CN100372651C

CN100372651C - 带改进棘爪的可逆棘动工具

Info

Publication number: CN100372651C
Application number: CNB2003101203556A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·L·阿诺德; 理查德·P·福肯罗思
Original assignee: Hand Tool Design Corp
Current assignee: Cooper Label AG; Apex Brands Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: US6918323B2; DE60335835D1; ES2363010T3; US20060130615A1; US7131353B2; ATE400406T1; EP1415766A2; EP1415766B1; CN1500594A; ATE495857T1; EP1961521A2; US20040083860A1; DE60322009D1; US20050139041A1; US7185566B2; EP1961521B1; TWI228441B; EP1415766A3; TW200413136A; EP1961521A3

Abstract

本发明公开了一种棘动工具，包括一个本体和一个设置在本体中的棘轮。在棘轮圆周上限定多个齿以便棘轮齿形成具有第一半径的第一圆弧。在本体中设置一个棘爪以便棘爪可相对于棘轮在第一位置和第二位置之间横向移动，在第一位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在第一旋转方向上传递转矩，在第二位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在相反的旋转方向传递转矩。棘爪限定面向棘轮的多个齿，棘爪齿形成具有大于第一半径的第二半径的第二圆弧。

Description

带改进棘爪的可逆棘动工具

技术领域

本发明涉及一种可逆棘动(ratcheting)工具，尤其是一种带有改进棘爪的可逆棘动工具。

背景技术

棘动工具如棘轮和扳手常常包括一个通常为圆柱形的棘轮和一个棘爪，棘爪控制棘轮的棘动方向以便棘轮可以在一个方向旋转，而不在另一个方向旋转。已知将棘爪布置成使它啮合棘轮的内径或外径上的齿。例如美国专利No 6230591和No5636557公开了带有与棘轮外径相啮合的滑动棘爪的棘动工具，它们全部公开的内容作为参考结合在此。

发明内容

本发明认识和考虑了现有技术的构造和方法。

在根据本发明的棘动工具的一个实施例中，一个棘动工具包括一个本体和一个设置在本体中的棘轮。棘轮在其圆周上限定多个齿以便棘轮齿限定具有从齿根测量的第一半径的第一圆弧。在本体中设置一个棘爪，以便棘爪可相对于棘轮在第一位置和第二位置之间横向移动，其中在第一位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在第一旋转方向上传递转矩，在第二位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在相反的旋转方向传递转矩。棘爪限定面向棘轮的多个齿，棘爪齿限定具有大于第一半径的第二半径的第二圆弧，所述第二半径是从齿顶测量的。

结合在此并组成本发明书的一部分的附图举例说明了本发明一个或多个实施例，并且和说明书一起用于说明本发明的原理。

附图说明

旨在本领域技术人员的包括本发明最佳形式的本发明的完整并能够实现的公开物在说明书中参照附图加以说明，图中：

图1是根据本发明一个实施例的棘动工具的透视图；

图2是图1中棘动工具的分解图；

图3A是图1中棘动工具的本体截面图；

图3B是图1中棘动工具的局部截面图；

图4A、4B和4C各自是图1中棘动工具局部截面俯视图；

图5A是图1中棘动工具的棘轮和释放按钮的俯视图；

图5B和5C各自是图5A中棘轮和释放按钮的局部侧视图；

图6是图1中棘动工具的棘爪的俯视图；

图7是图6中棘爪的透视图；

图8是图1所示棘动工具的回动杆(reversing lever)的俯视图；

图8A是图8的回动杆的局部截面侧视图；

图9是图8所示回动杆局部截面底视图；

图10是图8所示回动杆的分解图；

图11是图10所示推动器(pusher)的侧视图；

图11A是图11所示推动器的横截面图；

图12是图11所示推动器的前视图；

图13是根据本发明一个实施例的棘爪的透视图；

图13A是图13所示棘爪的俯视图；

图14A、14B和14C是根据本发明一个实施例的扳手的局部截面俯视图；

图15A、15B和15C是根据本发明一个实施例的扳手的局部截面俯视图；

图15D是图15A-15C所示扳手的局部横截面图；

图15E是用于图15A-15C所示扳手的棘轮的横截面透视图；

图15F是用于图15A-15C所示扳手的棘爪的横截面透视图；

图16A是根据本发明一个实施例的棘爪的透视图；

图16B是图16A所示棘爪的后视图；

图16C是图16A所示棘爪的底视图；

图17是根据本发明一个实施例的棘爪的俯视图；

图18是图17所示棘爪的局部横截面图；

图19是图17所示棘爪的局部横截面图；

图20是图17所示棘爪的俯视图；

图21是根据本发明一个实施例的棘爪的局部横截面图；

图22是根据本发明一个实施例的棘爪的局部横截面图；

图23是图22所示棘爪的俯视图；

图24是根据本发明一个实施例在设计过程中的扳手的各部件的俯视图；

图24A是图24所示部件的部分的放大图；

在本发明说明书和附图中附图标记的重复使用旨在标识本发明相同或类似的特征和元件。

具体实施方式

现在详细地参照本发明的优选实施例，在附图中示出了它的一个或多个示例。每个例子作为解释本发明而提出，而不是对发明的限制。事实上，很明显在不脱离本发明的范围和精神下，可对本发明进行修改和变更。例如，作为一个实施例一部分说明或描述的特征可用在另一个实施例，以产生一个进一步的实施例。因此，本发明势必包括这些在附加权利要求和等同物的范围内的修改和变更。

参照图1，一个棘动工具10包括一个细长的臂，它可以是由不锈钢、金属合金或其它适合材料制成的把手12，把手12的长度可以随着棘动工具10的用途而改变。头部14从把手12延伸，头部和把手可以由相同材料一体形成。

参照图2，3A和3B，头部14形成一个相对大的通常为圆柱形的通孔隔室16。连接板部分(web portion)20置于头部14和把手12中间，限定一个更小的楔形隔室18(也可参看图4A-4C)。一个大致为圆柱形的隔室24通过上表面22在孔26处延伸到连接板20内，与隔室18重叠。隔室18在上面由上表面22封闭，并通向两个隔室16和24。头部14的下侧是开放的，接纳一个盖子28，这个盖子将棘动工具10的特定部件固定在隔室16、18和24之内，如下面详细讨论的。

壁30在一端的径向向外延伸突出部分(ledge)32和另一端的径向向内延伸突出部分34之间形成隔室16。一个环形沟槽36限定在垂直壁中，该垂直壁从突出部分32向下延伸并围绕隔室16的大部分。

盖子28有一个环形部分40，该环形部分限定了一个孔42和从环形部分40延伸的突起部分44。头部14底部内的开口35和连接板20接收盖子28，以使环形部分40落座在突出部分32上。环形沟槽36接收C形夹46以将盖子28固定在C形夹和突出部分32之间，使得盖子28固定在隔室16、18和24上的位置处。

隔室16接收一个环形棘轮(gear ring)48，该棘轮具有一个与头部14的壁30同心的内壁50。也如图5A到5C所示，棘轮48的外圆周限定了一组垂直排列的齿52。棘轮的底侧限定一个延伸部分56，该延伸部分56由平坦的环形肩台58围绕，该肩台58限定了一个环形沟槽60。在顶侧，一个上突出部分62环绕一个向上延伸的壁64。棘轮48配装到隔室16内以便壁64通过上表面22内的孔23延伸，使得突出部分62抵靠突出部分34。当盖子28固定到头部14上时，延伸部分56通过孔42延伸。环形部分40抵靠肩台58，从而将棘轮48保持在隔室16内。

延伸部分56和壁64分别以足够间隙配装到通孔42和孔23内，以便棘轮在径向上固定，却可以相对于头部14旋转。一个下O形圈66容纳在环形沟槽60中，并抵靠盖子28，同时一个上O形圈围绕壁64围绕突出部分21和62之间的壁64延伸。O形圈有助于棘轮48平滑旋转，并使进入隔室16的污垢和灰尘最少。O形圈66可以由柔软的橡胶、硅树脂、金属或其它适合的材料形成。

延伸部分56的横截面是方形的，适于接收标准的3/8英寸的驱动套筒(drive socket)，这在现有技术中很好理解。延伸部分56也可以按需要做成大小适合1/4英寸驱动套筒、1/2英寸驱动套筒、或其它驱动套筒。

棘轮48的内表面50围绕一个以棘轮48的轴为中心的盲孔68。孔68接收一个带有环形顶部78和圆柱轴80的推动按钮76。孔68的顶端限定一个肩台82，该肩台向内锤击以将按钮76保持在孔内。孔68底部的弹簧84和球86把按钮76向上压向肩台82。一个圆柱形孔90以直角与孔68相交，并接收球92。边缘88向内锤击以将球保持在孔中。

球86控制球92在孔90中的位置。正常情况下，当弹簧84和球86把按钮76的顶部向上推向肩台82时，球86与球92对齐，因而把球92向外推向孔90的边缘88。在这种情况下，球92的一部分延伸到孔90之外，以将套筒保持在延伸部分56上。为了去除套筒，操作者克服弹簧84向下推动按钮76。这将球86移动而低于孔90，并将轴80的缩窄端与球92对齐，因而允许球92回移到孔90中并释放套筒。

参照图4A-4C，隔室18在侧壁98和100之间接收一个大致为楔形的棘爪94。盖子28和连接板20的上表面22(图2)从上下保持棘爪94。壁98和100形成为使得由各壁限定的垂直平面(即垂直与纸面的平面)以一定角度相交于穿过隔室16和24中心的平面(参看图2和3A)，以便隔室18优化棘动工具10的承载和棘动能力。角度的大小可以随着工具的预定用途而改变。例如，较大的角度在棘轮48和棘爪94之间允许承载的性能越大，而较小的角度提供了更好的棘动和回动。因而，给定情况下选择的角度优选地在棘动和回动过程中使得棘轮和棘爪的齿的负载和间隙最佳结合。在优选实施例中，平面99和每个侧壁98与100之间的角度是31度，且优选在27度到35度的范围内。

如图6和7所示，棘爪94将与棘爪的前表面交叉的多个垂直对齐的齿102限定为半径为R1的圆弧。在所示出的实施例中，齿的末端稍微倒圆，R1是测量到齿的倒圆的末端的。半径R1不同于棘轮48的中心68和它的齿52的齿槽之间的半径R2。因为制造公差，棘爪齿的末端和棘轮齿的齿槽在径向上会轻微改变，这在技术上可以理解。因而，半径R1和R2应被理解为位于棘轮和棘爪公差范围内，且出于讨论的目的假定延伸到各个公差范围的中点。此外，应该理解半径R1和R2可以在棘轮和棘爪的其它位置处取得。例如，在棘轮的齿的末端和棘爪的齿的齿槽。

棘爪94的后表面限定一个凹进104，它具有两个由梁112分开的弯曲部分108及110，并具有对称向后延伸侧114和116。一个切口118从底表面120延伸入棘爪94的后端。

参照图8、8A、9和10，一个回动杆122包括一个把手部分124和一个底部126。底部126的外表面限定一个接收O形圈130的环形沟槽128，O形圈130轻微延伸到沟槽128之外。沟槽128靠近把手部分124定位，以便一个环形隔板132在沟槽128和把手124的前端之间延伸。底部126限定一个接收弹簧136和推动器138的盲孔134。参照图11、11A和12，推动器138是圆柱形，并在其后端限定一个盲孔140，并具有一个倒圆的前端142。孔140适于接收弹簧136，以便弹簧从孔134径向向外偏压推动器138。

参照图2、3B、8A和10，连接板20的孔26接收杆的底部126。虽然提供了足够的间隙使回动杆在孔内轻易旋转，但是底部126的直径近似等于孔26的直径。在将底部126插进孔26中时，孔的侧面将O形圈130径向向内推进沟槽128中，以便O形圈以后防止灰尘进入孔中。也参照图6，根据棘爪和杆的位置，推动器138延伸到凹进104中，接合弯曲部分108和110及侧面114和116，杆底部处的径向向外延伸的唇部144配装进棘爪内的切口118中，且唇部145延伸入隔室24底部处的孔24中，因而轴向将杆122保持在其隔室内。

使用中，如图4A到4C所示，棘爪94可以相对于棘轮在两个位置之间横向滑到隔室18的任一侧，在两个位置中棘爪楔在本体和棘轮之间。在图4C中，杆122旋转到顺时针方向最远的位置，而棘爪94楔在棘轮48和隔室18的上侧98之间。弹簧136向前推推动器，以便推动器的前端142接合凹进114，并因而偏压棘爪到楔入位置。在棘轮延伸部分上的套筒接合工件时，如果将转矩在顺时针方向上施加于把手(图2)，隔室18的上侧逆着相反的棘轮的齿52推动棘爪上部上的棘爪齿102(从图4C的透视图可以看出)。也就是说，棘爪保持楔在棘轮和隔室的上边缘之间，因此自操作者的手通过上侧98施加到棘爪上的力通过棘轮48沿顺时针方向施加到工件上。

如果操作者在逆时针方向上将转矩施加到把手上，棘轮的齿52将逆时针反作用力施加到棘爪94上。如果齿轮48通过套筒与工件转动上固定，齿52保持棘爪，以便棘爪从棘爪的顶端绕第三齿轻微旋转(如图4C所示)，并回移向下进入隔室18内。这引起棘爪套筒侧114克服推进器顶端142和弹簧136的力回推，直至棘爪齿102跨过棘轮的齿。然后弹簧136向前抵靠凹进侧114移动推动器，迫使棘爪94朝隔室18的上表面回来，并进入下一组棘轮的齿。随着操作者持续逆时针旋转把手12，这个棘动过程反复进行。

为了改变棘动工具10的操作方向，操作者在逆时针方向(如图4B所示)旋转开关122。杆底部126(图2)在孔26中旋转，推动器在棘爪凹进中通过弯曲部分108朝梁112(图6)逆时针移动。最初，棘爪轻微枢转，而承载棘爪齿远离棘轮的齿移动。随着推动器移向梁，棘爪开始下移并回到隔室18内。进一步旋转使推动器与梁接触，导致棘爪齿向下回到棘轮齿上的隔室18中。棘轮48也可以轻微旋转。在该位置，棘爪94克服弹簧136的力推回推动器。随着操作者持续地旋转开关122，推动器移进弯曲部分110内并向前推向壁116。这就施加了一个逆时针力到棘爪上，从而棘爪在隔室18中下移，并楔入棘轮和隔室的底边缘100之间。当棘爪移到楔形位置，棘轮、棘爪和杆的结构和操作反映上面相对于图4C讨论的棘爪的操作。也就是说，工具以相同的方式但是在相反的方向上棘动和施加转矩到工件上。

图17到20示出用于3/8英寸驱动棘轮机构的棘爪94的尺寸细节。在现有技术中应该理解，棘轮机构的“尺寸”指它接受的套筒的内部方形的尺寸。通常，棘动工具的包括它的棘轮和棘爪的实际尺寸，随着工具的额定尺寸而改变。下面提供的尺寸例子只是这些工具尺寸中示范性的改变，而不是限制本发明到这些改变。此外，下面提供了对根据本发明实施例的方法的描述，通过该方法可为给定的可变尺寸的工具和棘轮确定棘爪的特定尺寸。这样，可以理解本发明的不同安排可以适应不同的情况。

也可以理解，例如其它部件的结构可以改变。例如，回动杆可以形成为与棘轮同心的环，具有一个配装到棘爪中的延伸部分，以便环的旋转在横向穿过隔室的方向上移动棘爪。

如前所示，由棘爪的齿的末端限定的曲线的半径R1大于由棘轮的齿槽限定的曲线的半径R2(图5A)。R1与R2之比优选地在1∶1.08到1∶1.3的范围内。在如图18-21所示的例子中，比率是1.0到1.2，其中半径R1等于0.458英寸。棘轮齿和棘爪齿的深度约为0.020英寸。

优选的是，棘轮齿围绕棘轮圆周均匀形成。被定义为沿着棘轮的半径在齿端与连接齿侧的齿槽的圆弧之间延伸的距离的每个齿的深度相同。对于每个齿，齿的两侧之间的内部角(内角)都相同，对于每对相邻的齿，相邻齿的侧面之间的角度(邻角)相同。

棘爪齿的尺寸和棘轮半径R2(图5)与棘爪半径R1(图18)之比可由可以通过改变棘爪齿要精确配合棘轮齿的初始设定而定。也就是说，棘爪齿的深度，内角和邻角最初匹配棘轮齿的相应尺寸。然后每个棘爪齿的两侧相对于齿的理论末端朝向彼此旋转1.5度(例如，应用计算机辅助设计“CAD”系统)，因而，齿的内角大约减少3度，然后棘爪每一侧的三个最外面的齿的不负载侧105被削了0.003-0.005英寸，齿的末端被倒圆。从最外面的齿到棘爪中心圆度提高以便倒圆的末端限定一个公共半径(在制造公差以内)。如将要理解到的，这个过程导致在棘爪齿的承载侧103和相对的棘轮齿侧之间的轻微非齐平结构。

因为棘爪半径R1(图18)大于棘轮半径R2(图5A)，棘爪齿内角α和邻角Φ不均匀，这点可以从图18看出来。该变动由转动棘爪齿的非承载侧105而导致，以便每个齿的内角α减少一个小于棘轮齿的内角的所需的量(优选地为1到2度)。该调整导致在棘轮齿非承载侧和棘爪齿非承载侧105之间产生间隙。间隙减少或消除流动粘力(由机构的脂或油产生)和棘爪和棘轮之间的锥度配合，因而，在棘动和棘爪反转的过程中促进棘爪齿从棘轮齿中光滑移过。

图18示出棘爪齿到中心齿107一侧的尺寸。齿107相对侧上的齿的尺寸和位置是所示出一侧的镜像，因此没有示出。类似的，图19提供了同一棘爪侧的齿的末端和齿槽的圆半径。这些结构也在棘爪另一侧上镜像。

图21示出用于为1/2英寸驱动套筒定尺寸的棘轮机构的棘爪。棘爪半径R1(图17)由用于1/2英寸棘轮机构的(例如1.155英寸)的棘轮直径和用于3/8英寸棘轮机构(例如0.866英寸)的棘轮直径之比来决定的，以获得棘爪R1(图21)为0.611英寸。棘爪半径与棘轮半径之比再次为1∶1.12。棘轮和棘爪的齿的深度大约为0.028英寸。

可以理解到棘轮直径之比用于按比例确定棘爪、回动杆、棘轮机构头部、和其他棘轮机构部件的尺寸。用于确定比率的棘轮直径在棘轮齿端之间测量得到。当确定棘爪半径与棘轮半径之比时，R1被测量到棘爪齿(图17)的末端，R2被测量到棘轮齿(图5A)的齿槽。

图22和23示出一个用在为1/4英寸驱动套筒定尺寸的棘轮机构的棘爪。棘轮和棘齿的深度大约为0.015英寸。对于1/2英寸尺寸，可以通过按棘轮尺寸比按比例换算3/8英寸棘爪半径来限定用于1/4英寸棘轮机构的棘爪半径。然而，这种按比例直接减少会带来棘轮齿和棘爪齿在制造公差可能引起连接齿之间冲突的地方定尺寸，棘爪设计步骤优选地重新执行。这样，棘爪尺寸可以通过与上面相对于3/8英寸设计所讨论的相同的步骤确定，除了(1)所有棘爪齿的非负载侧被刮削，(2)非负载侧被削了大约0.001-0.002英寸，和(3)两个中心棘爪齿被去除。图23中所形成的棘爪半径R1是0.347英寸-稍微小于如果根据棘轮比(如0.773)直接从3/8英寸棘轮换算的半径。类似的，棘爪半径与棘轮半径之比是1∶1.09-再次稍微与3/8和1/2英寸棘轮不同。

图17-23示出了棘轮/棘爪半径比在不同尺寸工具之间改变，但是该比率也可以在相同尺寸的工具之间改变。也就是说，一个给定工具的特定比可以独立于其它工具设计来选择，优选地在1∶1.08到1∶1.3的范围内。特定工具设计的比率可以通过实验和误差确定，但可以认为确定半径比的适合范围的两个主要因素是(1)棘轮半径和(2)棘轮与棘爪上齿的深度。一旦这些参数被选定，半径比可以在CAD系统或其它绘图方法中通过图24中讨论的替代的方法来选定。

图24是棘轮48和棘爪94的CAD描绘。CAD系统的操作在这个领域能够很好地理解，因而这儿不再讨论。开始，棘爪和棘轮设置成彼此面对。为了前后关系的目的示出了棘轮扳手头部的本体，但优选地从CAD制图中省略。理论上每个棘爪齿的末端(如，非倒圆的)位于穿过棘轮48的中心115和棘爪负载侧上相对的棘轮齿之间的齿槽的相应的线123上。所有棘爪齿的内角α(图18)一致，并与棘轮齿的邻角相同。棘爪齿的深度与棘轮齿的深度相同，且所有的齿至今未倒圆。初始的棘轮/棘爪半径比可以任意地选择。邻角φ(图18)取决于选定的初始半径比，但对于所有棘爪齿相同。如果选定比率1∶1，棘爪的邻齿角φ与棘轮齿之间的邻角相同。

接着，在棘爪的中心齿的一侧选定一个支点齿(pivot tooth)。优选的是，支点齿是主要负载齿。在棘爪任一侧的负载齿的特定数量取决于棘爪上齿的密度、棘爪背部的设计和棘爪所抵靠安装的隔室壁的设计。假设这些因素已知的设计，可以通过将非常高的负载施加到棘轮机构上并观察哪个齿首先剪切或仅仅从先前设计的经验中评估设计来确定承载齿。在图24中示出的实施例中，承载齿是棘爪端109向内的四个最外面的齿，支点齿优选地为齿111-这些齿中最靠近中心齿107的一个(图18)。

选定支点齿后，移动棘爪以便支点齿111与棘轮上相邻齿117和119之间的间隙精确对齐地被接纳。即，齿111完全容纳在齿117和119之间的间隙中，它的侧面103和105分别相对齿117和119的相对侧平齐。如果初始半径比不是1∶1，支点齿是精确配合在它相对的棘轮齿之间的唯一齿。支点齿任一侧上的齿与它们相对的棘轮齿之间的间隙逐渐失准。

最终的棘爪半径沿着包括棘轮48的中心115和支点齿的未倒圆的末端的径向线113限定。线113上一点121最开始限定为如在CAD系统上最初画的棘爪齿的未倒圆末端的曲率中心。也就是说，点121是棘爪半径的原点。支点齿限定了该点，在该点处，棘轮半径限定的弧与棘爪半径限定的弧相切。为了确定最终的棘爪半径(在这种情况下，到棘爪齿的理论尖端的半径)，点121沿着线113移到点115之后。棘爪齿之间的邻角根据变化的棘爪半径而变化。棘爪齿的深度和内角、以及其相对棘轮齿之间的间隙内的支点齿的对齐(alignment)保持固定。随着点121沿着线113移近中心点115，棘爪半径减少，在支点齿任一侧的棘爪齿移近进入相对的棘轮齿之间的间隙。与此相反，随着点121远离中心点115移动，棘爪半径增大，在支点齿任一侧上的棘爪齿远离棘轮齿移动。优选地是，点121选择成使得中心齿相对侧上的与支点齿最外面的齿125的未倒圆末端在二分之一到完全脱离其相对的棘轮齿之间的间隙范围内。也就是说，假定由棘轮齿之间的齿槽127限定的弧被赋值为0，而由棘轮齿末端限定的弧被赋值为1。棘爪齿125的末端优选地设置在包括并在位于0.50和1.0的两段中间弧之间的范围内。

在一个替换实施例中，通过选择径向线113而不是其它方式来确定支点齿。一旦棘爪由CAD系统在与棘轮相结合的两个楔形位置之一定位，线113以与中心线131成25度绘出，以便线113穿过棘爪的负载侧。线所穿过的齿被选择为支点齿，且线113绕点115旋转，以便它穿过选定齿的末端。如果线113精确地穿过两个棘爪齿之间，可以选定这两个齿之间任何一个，但更外面的齿是优选的。在选择支点齿和调整线113之后，以与上述讨论相同的方式确定棘爪半径。

一旦确定棘爪半径并由此确定了棘轮/棘爪半径比，棘爪齿被修改为工作尺寸。棘爪仍然由CAD系统在相对图24所示的棘轮的楔入位置定位，支点齿保持与它相对的棘轮齿对齐。包括支点齿的每个齿的非负载侧105绕齿的末端转动，以便齿的内角优选地小于棘轮齿的邻角1到2度。中心齿面对负载棘轮齿的一侧在该步骤中调整作为非负载侧，承载侧103不调整。这样，除了支点齿，棘轮齿的承载侧与其相对的棘轮齿侧稍不平齐。

这在棘爪的一侧限定了棘轮齿的尺寸。然后调节棘爪另一侧的齿以成为第一侧的镜像(关于棘爪中心线)。棘爪(和棘轮)的齿按需要倒圆。如图19所示，倒圆的末端优选地保持在公共圆弧上。

此时，完成了棘爪齿的设计，具有选择尺寸的棘爪可以在如图4A-4C所示的工具中工作。特别地，选择棘爪半径以便最外面的非负载齿的末端一半或完全脱离棘轮齿，这通常确保了当棘爪的一侧或另一侧与棘轮相啮合地楔入棘爪隔室中时，只有在负载一侧上的负载抵靠棘轮齿，从动侧的齿保持不负载状态。

虽然上述讨论描述了棘轮机构中的棘轮/棘爪的布置。但是应该理解本发明可以包括其它棘动工具，例如如图15A到15F所示的棘轮扳手。通常，棘轮扳手310的操作原理与棘动工具10(图1)相同。棘轮扳手310包括把手312和从把手延伸的头部314，它可以由适合的材料如不锈钢或金属合金制成。把手312可以是实心件，并具有大致矩形的横截面，尽管把手312的长度和横截面可以按需要改变。

头部314包括限定了大致为圆柱形通孔隔室316的壁328。一个较小的半圆隔室318在连接板部分320、中间头部314和把手312中限定。大致圆柱形的隔室324穿过面322进入连接板320与隔室318重叠。隔室318由连接板320的在上、下封闭，隔室318开口进入两个隔室316和324中。围绕隔室316的沟槽330从壁328靠近顶边缘处延伸入头部314，以接收下面讨论的C形夹。一个环状突出部分334从壁328靠近壁的底边缘处径向向内延伸入隔室316。

隔室318与上述的棘动工具10(图2)中的棘爪隔室不同，在于头部14的上、下表面都被封闭在隔室上。隔室318可以由键槽铣刀或计算机数控铣床形成，该铣床通过将切割工具插进隔室316中来切割隔室318。切割工具有一个轴，轴端有一个圆盘状刀具，并在圆盘的周围形成切割刀口。圆盘的半径大于隔室316和324之间的隔室318的深度，圆盘高度小于连接板20的厚度。工具首先伸进隔室316内以便穿过圆盘中心工具轴和轴平行于圆柱形隔室316的轴线。也就是说，切割圆盘通常与隔室共面。

隔室316接收棘轮336。棘轮具有一个与壁328同心的内表面338，并限定多个围绕内表面338等角隔开的对准平面350，以连接螺钉、螺母或其它工件的侧面。棘轮336的外圆周限定了一系列垂直排列的齿340。棘轮336的底侧限定了一个由平坦的环形肩台344围绕的延伸部分342。延伸部分342与突出部分334配合，以便肩台344落座在突出部分上并在下轴向方向上保持棘轮环336。延伸部分342以充分间隙与突起334配合，以便突出部分在径向上固定棘轮，却又允许棘轮相对于头部314旋转。

棘轮336围绕其外表面靠近其上端限定一个环形沟槽346。随着棘轮插入头部，一个从沟槽346延伸的C形环348向内压缩到沟槽中。当沟槽330和346对齐时，C形环卡进沟槽330，由此在上轴线方向固定棘轮336。

棘爪394容纳在隔室318中以便隔室318的上、下表面从上下保持棘爪。回转杆372包括一个把手部分374和在把手部分之下延伸的底部376。底部376限定一个接收弹簧386和大致圆柱形的推动器的盲孔391。推动器在它的后端有一个盲孔390，在其前端为一个倒圆的末端。孔390接收弹簧386，弹簧从孔391径向向外推压推动器388。

连接板320中的孔326接纳杆底部376。虽然提供了充分间隙以便回动杆容易在孔中旋转，但是底部376的外径约等于孔326的内径。推动器延伸进入棘爪后面的凹进中。和上面相对于棘轮机构所讨论的方式一样，杆的旋转使棘爪跨过隔室318在其两个楔入位置之间移动。

与棘轮机构类似，图15A-15F中示出的扳手可以制成不同尺寸。尺寸由棘轮中接收的工件尺寸表示，以便平面350接合并施加转矩到工件上。也就是说，例如，21/4英寸扳手可以旋转一个21/4英寸六角紧固件。

和棘轮机构一样，扳手中棘轮和棘爪的尺寸随着整个工具的尺寸而改变。在优选实施例中，棘轮和棘爪的齿深约为0.012英寸。和棘轮机构一样，棘爪齿的末端限定一个半径大于由棘轮的齿槽限定的曲线半径的曲线。给定扳手的棘轮半径与棘爪半径之比同样可以由与上述相同的方式确定，且优选在1∶1.08到1∶1.3之间。在1/4英寸驱动棘动扳手的优选实施例中，棘轮/棘爪半径比为1∶1.09。在典型的5/16、1/2、5/8和3/4英寸扳手中，每个扳手的半径比在1∶1.08到1∶1.30的范围内。

通过比较图3A-4C和图15A-15F很明显看出，套筒棘轮机构和驱动棘轮扳手在其棘爪隔室形状上有所不同，套筒棘轮机构的棘爪隔室由单独的盖板封闭，但是驱动棘轮扳手的棘爪隔室由连接板上下密封。棘爪隔室的形状、棘轮和棘爪的外形也不同，下面将更详细讨论。然而，应该理解这些实施例只是作为例子给出。因此，例如，可以构造一个带开口棘爪隔室的驱动棘轮机构和一个带封闭棘爪隔室的套筒棘轮机构。

回到图15A-15F，隔室318形状不同导致棘爪后部结构不同。例如，隔室318比图4A-4C所示工具中的隔室更浅，并因此棘爪从头前到后更窄，另外，隔室318在区域352和354处的弯曲壁限定不同的曲线，当棘爪楔入隔室壁与棘轮之间时棘爪的表面356和358在弯曲壁处接合隔室。然而，在替换实施例中，在最初键槽切割之后切割工具使壁区域352和354变平，以便由每个表面限定的平面(即垂直于页面的平面)相对于工具的中心线319限定一个所需的角度Θ，如图15B所示。在一个优选实施例中，这个角度优选地在27度到35度的范围内，如大约31°。

另外，图15A-15F示出了棘轮和棘爪的齿不必从棘轮和棘爪的顶部一直延伸到底部。在上面讨论的套筒棘轮机构例子中，棘轮的齿部形状是圆柱形的。也就是说，如果棘轮定位成圆柱轴线垂直，则棘轮齿在棘轮的相对轴端之间沿笔直的垂直线延伸。相应地，棘爪齿也在棘爪上、下表面之间垂直线笔直延伸。然而，在本领域可以理解到，棘轮可以形成为在棘轮中心的外棘轮表面直径小于顶部和底部的直径。也就是说，棘轮的外表面是凹的，且棘轮齿在棘轮的顶部和底部之间以向内曲线垂直延伸。这样，示出了取棘轮顶端和底端中间的中间剖面的俯视图的图15A说明了棘轮齿朝棘轮底边缘向外延伸。棘爪面形成相对应的凸形，以便棘爪齿在棘爪顶部和底部之间以向外曲线延伸来与棘轮齿内接合。图15E和15F示出凹棘轮和凸棘爪的例子。

如上所述，棘爪齿设置在一弧上，该弧限定了一个大于棘轮齿半径的半径。在定义半径比中，如图15A-15C所示，优选地，在穿过棘轮和棘爪顶半部和底半部之间的中间的平面处考虑棘轮齿半径和棘爪齿半径。

仍如图15A-15C所示，中间两个棘爪齿可以除去以形成梁360。这不影响梁任一侧上齿的设计。例如，一整组棘爪齿可以如上面讨论的设计，带有附加的消除中心齿或如果棘爪中心线在两齿之间而不是单一中心齿穿过时消除两个中心齿的步骤。在本领域应该理解到，中心齿起到很小或不起作用。可以认为除去它们可以促进棘爪的棘动和转换运动。

特别参照图15E和15F，在棘轮相对轴向边缘之间延伸并由凹入的垂直棘轮齿52之间的齿槽限定的圆弧的半径700可以等于在棘爪面顶侧和底侧之间延伸并由凸出的垂直棘爪齿102的边缘限定的圆弧半径702。然而，要考虑到在对准棘轮和棘爪上的纵向齿的过程中制造公差的影响以及棘轮在高转矩负载下的扭曲变形的影响，棘爪的凸起半径702优选地小于棘轮凹进半径700。在一个3/4英寸驱动棘轮扳手的实施例中，例如，凹入的棘轮半径700是0.236英寸，而凸出的棘爪半径是0.156英寸。这种布置使得扳手有效地操作，即使棘轮和/或棘爪齿脱离垂直对准达到0.015英寸。应该理解凹入的垂直棘轮半径与凸起的垂直棘爪半径之间的这种不匹配可以实施，而不论棘轮齿和棘爪齿的圆周半径之间的关系如何。也就是说，凹入和凸起半径可以不同，不管由连接棘轮齿的齿槽的圆弧所光限定的半径是否等于由连接棘爪齿的末端的圆弧所限定的半径。

另外，应该理解棘轮和棘爪的凹入和凸起半径可以分别在棘轮和棘爪上的任意适合的位置限定，当棘爪齿啮合棘轮齿时它们彼此相对。这样，例如，凹入的棘轮半径可以在棘轮齿的边缘处限定，而凸起的棘爪半径可以在棘爪齿之间的齿槽处限定。

此外，棘动工具的结构可以影响棘轮和棘爪的凹入和凸起半径之间的不匹配程度或愿望(desirability)。例如，图15D所示的工具中的棘轮可以比图3B所示的由工具头部本身从顶部保持的棘轮经历更大的扭曲变形，在图15D的工具中，棘轮由C形夹从顶部保持，这是因为后面的结构对工具在使用过程中一般通过棘轮在向上方向施加的力施加更大的阻力。于是，当在任何一种布置中采用棘轮和棘爪的轮廓半径不匹配时，棘轮从顶部由固定器而不是扳手本身固定的结构是特别令人满意的，例如图15D所示的实施例。

如上所述，棘轮半径和棘爪半径之间的小于1∶1(如棘轮半径小于棘爪半径)的比的限定有助于在棘爪从棘爪隔室的一侧转换到另一侧时使棘爪从棘轮上除去。参照图13、13A和14A-14C，这也可以由具有类似于图15A-15C所示的棘爪的形状的棘爪400来实现，主要是除了(1)棘爪齿均匀设置成在半径等于棘轮半径处越过棘爪面，以及(2)棘爪形成为铰接在一起的两个半部，以便两个半部相对于彼此枢转。棘爪可以设置在象图15A-15F的扳手结构的扳手412的隔室410中。虽然因此扳手结构不再进一步地详细讨论，但是应该理解该棘爪可以应用在扳手和棘轮设计的变形中，也可以应用在其它类型的棘动工具中。因而，应该理解棘爪的形状可以改变以适应使用棘爪的工具的设计，应该理解在此讨论的实施例只是作为一个例子提出。

棘爪400沿从棘爪凹进418的后部到梁420的线分成两半部414和416，在棘爪表面的任一侧对称分离棘爪齿422和424。两半部之间的切口完全延伸过棘爪，包括一个从棘爪凹进的底部区域向后延伸的架子，其中架子被分成两半426和428。

一个突起从架子半部428延伸进入在架子半部426中限定的相应沟槽中。突起开始为一个狭窄的销(finger)，在其端部扩展成圆形横截面。突起尺寸定位使得在两半部414和416之间留下小间隙，因而使两半部围绕突起的圆形部分稍微旋转。在图13和13A中示出的实施例中，两半部可以旋转约10度。然而应该理解到两半部可以被允许相对于彼此旋转的角度可以改变并应该根据给定工具的设计来选定。例如，如下面会变得明显的，该角度可以通过棘爪后部的形状和棘爪隔室的形状限定在上限上(highend)。如果棘爪和/或隔室壁设计成，棘爪与壁的接合可能能够限制棘爪从孔的一侧转换到另一侧，棘爪两半部之间的间隙应该被设定成棘爪两半部不能旋转到这种角度。在下限上，棘爪两半部应该被允许至少旋转到在棘爪从棘爪隔室的一侧旋转到另一侧时棘爪容易从棘轮中脱离。

棘爪半部可以被允许在许可角度内自由枢转。然而，在优选实施例中，枢转突起的端部向上延伸入圆柱形销430中，弹簧432绕着销缠绕以便弹簧的相对端将棘爪两半部偏压到一起。因而，参照图14A和14C，当棘爪在隔室410任一侧上的两个楔入位置之一上啮合棘轮48时，两组棘爪齿422和424啮合棘轮齿。

参照图14C，棘爪半部416楔在隔室410的壁和棘轮之间，因而是负载的那一半部。在这个位置上，杆434旋转，以便推动器436接合棘爪凹进在半部416后部上的那部分，以便棘动力通过负载半部指回到推动器。随着杆转动将棘爪转换到隔室的另一侧，推动器的前端移到半部414上并朝棘爪隔室的另一侧相对棘轮齿侧偏压半部414。这促使棘爪枢转以便在半部414前边缘的齿422被驱动到棘轮齿中，同时负载侧的齿424从棘轮齿中被远离棘轮齿偏压。因为棘爪两半部可以彼此相对围绕销430枢转(图13)，因此棘轮齿和半部416上的齿424之间的反作用力导致半部416相对于半部414轻微旋转，因而促使齿424从棘轮齿中脱离。随着半部416远离棘轮齿移动，如图14B所示，齿422跨到棘轮齿上直到棘爪齿跳过棘轮齿，并且棘爪转换到图14A所示相对的楔入位置。

再参照图13，销430的顶部足够低以便推动器可以摆过棘爪凹进，而不与销干涉。在图16A-16C中示出的实施例中，枢转销保持在推动器(未示出)路径之下，但平行于棘爪面对齐。更确切地，棘爪500包括两个半部502和504，其上限定对称的两组棘爪齿506和508，当棘爪啮合棘轮时，这两组棘爪齿与棘轮齿限定了一个公共半径。棘爪半部502包括一个突起514，突起延伸进入在半部504中形成的切口中。突起514包括一个圆柱形通孔516，该通孔接收从棘爪半部504向上延伸的圆柱形销，以便棘爪半部可以彼此相对围绕销枢转。突起514从棘爪半部502伸出一段距离以便半部之间的间隙522允许半部枢转到一个所需的角度。一个螺旋弹簧521围绕销520缠绕，以便弹簧521的相对端朝棘轮偏压棘爪半部。推动器末端(未示出)接合，并在棘爪凹进侧510和512之间在销520和突起514之上移动。棘爪500在扳手中的操作和上面相对于图14A-14C的讨论相同。

虽然上面讨论了本发明一个或多个优选实施例。但是应该理解本发明的任何所有等效的实现形式都包括在本发明的范围和精神内。所描述的实施例只是作为例子提出，并不意味是本发明的限制。因而，本领域技术人员应理解，因为可以进行许多改进而本发明不限于这些实施例。因此，可以构想到任意和所有这些实施例都包括在本发明的权利要求的范围内。

Claims

1.一种棘动工具，所述棘动工具包括：

一个本体；

一个设置在本体中的棘轮，且棘轮在其圆周上限定了多个齿，以便棘轮齿限定具有从齿根测量的第一半径的第一圆弧；和

一个设置在本体中的棘爪，以便棘爪可相对于棘轮在第一位置和第二位置之间横向移动，

在第一位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在第一旋转方向上传递转矩，以及

在第二位置，棘爪设置在本体和棘轮之间以便本体通过棘爪在相反的旋转方向上传递转矩，

其中，棘爪限定多个面向棘轮的齿，棘爪齿限定了具有大于第一半径的第二半径的第二圆弧，其中该第二半径是从所述棘爪齿的齿顶测量的。

2.如权利要求1所述的工具，其中，第一半径与第二半径之比在从1∶1.08到1∶1.3的范围内。

3.如权利要求1所述的工具，其中，棘轮齿的边缘基本上笔直并彼此平行地在棘轮的相对的轴向端之间延伸，且棘爪齿的边缘基本上笔直，彼此平行并与棘轮齿的边缘平行地在棘爪面的相对两侧之间延伸。

4.如权利要求1所述的工具，其中，棘轮齿的边缘在棘轮的相对轴向端之间以均匀的曲线延伸，该曲线从相对的轴向端向内延伸以便由齿限定的棘轮的外表面在中心区域凹入，其中棘爪齿的边缘在棘爪面的相对侧之间以均匀的曲线延伸，该曲线远离相对两侧地延伸，以便棘爪面在中心凸出，其中棘爪齿在棘爪的中心区域和棘轮的中心区域与棘轮齿啮合。

5.如权利要求4所述的工具，其中，一个第三圆弧在棘轮的相对轴向端之间延伸，并由棘轮的凹入中心区域限定，其中一个第四圆弧的半径在棘爪面的相对两侧之间延伸，并由棘爪的凸出中心区域限定，以便当棘轮齿啮合棘爪齿时，第四圆弧与第三圆弧相对，其中由第三圆弧限定的半径大于由第四圆弧限定的半径。

6.如权利要求1所述的棘动工具，其中，

所述本体具有头部和与头部相连的细长臂；

由所述头部限定第一隔室；

一个第二隔室由所述本体限定并开口到第一隔室内；

所述棘轮设置在第一隔室中，以便所述棘轮齿面向第二隔室；且

所述棘爪设置在第二隔室中，以便棘爪可跨过第二隔室相对于棘轮在所述第一位置和所述第二位置之间横向滑动。

7.如权利要求6所述的工具，包括一个设置在本体中的与棘爪驱动接合的杆，以便杆的致动在第一位置和第二位置之间驱动棘爪。

8.如权利要求6所述的工具，其中，第一半径与第二半径之比在从1∶1.08到1∶1.3的范围内。

9.如权利要求8所述的工具，其中，第一半径与第二半径之比是1∶1.09。

10.如权利要求8所述的工具，其中，第一半径与第二半径之比是1∶1.12。

11.如权利要求6所述的工具，其中，棘轮包括一个从棘轮轴向延伸并远离头部的杆，其中杆被构造成在其上接收和保持住驱动套筒。

12.如权利要求6所述的工具，其中，棘轮限定一个中心孔，棘轮在孔周围限定多个平面，这些平面设置成棘轮将旋转转矩施加到容纳在中心孔内与该平面接合的工件上。

13.如权利要求6所述的工具，其中，棘爪齿具有倒圆的末端，且第二半径延伸到该倒圆的末端。

14.如权利要求6所述的工具，其中，棘爪齿具有倒圆的末端，且第二半径延伸到由棘爪齿平的侧面的理论交叉点限定的棘爪齿的理论末端。

15.如权利要求6所述的工具，其中，棘轮齿的边缘基本上笔直并彼此平行地在棘轮的相对轴向端之间延伸，且其中棘爪齿的边缘基本上笔直，彼此平行并与棘轮的齿缘平行地在棘爪面的相对两侧之间延伸。

16.如权利要求6所述的工具，其中，棘轮齿的边缘在棘轮的相对轴向端之间以均匀曲线延伸，该曲线从相对的轴向端向内延伸，以便由齿限定的棘轮的外表面在中心区域凹入，其中，棘爪齿的边缘在棘爪面的相对两侧之间以均匀的曲线延伸，该曲线远离相对侧延伸，以便棘爪面在中心区域凸起，其中棘爪齿在棘爪的中心区域和棘轮的中心区域与棘轮齿啮合。

17.如权利要求16所示的工具，其中，一个第三圆弧在棘轮的相对轴向端之间延伸，并由棘轮的凹入的中心区域限定，一个第四圆弧的半径在棘爪面的相对侧之间延伸，并由棘爪的凸起的中心区域限定，以便当棘轮齿啮合棘爪齿时，第四圆弧对着第三圆弧，其中由第三圆弧限定的半径大于由第四圆弧限定的半径。

18.如权利要求1所述的棘动工具，其中：

所述本体具有头部和与头部相连的细长臂；

所述棘动工具还包括由头部限定的第一隔室；和由本体限定的并开口到第一隔室的第二隔室；

所述棘轮设置在第一隔室中，以便棘轮齿面向第二隔室并形成具有第一半径的第一圆弧；和

所述棘爪设置在第二隔室中，以便棘爪可穿过第二隔室相对于棘轮在所述第一位置和所述第二位置之间横向滑动，

其中，所述第一半径与所述第二半径之比在从1∶1.08到1∶1.3的范围内；并且

所述棘动工具还包括设置在本体中与棘爪驱动接合的杆，以便杆的致动在所述第一位置和所述第二位置之间驱动棘爪。