方式中，可以通过检测其他物理参数来反映输出轴的负载。如输出轴的扭矩、输出轴的转速、马达的转速、齿轮传动系统中齿轮的 转速或扭矩等，或者在采用直流电源供电时，也可以;险测电池端子的电压变 化等方式来表征输出轴的负载。
图10-图14所示的是本发明变速工具的另 一种实施方式，在本实施方式 中，电磁铁装置采用双向保持式电磁铁。所谓双向保持式电磁铁即在不通电
的情况下也可以将4失芯保持在行程的始端和终端两个位置。如图14所示，电 磁铁装置53包括纵长设置的金属壳体531、设置在金属壳体内沿纵长方向分 布的两个线圏532、设置在两个线圈之间的永磁体533、设置在被线圏围绕的 区域内并可沿纵长方向线性移动的铁芯534,以及相对于铁芯固定设置并纵 长延伸出金属壳体531外的推杆535。其中，推杆535凸伸出金属壳体531 的前端部分设有凹槽536。对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，推杆 531和铁芯534也可一体设置。图14中所示的是推杆535处于后退位置，并 由于永磁体533的吸引而可以在不通电的情况下保持在该位置。配合参照图 10和图12所示， 一传动架54设置在钢丝套513和推杆535之间，其包括环 绕齿轮箱47延伸的半圆形托架541、以及自托架底部向下延伸出并间隔设置 的一对侧壁542。其中托架541的两端与钢丝套513的径向凸伸出减速箱47 壳体的两端分别相固定连接，侧壁542的间隔区域内收容有电磁铁装置53 , 侧壁轴向向后延伸并嵌合在推杆535的凹槽536中而与推杆保持相对固定。 如图12所示，传动架54和机壳21之间设有导引机构。其中传动架54的一 对侧壁542各侧向延伸出 一导引柱543,机壳21的每侧内壁上凸设有一对肋 板544，其间形成有导引槽545以相应收容并导引每一导引柱543。
图10中所示的电磁铁装置53中的推杆535处于前进位置，即推杆延伸
出金属壳体外较长距离，并由于永磁体的吸引而保持在该位置。此时，齿轮 传动机构的减速比较低，马达通过齿轮箱后传递给输出轴转速较高，也就是 说，内齿圏45(或称调速环，即本实施方式中的移动件)的内齿与行星轮42 的外齿以及邻近的行星架41的外齿同时啮合而确保相对固定(配合参照图 3a所示)，从而可随行星架和行星轮一起旋转。配合参照图14,当电磁铁装 置53的线圏532内通正向电流后，线圏532产生的f兹场在金属壳体531的纵 长两端产生不同的磁极，从而驱动铁芯534和推杆535移动到后退位置。如 图10所示，推杆535带动传动架54、钢丝套513和内齿圏45 —起移动距离 d，到达了如图11所示的位置。配合参照图3b所示，在此过程中，内齿圏45沿轴向移动而与行星架41脱离啮合，但与行星轮42仍保持啮合。当推杆 53移动到后退位置时，内齿圏45与止转装置44啮合而与机壳保持相对固定。 此时，齿轮传动机构4的减速比增加了一级，从而马达通过齿轮箱后传递给 输出轴的转速较低。当线圏532内通反向电流后，线圈形成反向的磁场，如 此，推杆535回到如图10所示的后退位置，从而齿轮传动机构4回复到高减 速比的llT出状态。
图13所示的是功能开关36的一种实施方式。在本实施方式中，该功能 开关可称之为速度模式开关。配合参照图16中的速度模式开关36，该开关 包括凸露在机壳21外的拨钮361,以及设置在机壳内与其他电子组件连接的 导电端子。拨钮361可在机壳21上沿圆周方向在三个位置滑移，分别对应自 动模式(A)、高速模式(H)、低速模式(L)。导电端子包括与该三种模式分 别对应的第一、第二、第三信号端子362，以及接地端子363。关于速度模式 开关与控制系统中其他电子组件的电路连接以及工作流程将会在后续详细描 述到。
图15所示的是信号发生装置35的一种实施方式。在本实施方式中，该 装置包括设置在机壳21内的速度切换开关，当该开关被按下触发后，控制系 统即改变供给电磁铁装置的电流的流向而实现自动换档，即通过电磁铁的驱 动实现齿轮传动机构在高减速比和低减速比之间的切换。如图16所示，作为 优选的实施方式，该装置35包括两个该速度切换开关，对称设置于机壳21 的两侧，按下任何一个开关都可以触发速度的切换，这样，对于左、右手使 用者都可以方便地进行操作。图17a和图17b所示的是开关的具体形式。图 17a中的开关为按钮开关351,其通过导线3512与控制系统中的电子元件电 性连接(后续将作进一步描述)。机壳上设置有弹性的按压片353,按下按压 片，按钮3511也被按下，开关内的触点(未图示)接通，从而速度切换功能 被触发。图17b中采用弹片式开关352，同样，按下按压片353，弹片3521 与触点3523接通，此时， 一电信号将被生成并传递给控制系统，从而控制系 统执行速度切换程序(后续将作具体描述)。返回图16,本实施方式中，速 度模式开关36和信号发生装置35可结合使用。速度模式开关36的拨钮位于 档位A时，即处于自动模式时，速度切换功能被屏蔽，也就是说，按下速度 切换开关并不会触发速度切换功能；而当速度模式开关的拨钮位于档位H或 L时，即处于高速或低速模式时，自动速度切换的功能被屏蔽，这时，按下
13速度切换开关就可以触发速度切换功能，从而高速模式会相应切换到低速模 式，而低速模式则会相应切换到高速模式。
在本实施方式中，机壳21上还设置有一侧手柄22,在轴向上该侧手柄 22距离信号发生装置35的开关按钮的位置具有一特定距离h,该距离可容许 使用者的握持恻手柄的手可同时操作开关按钮。例如，当使用者在进行操作 时想要切换速度，其可以用握持恻手柄的手的大拇指按压开关按钮，从而获 得其想要的速度。当然，对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，上述开 关按钮也可以靠近主手柄23 (图10所示)设置而与主手柄间形成特定距离， 从而使用者也可以用握持主手柄的手来同时执行速度切换的操作。
图18和图19揭示的是信号发生装置35应用的其他两种实现方式。图 18所示的速度模式开关36不包括自动模式挡位，这样，只要按下速度切换 开关，速度切换功能就会被瞬时启动，即从目前高速或低速档位相应切换到 低速或高速档位。图19所揭示的实施方式不包括速度模式开关，该实施方式 中，变速工具运行在自动模式下，并且机壳21上设有表示工具目前运行速度 状态的LED灯，如目前工具处于高速运行，则"H"LED灯371常亮，反之， 则"L"LED灯372常亮。本实施方式中，工具开才几运行后默认在自动4莫式下 运行， 一旦信号发生装置35被触发，则控制系统8中断自动运行模式，同时， 控制系统8控制电磁铁装置53切换齿轮传动机构4的减速比，即切换目前的 速度运行状态，如由高速切换到低速。如信号发生装置35再被触发，则目前 的速度运行状态再次被切换，如又从低速切换到高速。所以，在本实施方式 中， 一旦速度切换的自动模式被中断，则进入了由信号发生装置控制的手动 速度切换模式。当然对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，上迷信号发 生装置及具体的速度切换方式可应用于具有两级以上的减速比切换，如具有 高、中、低三速的齿轮传动系统。
图20所示的是本发明变速工具一具体实施方式
中的简化的电路图。该实 施方式中，变速工具由外部直流电源1提供电力，该外部直流电源为由若干 电池组成的电池包。作为优选的实施方式，该电池包可以是锂离子电池包。 需要说明的是，这儿所说的锂离子电池是负极材料为锂元素的可充电电池的 总称，依据正极材料的不同，其可构成许多体系，如"锂锰，，电池，"锂铁" 电池等。在本实施方式中，锂离子电池包包括由由五节3.6V(伏)的锂离子 电池串联成额定电压为18V的电池组。当然，对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，可以视需要而串联更多或更少的电池来组成电池组，如串联四 节3.6V (伏)的锂离子电池成额定电压为14.4V的电池组，或串4关六节3.6V (伏)的锂离子电池成额定电压为21.6V的电池组。本实施方式中，电池包 1内还设有代表该电池包电压的识别电阻386，用来净皮电动工具识别，从而确 定相应的电池包过》文j呆护方式。
如图20所示，同时可配合参照图6所示，本实施方式中，变速工具的变 速系统包括处理器30、速度调制电路31、马达负载检测电路32、驱动装置 控制电路33、档位信号反馈电路34、信号发生装置35、以及功能开关36。
处理器30可以采用MCU、 PLC或者CPU等。在本实施方式中，处理器 30为 一微电脑控制系统(MCU),本领域技术人员可易于想到的是，MCU通 常包括有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、数字 /模拟转换单元(A/D converter)、 计时器(timer)、 输入/输出端口 (I/O port)Pl-P28等，由于这些单元或功能模块的工作原理都为本领域的普通技术 人员所熟识，所以申请人在此不再予以赘述。
如图20所示，主开关13串联在电池包1和主电路之间，可用于控制主 电路的通断。当主手柄23上的按钮131 (如图10示)被操作者压下时，主 电路被接通，通过直流电源转换模块(DC/DC) 381,电池包l的电压被转换 成一个较低的恒定电压，在本实施方式中为5V，用来为处理器30、及电子 电路提供电力。在本实施方式中，处理器的端口 P20与直流电源转换模块381 连接，端口P19接地，端口 Pl与直流电源转换模块381通过电阻R5连接， 从而在主开关13闭合后，经直流电源转换模块381转换后的电流通过端口 P 2 0输入处理器，且处理器从端口 P1接收到 一 个复位信号而执行初始化动作。 主开关13不仅可用于控制电路的通断，还进一步可以用于控制马达的转速。 本实施方式中，主开关13包括一电位器(potentiometer),其用来测量按4丑 在操作者按压的作用下所移动的距离并产生 一 个与该移动距离成比例的 一个 电信号，如电压值信号，该电信号通过端口 P2传送给处理器30,而后处理 器的数字/模拟转换单元将该电信号转换成数字信号并进行处理而生成相应 的控制信号。在本实施方式中，该控制信号为脉宽调制(PWM, Pulse Width Modulation)信号，用于控制施加到马达22上的电压，其通过处理器30的 端口 P12输出给速度调制电路31。速度调制电路31由电阻R19、功率开关 驱动器组成。其中功率开关驱动器有若干三极管组成，其用于调节MOSFET的占空比，也就是说，功率开关驱动器根据接收到的PWM信号，来提高或 降低单个周期内电压信号的持续输出时间，从而通过功率开关元件10 (即电 器开关)来控制马达22的运转速度。其中功率开关元件IO可以半导体开关， 在本实施方式中为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET, metallic oxide semiconductor field effecttransistor )。
处理器30的端口 P3可与电池包l连接来采集电池包的工作电压，以便 于监测电池包的放电情况，并且在电压过低时采取相应的措施来提醒使用者 或切断供给马达的电力。如图20所示，处理器30的端口P18、 P17、 P16、 P15通过电阻R22、 R23、 R29、 R30与发光二才及管D2、 D3、 D4、 D5连接。 这些发光二极管可以设在机壳上，用来表示电池包1的剩余电量，其中D2、 D3、 D4发射绿光，而D5发射出红光。当电量充足时，D2、 D3、 D4均常亮， D5不亮；当电量中等时，D3、 D4常亮，D2、 D5不亮；当电量低时，D4 常亮，D3、 D2、 D5均不亮；而当电量不足时，D2、 D3、 D4均不亮，而D5 常亮；当电量严重不足时，D2、 D3、 D4均不亮，而D5闪烁，在此时，为 避免电池包过放而发生危险，处理器的端口 P12被阻断而无法向马达提供电 力。在本实施方式中，对于额定电压Vb=18V的电池包而言，当12.5V<Vb 《14.5V时，表示电池包电量不足，从而D2、 D3、 D4均不亮，而D5常亮； 当Vb《12.5V时，表示电池包电量严重不足，,人而D2、 D3、 D4均不亮，而 D5闪烁，同时，处理器30的端口 P12 #_阻断。
为监测马达22的运行状态，处理器会实时检测通过马达的工作电流。如 图20所示， 一检测电阻383与开关10和马达22串联， 一放大器382用于将 检测电阻383上产生的压降信号放大并通过端口 P4输入到处理器30,以便 于处理器30检测通过马达22的电流。另外，电路中还包括过流保护电路37, 其包括一比较器384,其通过电阻R18采集R6上的压降信号，并与输入的 参考电压信号Vref作比较。当采集到的电压值大于参考电压Vref时，比较 器384将初置的高电平状态转换为低电平状态，并通过电阻R24将低电平信 号输出给处理器30的端口 P21。此外，为避免马达22工作温度过高，可利 用热敏电阻385的阻值随温度变化而线性变化的特性来检测马达的温度。热 敏电阻385与电阻R10串联组成分压电路，处理器30的端口 P5通过导线连 接在385与电阻R10之间，来检测热敏电阻385上的电压变化，从而便于处 理器30实时监测马达22温度的变化，并在马达温度超过预定值，断开供给
16马达的电力。
控制系统还包括用于识别电池包1电压的识别电路。在本实施方式中， 该识别电路是在电池包1与变速工具连接后由识别电阻386，以及电阻R13 和R21组成的分压电路。处理器端口 P7通过电阻R21连4妻在电阻R13和识 别电阻386之间，用来感测识别电阻386上的压降，/人而确定电池包1的电 压，并执行相应的过放保护的程序。
本实施方式中，驱动装置控制电路33为一H桥电路，处理器30通过端 口 Pll、 P9、 PIO、 P6分别连接到H桥电路的四个输入口 A、 B、 C、 D，该 四个输入口分别通过电阻R4、 Rl、 R2、 R3与功率开关元件Q4、 Ql、 Q2、 Q3连接，电磁铁装置5连接在功率开关元件Ql和Q2的连接点H以及功率 开关元件Q3和Q4的连4妻点L之间，且H桥电路的一端接电池包电源，另 一端接地。在本实施方式中，上述功率开关为半导体开关，且最好为MOSFET。 处理器通过通断四个输入口 A、 B、 C、 D来控制电磁铁装置53。例如，当输 入口 A、 B接通，而输入口 C、 D断开时，功率开关元件Ql和Q4接通，此 时电流的流向为从连接点H到连接点L,相应地，电》兹4失装置53的推杆535 带动内齿圈45从如图10所示的高速位置移动到图11所示的低速位置。反之， 当输入口A、B断开，而输入口C、D接通时，电磁铁装置53的推杆535带 动内齿圏45从低速位置移动到高速位置。
档位信号反馈电3各34包括一开关387，以及电阻R25、 R26、 R27、 R28。 在本实施方式中，开关387为 一单刀双位开关，其包括触点Hl和触点Ll, 其中，触点Ll和处理器的端口 13连接，触点Hl和处理器的端口 14连接。 对于本领域的普通技术人员可轻易想到的是，具体实施时，触点Hl和触点 Ll可以是设置在机壳上的传动架行程两端的簧片，传动架上则设置有金属 片，如铜片，到传动架运动到高速位置时，其金属片与相应的簧片接触而接 通触点H1;反之，则接通触点L1。如图20所示，当传动架运动到低速位置 时，触点Hl被断开而触点Ll被接通，此时，端口 13会4全测到一个低电平 信号，端口 14会检测到一个高电平信号，从而处理器30判断目前齿轮传动 机构在高减速比下工作；反之，当传动架返回到高速位置后，端口 14会检测 到一个低电平信号，端口 13会检测到一个高电平信号。对于本领域普通技术 人员可轻易想到的是，金属片和簧片可相应设置在内齿圏和齿轮箱上，或设 置在电磁铁装置的推杆和壳体上。本实施方式中，功能开关36采用的是如图16所示的可切换三种速度模 式的速度模式开关，即在高速模式、低速模式、和自动模式之间切换。如图 20所示，速度模式开关36是一个单刀三位开关，其具有三个触点L2、 H2、 A，分别通过电阻R14、 R15、 R16连接到处理器的端口 P26、 P25、 P24。当 速度模式开关36位于如图中所示的位置，即触点A接通，而触点H2和触点 L2都断开，此时，处理器30 4企测到端口 P24为j氐电平信号，而端口P25、 P26均为高电平信号，如此，处理器将调用并运行自动换档的程序(后续将 对此进行详细描述)。而当触点A断开，触点H2或触点L2接通时，处理器 30不会调用并运行自动换档的程序。
信号发生装置35的两个开关S2、 S3并联，并通过电阻R17与处理器30 的端口 P23连接。当开关S2、 S3中任一个被压下时，将产生一个电信号并 通过端口 P23输入处理器30,如此，处理器30将会中断目前正在运行的程 序而调用速度切换程序(以下将会作详细描述)。
接下来，配合图21和图22以分别说明处理器的执行自动变速的工作流 程以及速度切换的工作流程。
参照图21，同时配合参照图20所示，当主开关13闭合后(步骤711 ), 处理器端口 Pl接收到复位信号，从而处理器执行初始化动作(步骤712)。 而后，处理器通过端口3采集电池包的电压信号(步骤713),以判断电池包 是否处于可正常应用的状态，即判断电池包电压是否小于12.5V,如果是， 表明电池包已经过》文，不适于再进行放电，从而可以阻断端口 P12输出PWM 信号；如果否，表明电池包可正常使用，接下来，检测速度模式开关36目前 所选择的模式(步骤714)。如果速度模式开关36选择的是自动模式，则进 一步判断电磁铁装置53是否处在高速位置(步骤715 ),如果是，则继续下 一步骤；如果不是，则处理器接通输入口 C、 D，并断开IIT入口 A、 B,从而 给电磁铁装置53通反向电流而驱动推杆移动到高速位置(步骤718)。如果 速度模式开关36选择的是高速模式，则进一步判断电磁铁装置是否处在高速 位置(步骤716),如果是，则继续下一步骤；如果不是，则驱动电磁铁装置 而促使推杆移动到高速位置(步骤719)。如果速度模式开关36选择的是低 速模式，则进一步判断电磁铁装置是否处在低速位置(步骤717),如果是， 则继续下一步骤；如果不是，则处理器断开输入口 C、 D,并接通输入口 A、 B,从而给电磁铁装置通正向电流而驱动推杆移动到低速位置(步骤720 )。
18接下来，通过LED灯D2-D5显示电池包的剩余电量(步骤721 ),并在 电量严重不足时切断供给马达的电力；实时检测电池包的电压(步骤722 ), 并在电池包过放时切断供给马达的电力；检测扳机开关的按压深度(步骤 723 );根据扳机开关的按压深度来输出相应的PWM信号(步骤724);检测 马达电流(步骤725 )。
判断速度模式(步骤726 ),如果控制系统目前运行在高速模式或低速模 式，则判断马达电流是否持续500ms (毫秒)大于90A (安培)(步骤727、 729 ),如果是，表明马达有可能发生堵转等异常情形而导致电流过大，因此， 为保护马达，断开供给马达的电流(步骤728、 730 );如果不是，则返回步 骤721。如果控制运行在自动模式，则判断马达电流是否持续300ms (毫秒) 大于90A (安培)(步骤731 ),如果是，表明马达有可能已发生堵转，则执 行自动换档的步骤；如果不是，则继续判断马达电流是否持续500ms (毫秒) 大于30A (安培)(步骤732 ),如果是，表明工具高速输出的效率即将低于 低速输出的效率，如此则执行自动换档的步骤；如果不是，则返回步骤721。
在本实施方式中，自动换档步骤包括步骤733-步骤736。首先，为避免 打齿，暂时停止向马达提供电力(步骤733 ),即处理器暂时阻断端口 P12输 出信号，从而使马达以及内齿圈的转速降下来。而后，处理器控制H桥电路 给电磁铁装置通正向电流，即处理器接通输入口 A、 B,并断开输入口 C、 D, 从而使电磁铁装置驱动推杆从高速位置移动到低速位置(步骤734 ),并在移 动到低速位置时，触发开关S5而使触点Ll接通。然后，软启动马达(步骤 735 ),即处理器通过端口 P12输出的PWM信号逐步增加电压信号的脉宽， 从而促使马达慢慢地回复到正常的运转速度。再后，处理器根据端口 13接收 到的低电平信号而设定低速标记(步骤736 ),接下来，返回步骤721。需要 说明的是，由于内齿圈在推杆的驱动下从高速位置运动到低速位置需要一段 时间，所以，在其他实施方式中，也可以是由处理器先驱动电磁铁装置，然 后在马达暂停的步骤。在这个过程中，只需要确保在内齿圈和止转装置啮合 前，马达驱动力已经不存在，如此，即使内齿圏的速度还没有降到零，但由 于其不具有主动旋转的驱动力，所以，可以与止转装置啮合而很快静止下来。
参照图22，并配合参照图20所示，当处理器的端口 23接收到一个中断 信号时，处理器会停止目前正在运行的程序并调用速度切换程序(步骤751 )。 处理器首先通过端口 21检测马达电流是否过大(步骤752 ),如大于IOOA(安培)，如果是，表明马达已经堵转，则停止向马达供给电流(步骤753 );如 果否，则检测速度模式开关目前处于何种模式(步骤754 )。如果是自动模式， 则中断返回，即处理器继续执行原程序(步骤767 );如果是高速模式或低速 模式，则需要判断马达是否处于空载。由于有负载时相对于空载时马达速度 降低地更快，所以相比有负载时，空载时马达电力切断后，需要更长的时间 才能使马达停下来。如果是高速模式，判断马达电流是否持续500ms (毫秒) 大于30A (安培)(步骤755 )，如果是，表明有负载，随后停止供给马达的 电力并延迟0.5S (步骤756 );如果不是，则停止供给马达的电力并延迟2S (步骤757 )。如果是低速模式，判断马达电流是否持续500ms (毫秒)大于 30A (安培)(步骤761 )，如果是，表明有负载，随后停止供给马达的电力并 延迟0.5S (步骤762 );如果不是，则停止供给马达的电力并延迟2S (步骤 763 )。在执行停机延迟，接下来处理器驱动电磁铁装置执行从高速到低速或 从低速到高速的切换(步骤758、 764 )，随后启动马达(步骤759、 765 )，并 相应设定低速标记或高速标记(步骤760、 766 ),而后返回原程序(步骤767)。 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。
权利要求
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；控制系统，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，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 圏，在第一位置时，所述内齿圏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，所述内齿圏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所迷的变速工具，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l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，其特征在于所述预定值根据马 达堵转时的电流确定。
12. 根据权利要求1或IO所述的变速工具，其特征在于所述预定值根 据高减速比时变速工具输出的效率曲线和低减速比时变速工具输出的效率曲 线来确定。
13. 根据权利要求l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。
14. 根据权利要求l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。
15. 根据权利要求l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。
16. 根据权利要求l所述的变速工具，其特征在于所述电子控制单元 还包括H桥电路，用于控制所述驱动装置。
17. 根据权利要求l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。
全文摘要
本发明公开了一种变速工具，包括马达，输出轴，连接马达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，控制单元先调整马达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B25F5/00GK101637901SQ200810145298
公开日2010年2月3日 申请日期2008年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者保罗·安德罗, 刘芳世, 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