CN1296436A - 转动储能装置及含有该装置的工具 - Google Patents

Abstract

一种转动储能装置(10)或弹簧,其包括一滚子－凸轮组件,该组件有一轴(14)、一绕该轴可转动地布置的环(12),和至少一个布置在轴和环之间的滚子(16)。滚子(16)这样构形,即一旦环与轴发生相对转动,滚子就与环发生干涉,将环和轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。在环和轴之间布置有许多间隔开的滚子。在轴、环、滚子和其组合上提供一对称或非对称的凸轮形状。还提供一具有支撑环的转动储能装置,支撑环具有交替的薄和厚横截面区域,支撑环被分度以提供对抗每一滚子的低和高刚度区域。

Description

转动储能装置及含有该装置的工具

本发明主要涉及含有弹簧的转动储能装置，尤其涉及可用在惯性为基的施加扭矩工具的转动储能装置。

弹簧是具有较高效率、当它们在施加的力例如扭矩、力、弯矩或其任意组合作用下偏转而储能、而当去除施加的力时它们返回到它们的原始位置而释放出储存的能量的部件或装置。它们的主要特性是它们与施加的力的幅度和方向成线性或非线性比例偏转。各种类型的弹簧使用在当它们偏转而与施加的力反作用时的储能的机器或工具中。实际弹簧的一些示例包括螺旋盘绕的扭簧、螺旋盘绕的压缩弹簧、扭力杆、多片簧和充气囊。

弹簧用于各种应用中，例如，用于紧固螺纹紧固件的低反作用工具。这些工具是一般的加速一转动惯性质量通过相对大的运行角的装置。这种加速是采用一有与该工具的输出扭矩能力相比相对低的扭矩输出的马达而形成。随着惯性质量的加速，它产生动能。在惯性质量已经移动过一大角度(例如，180度或更大)之后，一离合装置将该转动惯性质量经某种类型的扭簧与工件接合。惯性质量的随后的消极加速产生一扭矩输出，该扭矩输出与由该加速马达供给的扭矩相比相对较高。这种高的扭矩输出并不反作用到使用者，因为这种反作用是由与飞轮或惯性质量的消极加速相关的扭矩提供的。

为了紧固一螺纹固定件，必须通过施加扭矩转动螺栓而夹紧接头。螺栓都有容许右手紧固件的顺时针转动的一定的导程或螺旋角，以移动一螺母或部件，在螺栓中产生张紧。当夹紧与反转方向相对的接头时该角使螺栓更难旋转(即，高扭矩)，反转方向使接头变松。当就一摆动驱动系统的低反作用工具而论，由于上面讨论的原因，具有对紧固件施加相等的向前和反转扭矩的储能装置将导致接头变松。

在共同转让的题为“共振摆动质量为基的施加扭矩工具”的美国专利申请US08/865037(现已授权)中，其中在此参照该申请，公开了一种共振施加扭矩的工具，通过在驱动马达上施加了一偏力矩而克服了这种障碍，从而形成的紧固扭矩大于松动扭矩。然而这种偏力矩在工具外壳上产生一必须由操作者来反作用的偏扭矩。对于低扭矩范围的工具，偏力矩将较小，这可能更适当。

在第二个共同转让的题为“具有双刚度弹簧的摆动质量为基的工具”的美国申请US08/865043(现已授权)，其中在此参照该申请，公开了一种使用一双刚度弹簧的共振施加扭矩工具。如其中所启示的，双刚度弹簧在紧固方向上对扭转有更大的阻力(即，较大刚性)，在松动方向上对扭转有更小的阻力(即，较小刚性)。用于扭转工件的能量通过在其共振频率或接近其共振频率摆动一质量弹簧系统而形成，用于偏置输出扭矩的装置由双刚度弹簧提供。这种系统通过明显减少或消除工具外壳上产生的净扭矩而提供一无反作用的紧固系统。结果，这种系统尤其适于高扭矩范围的工具。

在设计用于这些低反作用的扭矩工具、也用于各种其他的应用中的弹簧时，一个重要的特性是施加的扭矩如何随弹簧的角位移变化。双刚度弹簧比如在授权的美国专利申请US08/865043中的那些形成不同于依赖所施加扭矩的方向的扭矩-角度关系(即，弹簧刚度)。虽然这些刚度在正反扭转方向上不同，但它们在每一方向上仅是略微非线性的，而且，虽然不是不可能，但不容易加工这些弹簧的扭矩-角度关系，以在每一或两方向上提供各种线性或非线性的刚度形状。将希望提供一弹簧，其中扭矩-角度关系可容易形成，以当在每一或两方向上偏转时提供不同的线性或非线性的弹簧刚度。这将给设计师和工程师提供比那些由一般扭簧和扭杆提供的更大的弹性。

当扭矩施加到转动的弹簧从而弹簧在角度上偏移时，在弹簧上做功，且弹簧储能。如果弹簧是完全弹性的，那么所有储存的能量可以通过使弹簧回转过它偏转的角度而恢复，该弹簧称作100％的效率。图1示出了一转动弹簧的扭矩-角度关系的一示例，示出这样的弹性关系。如果弹簧不是完全弹性的，就象所有实际弹簧的情况，一定量的能量在弹簧回转过它的偏转角度时损失，且仅一部分储存的能量被恢复。图2和3示出了显示无弹性的转动弹簧的扭矩-角度关系的示例，示出了“损耗”特性，其中损失的能量由曲线之间的区域表示。在许多应用中希望高弹性的弹簧，而在其他应用中可能希望低弹性的弹簧。因此，希望提供一种弹簧设计，其中弹性的程度可以容易地变化，从几乎100％的效率到某希望的低效率。

作为负载能力而已知的另一设计标准，也就是可以施加到储能装置上而没有损坏它的最大扭矩也很重要。在许多应用中，容纳储能装置所需要的体积也是很重要的。因此，有高负载能力和小包装尺寸的储能装置也将是所希望的。

前面阐明了公知的存在于现存弹簧中的局限性。因此，很明显提供一种针对克服上述的一或多个局限的替代弹簧设计是有利的。因此，提供一种新的包括在下文更充分描述的特征的弹簧。

本发明概述

根据本发明，提供一转动储能装置或弹簧，其包括一滚子-凸轮组件，该组件有一轴、一绕该轴可转动地布置的环，和至少一个布置在轴和环之间的滚子。滚子这样构形，即一旦环与轴发生相对转动，滚子就与环发生干涉，将由环和轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。可取的是在环和轴之间布置有许多间隔开的滚子。在轴、环、滚子和其组合上提供一对称或非对称的凸轮形状。还提供一具有支撑环的转动储能装置，支撑环具有被分度的交替薄和厚横截面区域，以提供对抗每一滚子的高低刚度区域。

从下面结合附图对本发明进行的详细描述，上述的和其他方面将变得更加明显。

附图的简要说明

图1是表示具有弹性特性的转动储能装置的扭矩角度关系图；

图2是表示具有“损耗”特性的转动储能装置的扭矩角度关系图；

图3是表示类似于图2的但具有较低“损耗”特性的转动储能装置的扭矩角度关系图；

图4A是根据本发明的部分组装的转动储能装置的轴测图；

图4B是图4A所示的部分组装的转动储能装置的正视图；

图5A是图4A和4B所示的转动储能装置的正视图，其中有一环形的间隔件保持环来保持各部件的装配；

图5B是图5A所示的转动储能装置沿剖面线“5B-5B”的轴向剖面图；

图6A是从“零升程”位置逆时针方向转动的图6B所示的转动储能装置的示意性横向剖面图；

图6B是相当于图4A所示的转动储能装置沿剖面线“6B-6B”的示意性横向剖面图，其中在零升程位置有三个典型的滚柱；

图6C是从“零升程”位置顺时针方向转动的图6B所示的转动储能装置的示意性横向剖面图；

图7是转动储能装置在驱动环从图6B的中性方位逆时针转动到图6A所示的位置过程中所产生的干涉力的动态表示；

图8是示出根据本发明的图4-5所示的转动储能装置的轴和环施加在滚柱上的每一接触区的法向和切向摩擦力的自由体受力图；

图9是图6B所示的转动储能装置从零升程位置转动到图6A和6C所示的逆时针和顺时针位置时扭矩-角度关系和径向位移的图；

图10A是根据本发明的具有楔块形状的滚子的转动储能装置的另一实施例的端视图；

图10B是图10A所示的楔块形状的放大图，该形状提供了一种对称的扭矩-角度特性；

图10C是另一楔块形状的放大图，该形状可并入图10A所示的转动储能装置中，以提供一种对称的扭矩-角度特性；

图10D沿顺时针方向转动的图10A所示的转动储能装置的局部图；

图11A是根据本发明的另一实施例的部分组装的转动储能装置的轴测图；

图11B是图11A所示的部分组装的转动储能装置的正视图，其中有一滚子被去除而在内环面上示出一凸轮形状；

图12是根据本发明的另一实施例的具有封入的支撑环的转动储能装置的端视图；

图13是装有根据本发明的一滚子-凸轮组件的摆动质量的工具的横截面图；

图14A和14B是表示用于使根据本发明的转动储能装置的扭矩-角度关系反转的凸轮形状的示意性端视图；以及

图15A和15B是根据本发明的可逆式转动储能装置的一实施例的横向剖面图。

优选实施例的详细描述

通过参照附图，本发明是很容易理解的，其中附图中相同的部件采用相同的附图标记。特别强调的是，根据惯例，在图中示出的部件的各尺寸不是依比例的，而是为清楚起见放大的。

现在参照附图，图4A、4B、5A和5B所示的是根据本发明的第一实施例的转动储能装置或弹簧，它是一滚子-凸轮组件10，其包含一轴14、一可绕该轴转动设置的环12和设置于轴14和环12之间的至少一个滚子16。该至少一个滚子的定位是这样，即在环相对于轴刚一转动，滚子就与环和轴发生干涉，而将环和轴之间的相对运动所产生的机械能转换并进行储存。最好是有多个间隔开的滚子16，如在环12和轴14之间所示布置。从图4A和4B的局部结构可以看出，轴14配装有凸轮形状的装置20，该装置附接于该轴或与轴成为一整体。轴14的一端作为输入/输出界面，或者说附接于且最好是集成于环12的轴件13。滚子16设于环12的内径和轴14的凸轮形状20之间并接触两者，每一滚子产生两个接触区。一般通过设计环12的内径与滚子发生干涉利用预加载荷来保持部件接触，最好是通过加压配合或收缩配合将滚子-凸轮组件10组装在一起。滚子-凸轮组件10的结构一般通过将一环形分隔件18设置并保持在轴14上来完成，其中采用如图5A和5B所示的保持环19。轴14和轴件13彼此相对可转动地安装，且通过推力轴承17或其他的如图5B所示位于它们之间的装置进行轴向定位。

现在将相对于图6A-6C所示的三个滚子-凸轮位置描述滚子-凸轮组件10的运行。为了简化对滚子-凸轮装置的运行的解释，根据本发明，在这些有三个滚子16的图中示出一滚子-凸轮组件的示意性平面图。图6B所示的滚子-凸轮组件10，其中的滚子16处于零升程、距离轴中心的轴线的最小径向距离处。

在运行中，一经轴件13给环12施加足够的外部扭矩，环12就绕轴14转动。导致滚子16依次在轴14的凸轮形状20上滚动且环12在滚子16上滚动。如果没有凸轮形状存在，滚子-凸轮组件10将以类似于滚柱轴承的方式运动。然而，由于凸轮形状，环12相对于轴14从图6B中它们的位置的角偏转产生一回复扭矩，该扭矩趋于驱动滚子回到它们的零升程位置。

图6A所示的是环12从图6B的零升程位置逆时针方向转动时的滚子凸轮组件，而图6C是环12从图6B的零升程位置顺时针方向转动时的滚子凸轮组件。图6A和6C所示的滚子16的位置分别逆时针和顺时针转动，在滚子16和环12之间产生相同程度的径向干涉。图6A和6C中所示的点画线示出了滚子16的零升程位置，以说明它们从图6B所示的前一位置的相对运动。

根据本发明的滚子-凸轮组件10在理想情况下适于提供多种扭矩-角度特性。在某些应用中，希望得到如图1所示的对称扭矩-角偏转特性，其中用于正反扭转方向的刚度大小是相同的。在其他应用中，希望得到非对称扭矩-角偏转特性，其中用于正反扭转方向的刚度大小不同。而且，因为凸轮形状可以很容易地改变，可以设计出具有不同扭矩角度外形的装置且容易配置。在图6A-6C中示出的凸轮形状装置表示了一提供图9所示的非对称扭矩-角度特性的示例。

在图9所示的起点处示出了当滚子-凸轮组件10处于图6B所示的零升程滚子-凸轮方位状态时扭矩和径向干涉。滚子-凸轮组件顺时针转动到图6C所示的位置相应于从图9所示的起点的正角方向。相反，滚子-凸轮组件逆时针转动到图6A所示的位置相应于从图9所示的起点的负角方向。观察图9，可以看出一给定的正角偏转比相等的但是相反的负角偏转产生一个更大的扭矩。

虽然不希望束缚于或局限于任何理论，但通过该结构，滚子-凸轮用作如下所述的势能储能装置。当由轴13驱动的环12进行如图6A所示的转动时，滚子16绕轴14作圆周运动。轴14上的凸轮形状20的存在驱使滚子16径向向外运动，在滚子16和环12之间产生更大的干涉。由于这种干涉，如图8所示的自由受力体曲线图表示，在从零升程位置偏转一定角度之后，在与轴14和环12接触的每一接触区在滚子16上产生较大的法向力和切向摩擦力。

由施加在滚子上的环的干涉和凸轮形状产生的法向力分别导致要施加在环12和轴14上的相等的但相反的力Nr和Ncs。图7所示的是在驱动环12中逆时针方向从图6B所示的中间位置(由虚线表示的相对于滚子16和环12的位置分别用标记点P1和P2标记)转动到图6A所示的位置(以实线示出的分别有标记点P1和P2，指示滚子16和环12的随后的相对位置)过程中，由滚子16产生的要施加在环12和轴14上的干涉力的动态表示。在运动到图6A所示的方位过程中，由滚子16产生的更大的干涉驱使环12如图7所示膨胀，从而储存势能。势能的额外存储是通过滚子16和轴14的压缩而产生的。

因此，给轴13施加一扭矩导致该环绕轴14的角偏转。在每一角度偏转位置，存在有回复扭矩。如图1所示，通过绕轴14的转动角度施加的扭矩的积分等于在使滚子凸轮弹簧变形过程中作用在该滚子凸轮弹簧上的功。能量，定义为做功的能力，存在于弹簧内，且可通过减少施加在轴上的扭矩而释放。随着所施加扭矩的减少，滚子凸轮趋于返回到其零升程位置，而储存在弹簧中的能量释放出来，滚子凸轮对轴13做功。

更详细地说，虽然不希望束缚于或局限于任何理论，但滚子-凸轮组件10用作以下述方式的势能储存装置。如图7所示，随着滚子移动凸轮远离零升程位置，虽然法向力Nr和Ncs在量上相等，但作用在轴14的凸轮形状上的法向力Ncs’的方向变化，从而不再通过轴14的转动中心。结果，一力矩通过该法向力Ncs’施加在轴14上，该力矩与由切向摩擦力F1产生的力矩结合，在轴14上产生一合成扭矩。为了保持滚子的平衡，在每一滚子16和环12之间必须存在一切向摩擦力F2。所有这些以等于到轴的转动中心Cr的径向距离的力臂作用在每一滚子/环界面上的所有切向摩擦力F2的总和，在环12上产生一个回复扭矩。因此，以任何偏转位置施加在环12上的扭矩依赖于法向和切向力，其中法向力主要依赖于由凸轮形状导致的在滚子和环之间的径向干涉。

而且，虽然可以想象上面讨论的势能的储存可以通过提供相对于零升程位置对称的凸轮形状而完成，但对不同的应用比如下面详细讨论的应用，可能希望一种非对称的凸轮形状，以在每一方向提供不同的扭矩角度特性。如果提供这样的非对称凸轮形状比如图6A-6C所示的，如果由轴13驱动的环12沿图6C所示的相反转动方向(即顺时针)转动，那么滚子16沿一更快速上升的凸轮形状移动。在图6C中，已经需要一明显更小的角度来获得与图6A中所得到的同样的径向干涉，且压力角(即在滚子和轴之间的接触点的法线和从转动中心Cr到滚子中心延伸的径向线之间的角)更大。虽然在每一方向上相等的径向干涉产生相等的施加在滚子接触区的法向力，但在顺时针方向时凸轮形状的更大的压力角需要更大的切向摩擦力来保持滚子的平衡。结果，当将环12从零升程位置沿顺时针方向移动时，这些作用在每一滚子/环界面上的较大的切向摩擦力比沿逆时针方向移动时产生更高的回复扭矩。

因此，通过提供一相对零升程位置是非对称的凸轮形状，也就是，其中凸轮上升和上升速度的不同依赖于转动方向，可以产生依据方向而明显变化的扭矩-角度特性。而这使得通过如上所述加工凸轮形状，而进行有不同等级回复扭矩的大约等量的势能的储存和释放。重要而应当指出的是从逆时针到顺时针转动的转换平滑地进行，而没有部件之间接触的损失，因此比其他的靠中断接触来改变扭矩-角度关系的方案更安静。

可取的是，为了防止系统中的能量损失，上述的凸轮形状这样来设计，即在相对转动的过程中在每一滚子16和轴14之间形成的压力角足够小，以防止滑动。这种设计提供了滚子16相对于轴14之间的滚动动作。作为选择，可以采用在滚子16相对轴14之间能够滑动的凸轮形状，以提供扭矩-限制特征或产生下面将详细描述的“损耗”特性。

虽然结合上面讨论的原理的实施例具有较大的实用性，但也可包括提供修整设计的扭矩-角度特性的能力的用于各种应用的变型。例如，随滚子的径向上升也经受偏转的滚子和轴，可以在环12被阻止挠曲或不能制成如图6所示的柔性的应用中进行调整。这可以例如通过采用一中空的轴来完成，该轴象图15A和15B所示的那样弯曲，其中在下面详细描述实施例。作为选择或此外，为此目的也可使用中空的滚子。

另一凸轮形状实施例

此外，虽然上面相对于一滚子凸轮组件10进行了描述和示出，其中该组件仅在轴线方向上沿轴14在外部设置凸轮形状，但很容易认识到通过使三个互相作用的部件，即轴13、滚子16、环12之一或其组合配有对称或非对称的凸轮形状，可以提供其他替代的实施例。

A．楔块凸轮形状

图10A-D所示的是另一实施例，其中凸轮形状设置成在滚子上的楔块形状。图10B所示的是在顺时针方向(Rc1)和逆时针方向(Rcc1)上曲率半径相等的楔块21。通过在作为外环道的环12和安装在轴14上的环形内环道之间匹配楔块21，如图10A所示，可以设置一具有对称扭矩-角度特性的滚子凸轮组件25。图10D所示的是图10A描绘出的环12顺时针转动的滚子凸轮组件25的一部分。设置的虚线楔块本体表示在环12已转过一较小的顺时针角度，如环的虚线延伸部分所示，之后的楔块21的位置。在每一楔块本体和环之间的干涉可以检测到。这些干涉产生较高的法向力，而法向力产生保持滚子平衡的切向摩擦力。这些切向摩擦力作用在远离转动中心处，提供了上面详细讨论的回复扭矩。图10C所示的是另一楔块23的配置，其中曲率半径在顺时针(Rcl’)和逆时针(Rccl’)方向上不相等。通过用楔块23代替楔块21可以提供具有非对称特性的滚子-凸轮组件25，从而提供不同的半径，其中该半径在各顺时针和逆时针方向(分别示为Rcl和Rccl)是有效的，依据该方向环12从零升程位置转动。因此，以楔块为基础的滚子凸轮组件25的运行本质上类似于相对图6所示且上面详细描述的滚子-凸轮组件10讨论的特性。

在本发明中有用的楔块与那些本领域内公知的用于超越离合器中的相同。这样的楔块的示例是由Formsprag Company、Warren、Michigan制造的。虽然这样的楔块在超越离合器中运行是通过在一个转动方向上滑动而在另一个方向上锁定部件而使转动部件相互相对自由地运转，但它们不同于在根据本发明的滚子凸轮中的运转，本发明中的运行是通过在两转动方向传递扭矩而不使其自由运转。

B．环曲率，“零-净压力角”

图11A和11B所示的是滚子-凸轮组件40的另一实施例，其中凸轮形状装置是作为环42的内表面上的凸轮形状43而设置的。凸轮形状43可用作唯一的凸轮形状装置或结合其他的凸轮形状。例如，通过在环42上提供凸轮形状43和在轴14上提供凸轮形状20，如图所示，可以控制扭矩-角度关系而获得更有益的结果；在滚子的整个运动范围内“净压力角”可保持为非常接近零。虽然存在滚子和轴上的凸轮之间的压力角，但在环/滚子界面处引入一新的压力角，环/滚子界面可以这样设计，即使作用在滚子上的法向力有效地直接相对。结果，滚子上的移动作用极大地减小，从而提供了一种在变化的润滑状态下的耐用性设计。采用这种方式，可以用来构成滚子-凸轮组件40的材料范围扩大，从而提供了更大的设计弹性。

C．支撑环配置

在另一实施例中，机械的扭矩-角度特性可以通过使用支撑环52来调整，该支撑环同心地位于滚子-凸轮组件50的环12的周围并接触该环12，且可相对其转动。支撑环52包括凹穴53，它相对于凸轮形状51定位以如下所述改变环12的变形。图12所示的配置具有一滚子-凸轮组件50，除轴14在多个相等间隔开的零升程位置的每一位置的两侧含有一对称的凸轮形状51之外，该组件类似于上述的滚子-凸轮组件10。绕环12还设置了一同心的支撑环52，该支撑环与环12径向轻接触。同心支撑环52在内径上设有多个凹穴或凸纹53，以提供被标明的厚和薄的壁厚，以确定交替的高刚性区和低刚性区，这些区依次分别提供更紧的扭矩和更松的扭矩。如下面更详细地讨论，转动有凹穴的支撑环53相对于环12转动的能力使得扭矩-角度关系可被调整和反转。

对于那些本领域的技术人员来说，阅读了现在的公开内容就很容易认识到可以通过其他提供高和刚性区域的装置来获得同样的特性，例如，通过提供如图15A和15B所示的有凹穴的内轴或通过在主内轴上提供凹穴，其中凹穴可以基本上是空的或填满了支撑材料，以提供上面讨论的高刚性和低刚性特性。

已经详细描述了根据本发明的滚子-凸轮装置的结构和运行，对于那些本领域的技术人员来说，将很容易理解这样的装置在各种应用中特别有用。例如，根据本发明的滚子-凸轮装置可结合到共振无惯性扭矩施加工具中。关于滚子-凸轮组件所提供的扭矩-角度关系的设计适应性使它成为这样的工具的理想机构，其中该组件能在一方向上比其他方向上提供更大的扭转刚性。当激励共振时，滚子-凸轮组件将在一方向上比其他方向上以更小的角度将动能转换成势能，因此在该方向上产生更大的扭矩。结果，将要固紧的紧固件在高扭矩方向上转动，但在相反方向上产生的低扭矩作用下不倒退。共振系统需要更低的损失，以获得更高的利益--本发明的滚子-凸轮组件的滚动(与滑动相反)元件可用来提供这一效果；因此相对较小的马达可用来产生更高的扭矩。滚子-凸轮组件的软和硬特性之间的平滑滚动过渡也将提供一运行中更安静的工具，提供一对于工具来说特别希望的用于延长时间周期的特性。

可以想象根据本发明的滚子-凸轮组件可适于将轴件13与DC电机耦合，比如在允许的上述’043应用中图1所示的飞轮转子4。图13所示的是一摆动质量为基的工具示例的示意性表示，其中该工具含有本发明的滚子-凸轮组件的一实施例。在这种配置中，滚子-凸轮组件10将代替’043应用的转动弹簧-质量摆动器的双刚度弹簧，其中滚子-凸轮环12和转子34作为摆动质量。如图13所示，轴件13牢固地啮合，用于与由转子34驱动的心轴33一起转动。将滚子-凸轮组件10的轴14构形成与一插座35干涉，该插座用于紧固如’043应用的图1所示的螺纹紧固件，该插座可以是夹头型插座或其他夹紧装置。

通过从马达与转子速度同相地供能，转子以共振或接近共振的模式摆动。转子在如图6B所示的滚子-凸轮的零升程位置到达峰值速度。在该点，转子和直接耦合于其上的环12绕轴14快速转动。大量的动能由于它们转动质量惯性矩和它们的角速度而储存在其中。随着滚子凸轮从零升程位置的偏转，回复扭矩开始增加，其中回复扭矩是凸轮形状和由于干涉产生的力的函数。这种扭矩作用消极地增加转子/环的惯性；转子/环的惯性在滚子凸轮弹簧上作功，来自惯性的动能转换成滚子凸轮的势能。随着滚子凸轮继续转动，回复扭矩继续消极地增加转子/环的惯性，直到它使惯性停止，而使大量势能储存在滚子凸轮中。现在已经停止的转子/环惯性运动的回复扭矩开始反方向加速它们，而滚子凸轮中的势能返回转换成转子/环的惯性的动能。由于零升程位置附近的凸轮型面的不对称，在沿顺时针方向转动环12到图6C所示的位置时，滚子凸轮能在更小的转动角度和更短的时间内停止转子/环的惯量，从而形成更大的回复扭矩。

当在高扭矩方向上形成的回复扭矩大于移动紧固件所需要的扭矩时，可能不再保持轴14的平衡，且作用在它上面的扭矩开始沿顺时针方向加速它，给紧固件输送能量。换句话说，当紧固件不再抵抗产生的扭矩时，它开始沿扭矩施加的方向前进。随着轴的加速，依据保存在转子/环惯性中的角动量，滚子可继续在凸轮上爬升或轴可转动得足够快，从而滚子“滞后”，滚动回到零升程位置，相对于轴有一负角速度。当固定件停止运动时，保存在滚子凸轮中的势能将返回到转子/环，沿逆时针方向加速它们。马达继续与它们的角速度同相地驱动转子/环，且能量继续传送到摆动器。理想情况下，在从零升程位置逆时针方向转动过程中在轴14上形成的扭矩不足以大到逆时针转动紧固件，当在环的相对顺时针转动中遇到高扭矩时，它将再向前转动。

因此，根据本发明的滚子-凸轮组件可用于转动的弹簧惯性摆动器，该摆动器具有依据转动方向变化的扭矩-角度特性，从而在一转动方向上比在其他方向上提供更高的扭矩(即，含有比如在图6中提供的非对称凸轮形状)。较高扭矩方向可用于紧固螺纹固定件。而且，根据本发明的滚子-凸轮组件10可用于为“DC偏置”的转动弹簧惯性摆动器(即，通过采用D.C.脉冲马达的含有一对称凸轮形状来提供非零平均扭矩，如提供的’037应用中所述)。

在两种情况下，根据本发明的滚子-凸轮组件可采用扭矩输出低于紧固螺纹紧固件所需要的马达。这通过采用马达与转子速度同相地驱动转动的弹簧惯性摆动器来完成，从而输入到系统中的能量总是正的。所产生的系统的角偏转和转子的角速度将继续增加，直到在输出轴上形成的扭矩足够克服固定件的扭矩，此时固定件向前转过一定角度。能量在摆动器中再次积聚，直到固定件中新等级的扭矩被克服，在此点紧固件被进一步紧固。

结果，希望通过这样的结构，获得一轻重量且有相对小的包装尺寸的便携工具，通过采用一更小的输出扭矩马达而仍然提供具有高输出和高扭矩能力的工具。虽然上面结合运行部件比如一前支撑轴承28、一后支撑轴承26、一马达定子32、一扳机开关30和一动力控制缆索36进行了讨论和显示，但这些部件是用来显示将滚子凸轮组件装入一摆动质量为基的扭矩工具中的优选实施例。对于那些本领域的普通技术人员来说，其他关于这样工具的基本操作的通常理解的构成部件是很容易认识到的，因此为清楚起见没有示出。

在特定情况下，希望沿相反方向移动紧固件；也就是，扭矩-角度关系必须改变，从而沿相反方向驱动紧固件。图14A和14B所示的是一轴14上的凸轮形状，该形状可用于反转滚子-凸轮组件10的扭矩-角度关系。如图14A和14B所示，凸轮形状在凸轮上升的高点上成镜面对称。当装入一工具比如上面相对于图13示出和描述时，滚子-凸轮组件10可通过来自DC马达的摆动扭矩充分激励摆动质量(即，转子34)而反转，以滚动滚子16在凸轮升程的顶部上升且滚入如图14B所示的相反侧(即，反转位置)上的运行状态。这种反转也可通过转动环12来移动在凸轮升程的顶部的滚子16而手工完成。只要希望在凸轮升程峰值的这侧的运行，那么激励被限制，从而滚子偏移不会导致扭矩-角度关系的反转。

对于那些本领域的普通技术人员来说，在阅读了本申请的内容后将认识到本发明的其他实施例也是可逆的。例如，图12所示的实施例具有一支撑环52，其可通过转动该独立于环12的支撑环而绕其反转，从而凹穴53的方位反转(即，相对凸轮形状51的零升力位置成镜像)。通过这样作，交替高低刚性的区域反转，从而当环12和支撑环52一起从零升程位置沿顺时针方向转动时，滚子-凸轮组件50将形成比它们沿顺时针方向转动时更高的扭矩。

图15A和15B所示的是根据本发明的一滚子-凸轮组件60的可反转的另一实施例。滚子-凸轮组件60类似于图4A和4B所示的滚子凸轮组件10，除了实心轴14被空心轴64替代之外，该空心轴具有内孔65和位于孔65内且在其中可转动的反转机构66。孔65内的反转机构66的转动通过一分度键67限制，该键配装在反转机构66内的一槽中且由此轴向延伸，用于在图15A和15B中所示的位置之间转动。滚子-凸轮60的反转通过在孔65内转动反转机构66来完成。在图15A所示的位置，反转机构66给空心轴64在沿由点“A-B”表示的弧的孔65的界面处提供刚性支撑。象上面讨论的滚子-凸轮组件50的支撑环52，当环12沿逆时针方向从零升程位置转动时由反转机构66提供的刚性支撑区比当环12沿顺时针方向转动时形成更大的扭矩。将反转机构66转动到图15B所示的位置，提供给空心轴64的刚性支撑区沿由点“A’-B’”表示的孔65的弧移动。在该位置，滚子-凸轮组件60反转，从而当环12沿逆时针方向从零升程位置转动时比当环12沿顺时针方向形成更大的扭矩。

虽然已经示出和描述了本发明的实施例和应用，但对那些本领域的技术人员来说，很明显可以有许多的改变而不会脱离在此所述的本发明的构思。例如，虽然示出了本申请的各种说明具有一定数目滚子的滚子-凸轮组件的图，但根据所期望的滚动特性可以采用任何数目的滚子。所需要的是至少一个用在滚子-凸轮组件中的滚子在环和轴之间提供干涉，从而如上详细所述的储能。另外的滚子可提供另外的干涉或不干涉，但只是仅在环和轴之间提供滚动支撑。

此外，虽然上面关于一以相对的弹性方式施加扭矩的转动弹簧进行了示出和描述，但对那些本领域的普通技术人员来说，很容易认识到部件的材料将影响这种特性。例如，钢做成的部件将提供低损耗弹簧，而弹性材料可通过产生一阻尼作用而有助于形成隔离。可以想象在特定的情况下，在最近的情况，导致更大“损耗”特性(即，恢复能量的数量小于原来移动该装置所做的功的特性)的材料可装入滚子凸轮组件，以产生这种阻尼作用。例如在动力工具中，更多的手持气动和电动工具通过马达驱动，马达给轴提供扭矩。依次，这种轴可通过一组行星齿轮减速。在两种情况下，扭矩通常由工具外壳来抵消，所供扭矩的变化导致振动和反作用，使用者一般必须吸收。在这种设置中，损耗可能是用于阻尼振动的吸引特征或减少系统对震动的反应；这样，该装置作为一吸收件和隔离件。然而，在某些情况下，希望非常低的损耗。本发明依据所用材料的性质，有助于两种应用。

因此可以理解本发明能够改进，所以不局限于上述的精确描述。相反，可以在权利要求的等同范围内作出各种详细改进，而不会脱离本发明的构思。

Claims (39)

1．一种转动储能装置，其包含：

一轴；

一可转动地布置在所述轴周围的环；以及

至少一个布置在所述轴和所述环之间的滚子，一旦所述环相对于所述轴转动，所述至少一个滚子就与所述环和所述轴干涉，从而将由所述环和所述轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。

2．如权利要求1所述的转动储能装置，其特征在于，其还包括在由所述轴，所述环、所述至少一个滚子和其组合构成的组中选取的一部件上设置一凸轮形状装置。

3．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状是非对称的。

4．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状是对称的。

5．如权利要求1所述的转动储能装置，其特征在于，其还包含一绕所述环同心布置的支撑环。

6．如权利要求5所述的转动储能装置，其特征在于，所述支撑环包含被分度的交替薄和厚横截面区域，以提供对抗每一滚子的低和高刚度区域的区域。

7．如权利要求6所述的转动储能装置，其特征在于，所述支撑环可绕所述环转动，从而对每一滚子来说反转被分度的所述低和高刚度区域的方位。

8．如权利要求5所述的转动储能装置，其特征在于，其还包含在由所述轴、所述环、所述至少一个滚子、所述支撑环和其组合构成的组中选取的一部件上设置一凸轮形状装置。

9．如权利要求8所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状是非对称的。

10．如权利要求8所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状是对称的。

11．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状装置是沿所述轴在轴线方向上在外部设置的。

12．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述轴还包含一纵向孔和设于所述孔的内轴，所述轴包含被分度的交替的薄和厚横截面区域，以提供对抗每一滚子的低和高刚度区域的区域。

13．如权利要求12所述的转动储能装置，其特征在于，所述内轴可在所述孔内转动，从而对每一滚子来说反转被分度的所述低和高刚度区域的方位。

14．如权利要求13所述的转动储能装置，其特征在于，所述内轴可通过一分度键装置在所述孔中转动。

15．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状装置通过在所述滚子上的楔块形状来提供。

16．如权利要求15所述的转动储能装置，其特征在于，所述楔块形状是非对称的。

17．如权利要求15所述的转动储能装置，其特征在于，所述楔决形状是对称的。

18．一种共振摆动质量为基的施加扭矩工具，其包含：

一可转动的共振摆动质量；

一将所述摆动质量连接于一转动的摩擦设定工件的可转动储能装置，所述转动储能装置包括

一轴；

一可转动地布置在所述轴周围的环；以及

至少一个布置在所述轴和所述环之间的滚子，一旦所述环相对于所述轴转动，所述至少一个滚子就与所述环和所述轴干涉，从而将由所述环和所述轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。

19．如权利要求18所述的共振摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，其还包含在由所述轴、所述环、所述至少一个滚子和其组合构成的组中选取的一部件上设置一凸轮形状装置。

20．如权利要求18所述的共振摆动质量为其的施加扭矩工具，其特征在于，其还包含一绕所述环同心布置的支撑环，所述支撑环包含被分度的交替的薄和厚横截面区域，以提供对抗每一滚子的低和高刚度区域的区域。

21．如权利要求1所述的转动储能装置，其特征在于，其还包含一在所述轴上用于导致至少一个滚子与所述环干涉的凸轮形状装置；

所述凸轮形状装置具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置；

所述第一凸轮型面和第二凸轮型面相对于所述零升程位置是非对称的，从而一旦从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，就分别由所述第一和第二凸轮型面提供相对高和低的刚度存在区域。

22．一种转动储能装置，其包含：

一轴；

一可转动地布置在所述轴周围的环；以及

多个布置在所述轴和所述环之间的滚子，一旦所述环相对于所述轴转动，所述多个滚子就与所述环和所述轴干涉，从而将由所述环和所述轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。

23．如权利要求22所述的转动储能装置，其特征在于，其还包含多个在所述轴上的凸轮形状装置，这些凸轮形状装置对应适于并导致所述多个滚子与所述环干涉。

24．如权利要求23所述的转动储能装置，其特征在于，所述多个凸轮形状装置的每一个具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置；

25．如权利要求24所述的转动储能装置，其特征在于，所述第一凸轮型面和所述第二凸轮型面相对于每一所述凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第一凸轮型面移动；以及

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第二凸轮型面移动。

26．如权利要求23所述的转动储能装置，其特征在于，所述多个凸轮形状装置包含：多个第一凸轮形状装置，其具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置，所述第一凸轮型面和所述第二凸轮型面相对于每一所述第一凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第一凸轮型面移动；以及

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第二凸轮型面移动；以及

多个第二凸轮形状装置，其绕所述轴在所述多个第一凸轮形状装置之间交替定向，所述第二凸轮形状装置具有第三凸轮型面和第四凸轮型面，在所述第三和第四凸轮型面之间有一零升程位置，所述第三凸轮型面和所述第四凸轮型面相对于每一所述第二凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第四凸轮型面移动；和

一旦沿与第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第三凸轮型面移动；

所述滚子可共同地移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

27．如权利要求26所述的转动储能装置，其特征在于，所述多个滚子通过使所述环相对于所述轴转动而移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

28．如权利要求18所述的共振摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，其还包含一个在所述轴上的凸轮形状装置，用于使所述至少一个滚子与所述环干涉；

所述凸轮形状装置具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置；所述第一凸轮型面和所述第二凸轮型面相对于所述零升程位置是非对称的，从而一旦从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，就分别由所述第一和第二凸轮型面提供相对高和低的刚度存在区域。

29．一种共振摆动质量为基的施加扭矩工具，其包含：

一可转动的共振摆动质量；

一将所述摆动质量连接于一转动的摩擦设定工件的可转动储能装置，所述转动储能装置包含

一轴；

一可转动地布置在所述轴周围的环；以及

多个布置在所述轴和所述环之间的滚子，一旦所述环相对于所述轴转动，所述多个滚子就与所述环和所述轴干涉，从而将由所述环和所述轴的相对转动产生的机械能转换并实现储存。

30．如权利要求29所述的共振摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，其还包含多个在所述轴上的凸轮形状装置，这些凸轮形状装置对应于并导致所述多个滚子与所述环干涉。

31．如权利要求30所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述多个凸轮形状装置的每一个具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置；

32．如权利要求31所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述第一凸轮型面和所述第二凸轮型面相对于每一所述凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第一凸轮型面移动；以及

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第二凸轮型面移动。

33．如权利要求30所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述多个凸轮形状装置包含：

多个第一凸轮形状装置，其具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置，所述第一凸轮型面和所述第二凸轮型面相对于每一所述第一凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第一凸轮型面移动；和

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第二凸轮型面移动；和

多个第二凸轮形状装置，其绕所述轴在所述多个第一凸轮形状装置之间交替定向，所述第二凸轮形状装置具有第三凸轮型面和第四凸轮型面，在所述第三和第四凸轮型面之间有一零升程位置，所述第三凸轮型面和所述第四凸轮型面相对于每一所述第二凸轮形状装置的它们的相应零升程位置是非对称的，且构形成

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较低刚度的区域的所述第四凸轮型面移动；以及

一旦沿第二方向从所述零升程位置移动所述多个滚子，所述滚子就沿相对于所述滚子而提供较高刚度的区域的所述第三凸轮型面移动；

所述滚子可共同地移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

34．如权利要求33所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述多个滚子通过使所述环相对于所述轴转动而移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

35．如权利要求33所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述多个滚子通过给所述摆动质量施加一接近共振的激励扭矩而移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

36．如权利要求2所述的转动储能装置，其特征在于，所述凸轮形状装置包含：

至少一个第一凸轮形状装置，其具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置，其中

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第一凸轮型面移动；和

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第二凸轮型面移动；和

至少一个第二凸轮形状装置，其与所述至少一个第一凸轮形状何装置交替定向，所述至少一个第二凸轮形状装置具有第三凸轮型面和第四凸轮型面，在所述第三和第四凸轮型面之间有一零升程位置，其中

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第四凸轮型面移动；和

一旦沿第二方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第三凸轮型面移动；

所述至少一个滚子可移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

37．如权利要求19所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述凸轮形状装置包含：

至少一个第一凸轮形状装置，其具有第一凸轮型面和第二凸轮型面，在所述第一和第二凸轮型面之间有一零升程位置，其中

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第一凸轮型面移动；和

一旦沿与第一方向相反的第二方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第二凸轮型面移动；和

至少一个第二凸轮形状装置，其与所述至少一个第一凸轮形状装置交替定向，所述至少一个第二凸轮形状装置具有第三凸轮型面和第四凸轮型面，在所述第三和第四凸轮型面之间有一零升程位置，其中

一旦沿第一方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第四凸轮型面移动；和

一旦沿第二方向从所述零升程位置移动所述至少一个滚子，所述至少一个滚子就沿所述第三凸轮型面移动；

所速至少一个滚子可移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二形状装置的所述零升程位置之间移动。

38．如权利要求37所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述至少一个滚子通过使所述环相对于所述轴转动而移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二凸轮形状装置的所述零升程位置之间移动。

39．如权利要求37所述的共振的摆动质量为基的施加扭矩工具，其特征在于，所述至少一个滚子通过给所述摆动质量施加一接近共振的激励扭矩而移入并在所述第一凸轮形状装置和所述第二凸轮形状装置的所述零升程位置之间移动。

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