專利名稱：變速工具及其變速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變速工具，尤其是一種由電機驅(qū)動的帶變速傳動機構(gòu)可輸出不同轉(zhuǎn)速的工具，如電鉆、螺絲批和錘鉆等。本發(fā)明還涉及該類變速工具的變速控制方法。
背景技術(shù)：
一種變速工具，如電鉆、螺絲批和錘鉆等，帶有變速傳動機構(gòu)可輸出不同的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的負載扭矩。變速工具的變速傳動機構(gòu)通常都包括連接馬達和輸出軸的齒輪傳動機構(gòu)和控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過改變與齒輪傳動機構(gòu)的嚙合關(guān)系從而改變傳動比，使得輸出軸輸出不同的速度。在現(xiàn)有技術(shù)中，如美國專利公告第68M491號揭示的自動變速機構(gòu)，其控制系統(tǒng)可根據(jù)負載扭矩變化自動調(diào)整與齒輪傳動機構(gòu)的嚙合關(guān)系實現(xiàn)不同速度的輸出，該控制系統(tǒng)利用帶凸輪面的推環(huán)旋轉(zhuǎn)推動滑環(huán)軸向移動，進而驅(qū)動齒輪傳動機構(gòu)中的內(nèi)齒圈軸向移動與設(shè)置在外殼上的止轉(zhuǎn)裝置卡接。歐洲專利申請公開第EP0787931A1 也公開了一種自動變速機構(gòu)。上述這些自動變速機構(gòu)均以機械結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系變化對應(yīng)輸出扭力的變化來實現(xiàn)自動換檔，這種機械式變速機構(gòu)不僅使得齒輪傳動機構(gòu)內(nèi)部的機械構(gòu)造更為復(fù)雜，而且由于內(nèi)齒圈在軸向移動的同時也在轉(zhuǎn)動，而外殼是相對固定的，所以當該變速機構(gòu)在變速的時候，轉(zhuǎn)動中的內(nèi)齒圈的齒與外殼上的止轉(zhuǎn)裝置的齒會相互碰撞而很難嚙合，因此無法真正實現(xiàn)自動換檔及進行產(chǎn)業(yè)化實施的目的。中國公告專利第 CN201093036Y公開了一種電氣式驅(qū)動的變速工具，其控制系統(tǒng)可感測物理參數(shù)并在參數(shù)達到預(yù)定值后控制驅(qū)動裝置進行自動換檔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種變速工具，該工具通過機電結(jié)合的手段來簡化結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)在不同的輸出檔位之間能快速的作自動切換的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種變速工具，包括機殼；馬達，設(shè)置在機殼內(nèi)，并輸出旋轉(zhuǎn)動力；輸出軸；齒輪傳動機構(gòu)，設(shè)置在馬達和輸出軸之間以將馬達的旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到輸出軸上，其包括至少一組齒輪系和一移動件，所述移動件可在第一位置和第二位置間移動， 且在第一位置和第二位置時，所述移動件與所述齒輪系以不同的方式配合，從而齒輪傳動機構(gòu)以不同的減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速；控制系統(tǒng)，包括與移動件配合的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置用于驅(qū)動所述移動件在第一位置和第二位置之間移動；所述控制系統(tǒng)還包括與所述馬達并聯(lián)的電子開關(guān)，當需要改變所述齒輪傳動機構(gòu)的減速比時，所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件在第一位置和第二位置之間移動。優(yōu)選的，在第一位置時，齒輪傳動機構(gòu)以低減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速；在第二位置時，齒輪傳動機構(gòu)以高減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速。優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)還包括電子控制單元，所述電子控制單元用于檢測表征輸出軸負載的參數(shù)，在所述參數(shù)達到預(yù)定值后，所述電子控制單元切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置。優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)還包括電子控制單元和觸發(fā)開關(guān)，當觸發(fā)開關(guān)被人為觸發(fā)時，一電信號生成并傳遞給電子控制單元，電子控制單元響應(yīng)該電信號而切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置或者從第二位置運動到第一位置。優(yōu)選的，所述電子控制單元再次接通馬達電流后斷開所述電子開關(guān)。優(yōu)選的，所述電子開關(guān)接通的時間小于200mS。本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種變速工具的變速控制方法，該方法可以使變速工具在不同的輸出檔位之間能快速的作自動切換。本發(fā)明如前面所述的變速工具的變速控制方法包括以下步驟1)所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流；2)所述控制系統(tǒng)接通所述電子開關(guān)；3)所述控制系統(tǒng)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置。優(yōu)選的，所述變速控制方法還包括1)所述控制系統(tǒng)檢測變速工具物理參數(shù)，判斷變速工具的工作狀態(tài)；2)當所述輸出軸的負載扭矩變化到預(yù)定值時，執(zhí)行所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流的步驟。優(yōu)選的，所述變速控制方法還包括1)人為觸發(fā)所述觸發(fā)開關(guān)，一電信號生成并傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)該電信號而執(zhí)行所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流的步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過電子控制單元對電磁鐵裝置施加電流，來驅(qū)動內(nèi)齒圈線性運動，從而改變齒輪傳動機構(gòu)的減速比，進而實現(xiàn)自動換檔的目的。此外，電子控制單元在執(zhí)行自動換檔時，會先通過先暫停馬達旋轉(zhuǎn)再進行檔位切換， 從而有效避免自動換檔過程中的打齒問題，進而延長工具使用壽命，同時，通過設(shè)置電子剎車而縮短馬達暫停的時間，提高工作效率。


下面以電鉆中的變速機構(gòu)為例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。圖1是本發(fā)明變速工具的局部剖視圖。圖2是圖1中的驅(qū)動裝置的局部放大示意圖。圖3a是本發(fā)明變速工具處于高速檔位時的齒輪傳動機構(gòu)剖視圖。圖北是本發(fā)明變速工具處于低速檔位時的齒輪傳動機構(gòu)剖視圖。圖如是本發(fā)明變速工具的驅(qū)動裝置另一實施例的局部剖視圖。圖4b是圖4中的驅(qū)動裝置的局部放大示意圖。圖5是本發(fā)明變速工具的控制系統(tǒng)原理方框圖。圖6是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)中控制單元第一實施例的原理方框圖。圖7是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)中控制單元第二實施例的原理方框圖。圖8是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)中控制單元第三實施例的原理方框圖。圖9是本發(fā)明變速工具在高速運行和低速運行是的效率曲線圖，以說明變速工具的速度切換時機。圖10是本發(fā)明變速工具另一實施例的側(cè)視圖，其中部分機殼被移除以揭示驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)，此時，驅(qū)動裝置處于高速位置。圖11與圖10相似，此時，驅(qū)動裝置處于高速位置。圖12是沿圖11中A-A線方向的剖視示意圖。圖13是沿圖11中B-B線方向的剖視示意圖。圖14是圖9和圖10中所示變速工具的電磁鐵裝置的剖視示意圖。圖15是本發(fā)明變速工具另一實施例的側(cè)視圖，其中顯示了信號發(fā)生裝置。圖16是圖15變速工具的俯視圖，其中還進一步顯示出側(cè)手柄以及可選擇高速、低速、和自動三種模式的速度模式開關(guān)。圖17a是沿圖15中C-C線方向的剖視示意圖，其中揭示了一種觸發(fā)開關(guān)的形式。圖17b與圖17a類似，其中揭示了另一種觸發(fā)開關(guān)的形式。圖18與圖16類似，但其中速度模式開關(guān)僅具有高速和低速兩種檔位。圖19與圖18類似，但其不具有速度模式開關(guān)，僅具有用于顯示高速和低速狀態(tài)的 LED 燈。圖20是圖16所示變速工具的內(nèi)部電路的簡化圖。圖21是圖20中處理器執(zhí)行自動速度切換的工作流程圖。圖22是圖20中處理器執(zhí)行手動即時速度切換的工作流程圖。圖23是圖16所示變速工具的內(nèi)部電路的另一種實施方式的簡化圖。圖M是圖23中處理器執(zhí)行自動速度切換的工作流程圖。圖25是圖23中處理器執(zhí)行手動即時速度切換的工作流程圖。
具體實施例方式參照圖1至圖北所示，是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)的驅(qū)動裝置第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。一種變速工具9，包括馬達2、馬達供電電源1，啟動/停止馬達的主開關(guān)13、輸出軸6以及齒輪傳動機構(gòu)4。齒輪傳動機構(gòu)4包括由第一行星輪40與第一行星架41組成的第一行星齒輪組、由第二行星輪42及第二行星架43組成的第二行星齒輪組，固定設(shè)置于工具殼體上的止轉(zhuǎn)裝置44以及可軸向移動的移動件45。驅(qū)動裝置5設(shè)置于齒輪傳動機構(gòu)4 上，包括驅(qū)動件52及傳動件51，本實施例的驅(qū)動件是采用一電磁鐵裝置，包括兩個間隔一定距離的永磁鐵521、設(shè)置于永磁鐵中間的鐵芯523及線圈522，其中鐵芯523上設(shè)有一凹槽524。傳動件為一弧形推桿512及與該弧形推桿512配接的鋼絲套513。所述推桿512 具有設(shè)置于凹槽524內(nèi)的配接部。所述移動件45是一具有內(nèi)齒451及端齒452的調(diào)速環(huán) 45，其上設(shè)置容納鋼絲套513的環(huán)形槽453。當電磁鐵通電時，線圈鐵芯523將產(chǎn)生磁性而與兩個永磁鐵521的其中一個發(fā)生吸引。如果電磁鐵的電流反向接通時，鐵芯523則會與另一個永磁鐵521產(chǎn)生吸引，從而帶動推桿512、鋼絲套513及調(diào)速環(huán)45 —起移動。如圖3a所示的高速檔狀態(tài)，此時鐵芯523 被其中一個永磁鐵521吸引，相應(yīng)的，調(diào)速環(huán)45的內(nèi)齒451同時與第一行星架41及第二行星輪42嚙合，此時齒輪傳動機構(gòu)4的輸出轉(zhuǎn)速較高；如圖北所示的低速檔狀態(tài)，此時鐵芯 523被另一個永磁鐵521吸引，相應(yīng)的，調(diào)速環(huán)45的內(nèi)齒451與第二輪42嚙合，同時其端齒452與工具殼體上的止轉(zhuǎn)裝置44嚙合，此時齒輪傳動機構(gòu)4的輸出轉(zhuǎn)速較低。參照圖如及圖4b所示，是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)的驅(qū)動裝置第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在前面所述的驅(qū)動裝置第一實施例中采用的電磁鐵裝置，其目的是通過控制電磁鐵的電流方向來改變極性，來驅(qū)動調(diào)速環(huán)45在高低速檔位間移動。而本實施例中，改用一伺服馬達525來作為驅(qū)動件，用一個螺桿515、帶內(nèi)螺紋的推桿512及鋼絲套513來作為傳動件51，通過伺服馬達525的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)動推桿512在螺桿515上的移動，從而帶動調(diào)速環(huán)45 —起移動，實現(xiàn)高低速檔位的嚙合。請進一步參照圖5，是本發(fā)明變速工具的控制系統(tǒng)原理方框圖。所述控制系統(tǒng)8包括一處理單元3及驅(qū)動裝置5。其中處理單元3包括處理器30及相關(guān)輸入/輸出電路。一信號發(fā)生器35與處理器相連接，而于變速工具主電路電源1與處理器30之間設(shè)置有功能開關(guān)36。驅(qū)動裝置5由處理器30輸出的控制信號所控制，以便執(zhí)行自動換檔動作，同時，驅(qū)動裝置會將檔位信號反饋給處理器30。在變速工具操作過程中，根據(jù)操作者的習(xí)慣或者應(yīng)用場合的實際需要，操作者可以選擇將功能開關(guān)36閉合，從而啟動控制系統(tǒng)8的自動換檔控制功能，換言之，該功能開關(guān)36提供了變速工具9手動模式與自動模式之間的切換功能。 如果操作僅需要其中某一個檔位功能時，則可斷開功能開關(guān)36，用手動模式對變速工具進行換檔操作。當變速工具9處于自動模式時，控制系統(tǒng)8的處理器30檢測變速工具的物理參數(shù)的變化，與預(yù)設(shè)值進行比較，判斷是否需要開始執(zhí)行自動換檔。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可用處理器外接運放電路來代替處理器30進行比較運算。這里所述的物理參數(shù)，可以是電氣參數(shù)， 比如馬達電流、電壓，也可以是其他參數(shù)，比如馬達或輸出軸轉(zhuǎn)速、機械零件的應(yīng)力、扭矩等。在某些使用場合，操作者或許希望能夠在自動模式下仍然可以自行決定換檔的時間點， 也可通過信號發(fā)生器35手動輸入一個控制信號，使控制系統(tǒng)即時實現(xiàn)自動換檔。在自動換檔過程中，控制單元3發(fā)出控制信號給驅(qū)動裝置5，驅(qū)動裝置5中的驅(qū)動件52帶動傳動件51移動，進而將齒輪傳動機構(gòu)4中的移動件45從高速檔位移動至低速檔位。此過程中，如果馬達2仍在給齒輪傳動機構(gòu)4傳遞扭矩，即移動件45仍具有一定的轉(zhuǎn)速，而移動之后需要與靜止的止轉(zhuǎn)裝置44嚙合(參圖3b)，就會造成移動件45與止轉(zhuǎn)裝置 44之間發(fā)生打齒而無法順利嚙合的問題。本發(fā)明為解決這個問題提出了三種解決方案，以下分別進行說明。參照圖6，是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)的控制單元第一實施例原理方框圖。其中處理單元3包括處理器30、速度調(diào)制電路31、負載檢測電路32、驅(qū)動裝置控制電路33及檔位信號反饋電路34。在變速工具9的主電路中，電源與馬達之間進一步設(shè)置一電器開關(guān)10 (比如場效應(yīng)管、可控硅或繼電器等)，該電器開關(guān)10由速度調(diào)制電路31控制通斷狀態(tài)。當變速工具開機時，處理器30控制電器開關(guān)10滯后一段時間(如0. Is)再導(dǎo)通， 在此段時間內(nèi)，首先發(fā)出指令給驅(qū)動裝置控制電路33，給電磁鐵反向通電，將驅(qū)動裝置5復(fù)位至高速檔位狀態(tài)。然后電源1供電讓馬達2啟動并處于高速檔正常運行。此時輸出軸6 帶動工作頭(未圖示)開始進行鉆孔加工。負載檢測電路32以特定頻率采集馬達的負載電流，處理器30則將負載檢測電路32所采集到的馬達負載值與預(yù)設(shè)電流值進行比較。如果馬達負載電流出現(xiàn)長時間超出預(yù)設(shè)電流值的情況，則說明工作頭負載大，工具需要換至低速檔大扭矩輸出狀態(tài)。此時處理器30先發(fā)送指令給速度調(diào)制電路31，控制電器開關(guān)10切斷電源令馬達停轉(zhuǎn)，馬達電流變?yōu)榱?。此時調(diào)速環(huán)的速度也會降低至零轉(zhuǎn)速。之后，處理器發(fā)出指令給驅(qū)動裝置控制電路33，使驅(qū)動裝置5的電磁鐵反向通電， 鐵芯523帶動調(diào)速環(huán)45發(fā)生移動，從而實現(xiàn)高速檔位向低速檔位的轉(zhuǎn)換。因為在換檔之前， 調(diào)速環(huán)45的轉(zhuǎn)速已經(jīng)為零，在其檔位轉(zhuǎn)換至低速檔過程中，其端齒452與止轉(zhuǎn)裝置44的內(nèi)齒441均為靜止狀態(tài)，因此可以很順利的進入嚙合位置，而避免打齒問題的發(fā)生。控制單元3中的檔位信號反饋電路34在檢測到電磁鐵的鐵芯523與另一個永磁鐵521接觸時(本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以設(shè)計成檢測調(diào)速環(huán)與齒輪組件之間的嚙合位置關(guān)系)，則代表調(diào)速環(huán)45已經(jīng)成功移動至低速檔位，處理器則發(fā)出指令給速度調(diào)制電路31，使電器開關(guān)10導(dǎo)通，電源1恢復(fù)給馬達2供電，馬達進入低速大扭矩輸出工作狀態(tài)。需要說明的是，變速工具在高速正常運行過程中，往往因某些特殊情況出現(xiàn)馬達負載電流短時大負載值出現(xiàn)，為了防止換檔動作誤啟動的情況，可以通過設(shè)定處理器的程序來解決，只有當負載檢測電路所采集到的馬達電流超出預(yù)設(shè)值一定的時間(比如設(shè)計時間為0.5s)時，才開始執(zhí)行換檔控制。當然，也可直接將功能開關(guān)36切斷來直接選擇手動模式，避免不希望自動換檔時誤啟動換檔動作。而預(yù)設(shè)的電流值則根據(jù)工具的高速檔極限工作電流值來決定，在本實施例中以30安培為預(yù)設(shè)值。另外，如果操作者希望在某個時刻啟動自動換檔，即便是馬達負載電流還沒有超出預(yù)設(shè)值，也可通過處理器30上的信號發(fā)生器35來輸入一個控制信號，從而即時開始執(zhí)行自動換檔動作。進一步的，處理器也可以設(shè)計成具有學(xué)習(xí)功能，即，記錄操作者每次通過信號發(fā)生器輸入控制信號時的馬達負載電流， 作為設(shè)定系統(tǒng)預(yù)設(shè)值的參考。上述在自動換檔之前控制單元3控制電器開關(guān)10讓馬達2短時停機只是其中一種實施方式。在通常情況下，馬達2的轉(zhuǎn)速如果降低至很小的程度時，換檔過程中調(diào)速環(huán)45 與止轉(zhuǎn)裝置44的嚙合同樣不會出現(xiàn)打齒的問題。參照圖7所示，是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)的控制單元第二實施例。在變速工具9的主電路中，電源與馬達之間的電器開關(guān)10用場效應(yīng)管11來代替，在需要進行自動換檔時，速度調(diào)制電路31通過控制場效應(yīng)管11來提供馬達相應(yīng)的工作電壓，以達到降低馬達轉(zhuǎn)速的目的，從而使調(diào)速環(huán)45與止轉(zhuǎn)裝置44的速度相互匹配，防止打齒現(xiàn)象的發(fā)生。這里所指的速度相互匹配是指調(diào)速環(huán)45與止轉(zhuǎn)裝置44 的相對速度達到一個可以使二者順利進入嚙合位置的范圍。同樣，如圖8所示，是本發(fā)明變速工具控制系統(tǒng)的控制單元第三實施例。在馬達2 與齒輪傳動機構(gòu)4之間設(shè)置一離合器12，速度調(diào)制電路31控制該離合器12降低馬達2傳遞至齒輪傳動機構(gòu)4的扭矩，也可以實現(xiàn)速度調(diào)制的目的，即在調(diào)速環(huán)45移動至與止轉(zhuǎn)裝置44嚙合的位置之前，降低調(diào)速環(huán)45的轉(zhuǎn)速，以防止嚙合過程中出現(xiàn)打齒的問題。綜合上述幾種速度調(diào)制的實施例，可以看出本發(fā)明精神主要在于控制單元3在檢測到馬達2負載長時間超出預(yù)設(shè)值時，通過速度調(diào)制電路31對移動件45與齒輪組件進行速度調(diào)制，在二者的相對速度相互匹配時，再進入下一檔位嚙合狀態(tài)，或者說，控制單元先調(diào)整馬達傳遞給齒輪傳動機構(gòu)的扭矩，再控制驅(qū)動裝置實現(xiàn)自動換檔，從而有效避免自動換檔過程中的打齒問題。另外值得一提的是，在自動換檔動作結(jié)束后，電源1恢復(fù)給馬達2供電，馬達2從極低轉(zhuǎn)速甚至是零轉(zhuǎn)速狀態(tài)瞬時進入低轉(zhuǎn)速大扭矩輸出狀態(tài)，會給操作者造成一個很大的啟動扭矩，如果操作者握持不緊，甚至?xí)?dǎo)致工具從操作者手中松脫而造成危險。為解決此問題，可以通過控制場效應(yīng)管11 (參圖7)來實現(xiàn)馬達2的軟啟動。具體而言，在自動換檔結(jié)束后，恢復(fù)馬達2供電時，控制單元3在一個設(shè)定的時間段內(nèi)(比如0. 6s)，通過定頻調(diào)寬或定寬調(diào)頻等方式來控制場效應(yīng)管，來逐漸增加馬達2的負載電壓，緩慢恢復(fù)馬達2至工作電壓，從而避免換檔后瞬間啟動馬達給操作者帶來的沖擊感覺。應(yīng)用以上所揭示的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的變速工具的變速控制方法是，提供一種變速工具包括電源1、馬達2、輸出軸6、連接馬達和輸出軸的齒輪傳動機構(gòu)4，以及控制系統(tǒng)8，其中齒輪傳動機構(gòu)4包括至少一齒輪組件及一移動件，所述移動件與齒輪組件不同的嚙合方式可提供輸出軸不同的輸出檔位；控制系統(tǒng)8由控制單元3及驅(qū)動裝置5組成，這種變速控制方法包括1)負載扭矩檢測步驟所述控制系統(tǒng)檢測變速工具物理參數(shù)，比如檢測馬達2負載電流、電壓或輸出軸轉(zhuǎn)速，判斷變速工具的工作狀態(tài)；2)自動換檔步驟控制齒輪傳動機構(gòu)的移動件移動至另一檔位。所述負載扭矩檢測與自動換檔步驟之間進一步包括一速度調(diào)制步驟，當所述輸出軸的負載扭矩變化到預(yù)定值時，所述控制單元調(diào)整馬達傳遞給齒輪傳動機構(gòu)的扭矩，使移動件與齒輪組件的轉(zhuǎn)速相互匹配，即調(diào)速環(huán)45與止轉(zhuǎn)裝置44的相對速度達到一個可以使二者順利進入嚙合位置的范圍。所述速度調(diào)制步驟中，通過降低馬達的輸入電壓來降低馬達傳遞給齒輪傳動機構(gòu)的扭矩。在自動換檔步驟之后，進一步包括移動件檔位檢測步驟，以確認移動件已經(jīng)移動至另一擋位。在速度調(diào)制步驟之后，還包括一馬達軟啟動步驟，控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的時間范圍內(nèi)逐步加大馬達的輸入電壓，使馬達恢復(fù)扭矩輸出。以下結(jié)合圖9對本發(fā)明變速工具的自動速度切換的時機進行說明。圖9所示的是變速工具的整機輸出效率Π隨輸出軸負載扭矩T的變化曲線圖。其中整機的輸出效率η 為輸出軸的輸出功率與馬達的輸出功率的比值，nH曲線為整機在高速運轉(zhuǎn)時的輸出效率曲線，IU曲線為整機在低速運轉(zhuǎn)時的輸出效率曲線。由圖中可以看出，當整機在高速運轉(zhuǎn)時，隨著負載的增加，輸出效率開始迅速增大，當達到最高的輸出效率點后隨即迅速降低； 當整機在低速運轉(zhuǎn)時，隨著負載的增加，輸出效率開始緩慢增大，而當達到最高的輸出效率點后即緩慢降低。在負載扭矩值等于Tc時，高速效率曲線ηΗ和低速效率曲線I在此交會，其交點為η C。而在此之前，整機在高速運轉(zhuǎn)時的輸出效率要高于在低速運轉(zhuǎn)時的輸出效率；在此之后，則隨著負載的繼續(xù)增加，整機在高速運轉(zhuǎn)時的輸出效率要低于在低速運轉(zhuǎn)時的輸出效率，所以，當負載扭矩值達到Tc時，將整機的運行速度從高速切換到低速，可以確保變速能夠一直保持較高的輸出效率。本發(fā)明變速工具希望通過確定負載扭矩值達到Tc 的時間點，然后執(zhí)行高速到低速的切換。如圖9所示，在本實施方式中，控制系統(tǒng)會檢測通過馬達的電流的變化，用來表征輸出軸的負載鈕矩。其中Ih為輸出軸在高速運轉(zhuǎn)時的電流曲線。起初，輸出軸工作在高轉(zhuǎn)速，當負載扭矩值達到Tc時，此時，檢測到馬達的電流值為Ic，在本實施方式中，Ic = 30A(安培)，然后，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動裝置執(zhí)行從高速到低速的切換。需要說明的是，由于不同類型的馬達的特性各不相同，如采用不同的馬達，則輸出效率的曲線也會有不同，如此對應(yīng)的Ic值也有可能不同。此外，本實施方式中采用監(jiān)測馬達的電流值來反映輸出軸的負載，在其他實施方式中，可以通過檢測其他物理參數(shù)來反映輸出軸的負載。如輸出軸的扭矩、輸出軸的轉(zhuǎn)速、馬達的轉(zhuǎn)速、齒輪傳動系統(tǒng)中齒輪的轉(zhuǎn)速或扭矩等，或者在采用直流電源供電時，也可以檢測電池端子的電壓變化等方式來表征輸出軸的負載。圖10-圖14所示的是本發(fā)明變速工具的另一種實施方式，在本實施方式中，電磁鐵裝置采用雙向保持式電磁鐵。所謂雙向保持式電磁鐵即在不通電的情況下也可以將鐵芯保持在行程的始端和終端兩個位置。如圖14所示，電磁鐵裝置53包括縱長設(shè)置的金屬殼體531、設(shè)置在金屬殼體內(nèi)沿縱長方向分布的兩個線圈532、設(shè)置在兩個線圈之間的永磁體 533、設(shè)置在被線圈圍繞的區(qū)域內(nèi)并可沿縱長方向線性移動的鐵芯534，以及相對于鐵芯固定設(shè)置并縱長延伸出金屬殼體531外的推桿535。其中，推桿535凸伸出金屬殼體531的前端部分設(shè)有凹槽536。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可輕易想到的是，推桿531和鐵芯534也可一體設(shè)置。圖14中所示的是推桿535處于后退位置，并由于永磁體533的吸引而可以在不通電的情況下保持在該位置。配合參照圖10和圖12所示，一傳動架M設(shè)置在鋼絲套513 和推桿535之間，其包括環(huán)繞齒輪箱47延伸的半圓形托架Ml、以及自托架底部向下延伸出并間隔設(shè)置的一對側(cè)壁M2。其中托架541的兩端與鋼絲套513的徑向凸伸出減速箱47 殼體的兩端分別相固定連接，側(cè)壁M2的間隔區(qū)域內(nèi)收容有電磁鐵裝置53，側(cè)壁軸向向后延伸并嵌合在推桿535的凹槽536中而與推桿保持相對固定。如圖12所示，傳動架M和機殼21之間設(shè)有導(dǎo)引機構(gòu)。其中傳動架M的一對側(cè)壁542各側(cè)向延伸出一導(dǎo)引柱討3，機殼21的每側(cè)內(nèi)壁上凸設(shè)有一對肋板M4，其間形成有導(dǎo)引槽M5以相應(yīng)收容并導(dǎo)引每一導(dǎo)引柱M3。圖10中所示的電磁鐵裝置53中的推桿535處于前進位置，即推桿延伸出金屬殼體外較長距離，并由于永磁體的吸引而保持在該位置。此時，齒輪傳動機構(gòu)的減速比較低， 馬達通過齒輪箱后傳遞給輸出軸轉(zhuǎn)速較高，也就是說，內(nèi)齒圈45 (或稱調(diào)速環(huán)，即本實施方式中的移動件)的內(nèi)齒與行星輪42的外齒以及鄰近的行星架41的外齒同時嚙合而確保相對固定(配合參照圖3a所示)，從而可隨行星架和行星輪一起旋轉(zhuǎn)。配合參照圖14，當電磁鐵裝置53的線圈532內(nèi)通正向電流后，線圈532產(chǎn)生的磁場在金屬殼體531的縱長兩端產(chǎn)生不同的磁極，從而驅(qū)動鐵芯534和推桿535移動到后退位置。如圖10所示，推桿535 帶動傳動架討、鋼絲套513和內(nèi)齒圈45—起移動距離d，到達了如圖11所示的位置。配合參照圖北所示，在此過程中，內(nèi)齒圈45沿軸向移動而與行星架41脫離嚙合，但與行星輪42 仍保持嚙合。當推桿53移動到后退位置時，內(nèi)齒圈45與止轉(zhuǎn)裝置44嚙合而與機殼保持相對固定。此時，齒輪傳動機構(gòu)4的減速比增加了一級，從而馬達通過齒輪箱后傳遞給輸出軸的轉(zhuǎn)速較低。當線圈532內(nèi)通反向電流后，線圈形成反向的磁場，如此，推桿535回到如圖 10所示的后退位置，從而齒輪傳動機構(gòu)4回復(fù)到高減速比的輸出狀態(tài)。圖13所示的是功能開關(guān)36的一種實施方式。在本實施方式中，該功能開關(guān)可稱之為速度模式開關(guān)。配合參照圖16中的速度模式開關(guān)36，該開關(guān)包括凸露在機殼21外的撥鈕361，以及設(shè)置在機殼內(nèi)與其他電子組件連接的導(dǎo)電端子。撥鈕361可在機殼21上沿圓周方向在三個位置滑移，分別對應(yīng)自動模式(A)、高速模式(H)、低速模式(L)。導(dǎo)電端子包括與該三種模式分別對應(yīng)的第一、第二、第三信號端子362，以及接地端子363。關(guān)于速度模式開關(guān)與控制系統(tǒng)中其他電子組件的電路連接以及工作流程將會在后續(xù)詳細描述到。
圖15所示的是信號發(fā)生裝置35的一種實施方式。在本實施方式中，該裝置包括設(shè)置在機殼21內(nèi)的速度切換開關(guān)，當該開關(guān)被按下觸發(fā)后，控制系統(tǒng)即改變供給電磁鐵裝置的電流的流向而實現(xiàn)自動換檔，即通過電磁鐵的驅(qū)動實現(xiàn)齒輪傳動機構(gòu)在高減速比和低減速比之間的切換。如圖16所示，作為優(yōu)選的實施方式，該裝置35包括兩個該速度切換開關(guān)，對稱設(shè)置于機殼21的兩側(cè)，按下任何一個開關(guān)都可以觸發(fā)速度的切換，這樣，對于左、 右手使用者都可以方便地進行操作。圖17a和圖17b所示的是開關(guān)的具體形式。圖17a中的開關(guān)為按鈕開關(guān)351，其通過導(dǎo)線3512與控制系統(tǒng)中的電子元件電性連接(后續(xù)將作進一步描述)。機殼上設(shè)置有彈性的按壓片353，按下按壓片，按鈕3511也被按下，開關(guān)內(nèi)的觸點(未圖示)接通，從而速度切換功能被觸發(fā)。圖17b中采用彈片式開關(guān)352，同樣，按下按壓片353，彈片3521與觸點3523接通，此時，一電信號將被生成并傳遞給控制系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)執(zhí)行速度切換程序(后續(xù)將作具體描述)。返回圖16，本實施方式中，速度模式開關(guān)36和信號發(fā)生裝置35可結(jié)合使用。速度模式開關(guān)36的撥鈕位于檔位A時，即處于自動模式時，速度切換功能被屏蔽，也就是說，按下速度切換開關(guān)并不會觸發(fā)速度切換功能；而當速度模式開關(guān)的撥鈕位于檔位H或L時，即處于高速或低速模式時，自動速度切換的功能被屏蔽，這時，按下速度切換開關(guān)就可以觸發(fā)速度切換功能，從而高速模式會相應(yīng)切換到低速模式，而低速模式則會相應(yīng)切換到高速模式。在本實施方式中，機殼21上還設(shè)置有一側(cè)手柄22，在軸向上該側(cè)手柄22距離信號發(fā)生裝置35的開關(guān)按鈕的位置具有一特定距離h，該距離可容許使用者的握持惻手柄的手可同時操作開關(guān)按鈕。例如，當使用者在進行操作時想要切換速度，其可以用握持惻手柄的手的大拇指按壓開關(guān)按鈕，從而獲得其想要的速度。當然，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可輕易想到的是，上述開關(guān)按鈕也可以靠近主手柄23 (圖10所示)設(shè)置而與主手柄間形成特定距離，從而使用者也可以用握持主手柄的手來同時執(zhí)行速度切換的操作。圖18和圖19揭示的是信號發(fā)生裝置35應(yīng)用的其他兩種實現(xiàn)方式。圖18所示的速度模式開關(guān)36不包括自動模式擋位，這樣，只要按下速度切換開關(guān)，速度切換功能就會被瞬時啟動，即從目前高速或低速檔位相應(yīng)切換到低速或高速檔位。圖19所揭示的實施方式不包括速度模式開關(guān)，該實施方式中，變速工具運行在自動模式下，并且機殼21上設(shè)有表示工具目前運行速度狀態(tài)的LED燈，如目前工具處于高速運行，則”H”LED燈371常亮，反之，則”L”LED燈372常亮。本實施方式中，工具開機運行后默認在自動模式下運行，一旦信號發(fā)生裝置35被觸發(fā)，則控制系統(tǒng)8中斷自動運行模式，同時，控制系統(tǒng)8控制電磁鐵裝置 53切換齒輪傳動機構(gòu)4的減速比，即切換目前的速度運行狀態(tài)，如由高速切換到低速。如信號發(fā)生裝置35再被觸發(fā)，則目前的速度運行狀態(tài)再次被切換，如又從低速切換到高速。所以，在本實施方式中，一旦速度切換的自動模式被中斷，則進入了由信號發(fā)生裝置控制的手動速度切換模式。當然對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可輕易想到的是，上述信號發(fā)生裝置及具體的速度切換方式可應(yīng)用于具有兩級以上的減速比切換，如具有高、中、低三速的齒輪傳動系統(tǒng)。圖20所示的是本發(fā)明變速工具一具體實施方式
中的簡化的電路圖。該實施方式中，變速工具由外部直流電源1提供電力，該外部直流電源為由若干電池組成的電池包。作為優(yōu)選的實施方式，該電池包可以是鋰離子電池包。需要說明的是，這兒所說的鋰離子電池是負極材料為鋰元素的可充電電池的總稱，依據(jù)正極材料的不同，其可構(gòu)成許多體系，如“鋰錳”電池，“鋰鐵”電池等。在本實施方式中，鋰離子電池包包括由由五節(jié)3. 6V(伏)的鋰離子電池串聯(lián)成額定電壓為18V的電池組。當然，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可輕易想到的是，可以視需要而串聯(lián)更多或更少的電池來組成電池組，如串聯(lián)四節(jié)3. 6V(伏)的鋰離子電池成額定電壓為14. 4V的電池組，或串聯(lián)六節(jié)3. 6V (伏)的鋰離子電池成額定電壓為21. 6V 的電池組。本實施方式中，電池包1內(nèi)還設(shè)有代表該電池包電壓的識別電阻386，用來被電動工具識別，從而確定相應(yīng)的電池包過放保護方式。如圖20所示，同時可配合參照圖6所示，本實施方式中，變速工具的變速系統(tǒng)包括處理器30、速度調(diào)制電路31、馬達負載檢測電路32、驅(qū)動裝置控制電路33、檔位信號反饋電路34、信號發(fā)生裝置35、以及功能開關(guān)36。處理器30可以采用MCU、PLC或者CPU等。在本實施方式中，處理器30為一微電腦控制系統(tǒng)(MCU)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可易于想到的是，MCU通常包括有中央處理單元(CPU)、 只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換單元(A/D converter)、計時器 (timer)、輸入/輸出端口(I/Oport)Pl-P^等，由于這些單元或功能模塊的工作原理都為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟識，所以申請人在此不再予以贅述。如圖20所示，主開關(guān)13串聯(lián)在電池包1和主電路之間，可用于控制主電路的通斷。當主手柄23上的按鈕131 (如圖10示)被操作者壓下時，主電路被接通，通過直流電源轉(zhuǎn)換模塊(DC/DC) 381，電池包1的電壓被轉(zhuǎn)換成一個較低的恒定電壓，在本實施方式中為5V，用來為處理器30、及電子電路提供電力。在本實施方式中，處理器的端口 P20與直流電源轉(zhuǎn)換模塊381連接，端口 P19接地，端口 Pl與直流電源轉(zhuǎn)換模塊381通過電阻R5 連接，從而在主開關(guān)13閉合后，經(jīng)直流電源轉(zhuǎn)換模塊381轉(zhuǎn)換后的電流通過端口 P20輸入處理器，且處理器從端口 Pl接收到一個復(fù)位信號而執(zhí)行初始化動作。主開關(guān)13不僅可用于控制電路的通斷，還進一步可以用于控制馬達的轉(zhuǎn)速。本實施方式中，主開關(guān)13包括一電位器(potentiometer)，其用來測量按鈕在操作者按壓的作用下所移動的距離并產(chǎn)生一個與該移動距離成比例的一個電信號，如電壓值信號，該電信號通過端口 P2傳送給處理器 30，而后處理器的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換單元將該電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進行處理而生成相應(yīng)的控制信號。在本實施方式中，該控制信號為脈寬調(diào)制(PWM，Pulse WidthModulation)信號，用于控制施加到馬達2上的電壓，其通過處理器30的端口 P12輸出給速度調(diào)制電路 31。速度調(diào)制電路31由電阻R19、功率開關(guān)驅(qū)動器組成。其中功率開關(guān)驅(qū)動器有若干三極管組成，其用于調(diào)節(jié)MOSFET的占空比，也就是說，功率開關(guān)驅(qū)動器根據(jù)接收到的PWM信號，來提高或降低單個周期內(nèi)電壓信號的持續(xù)輸出時間，從而通過功率開關(guān)元件10(即電器開關(guān))來控制馬達2的運轉(zhuǎn)速度。其中功率開關(guān)元件10可以是半導(dǎo)體開關(guān)，在本實施方式中為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET，metal lie oxidesemiconductor field effecttransistor)。處理器30的端口 P3可與電池包1連接來采集電池包的工作電壓，以便于監(jiān)測電池包的放電情況，并且在電壓過低時采取相應(yīng)的措施來提醒使用者或切斷供給馬達的電力。如圖20所示，處理器30的端口 P18、P17、P16、P15通過電阻R22、R23、R29、R30與發(fā)光二極管D2、D3、D4、D5連接。這些發(fā)光二極管可以設(shè)在機殼上，用來表示電池包1的剩余電量，其中D2、D3、D4發(fā)射綠光，而D5發(fā)射出紅光。當電量充足時，D2、D3、D4均常亮，D5不亮；當電量中等時，D3、D4常亮，D2、D5不亮；當電量低時，D4常亮，D3、D2、D5均不亮；而當電量不足時，D2、D3、D4均不亮，而D5常亮；當電量嚴重不足時，D2、D3、D4均不亮，而D5閃爍，在此時，為避免電池包過放而發(fā)生危險，處理器的端口 P12被阻斷而無法向馬達提供電力。在本實施方式中，對于額定電壓Vb = 18V的電池包而言，當12. 5V<Vb< 14. 5V時， 表示電池包電量不足，從而D2、D3、D4均不亮，而D5常亮；當Vb < 12. 5V時，表示電池包電量嚴重不足，從而D2、D3、D4均不亮，而D5閃爍，同時，處理器30的端口 P12被阻斷。為監(jiān)測馬達2的運行狀態(tài)，處理器會實時檢測通過馬達的工作電流。如圖20所示， 一檢測電阻383與開關(guān)10和馬達2串聯(lián)，一放大器382用于將檢測電阻383上產(chǎn)生的壓降信號放大并通過端口 P4輸入到處理器30，以便于處理器30檢測通過馬達2的電流。另外， 電路中還包括過流保護電路37，其包括一比較器384，其通過電阻R18采集R6上的壓降信號，并與輸入的參考電壓信號Vref作比較。當采集到的電壓值大于參考電壓Vref時，比較器384將初置的高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)，并通過電阻RM將低電平信號輸出給處理器30的端口 P21。此外，為避免馬達2工作溫度過高，可利用熱敏電阻385的阻值隨溫度變化而線性變化的特性來檢測馬達的溫度。熱敏電阻385與電阻RlO串聯(lián)組成分壓電路，處理器30的端口 P5通過導(dǎo)線連接在385與電阻RlO之間，來檢測熱敏電阻385上的電壓變化，從而便于處理器30實時監(jiān)測馬達2溫度的變化，并在馬達溫度超過預(yù)定值，斷開供給馬達的電力?？刂葡到y(tǒng)還包括用于識別電池包1電壓的識別電路。在本實施方式中，該識別電路是在電池包1與變速工具連接后由識別電阻386，以及電阻R13和R21組成的分壓電路。 處理器端口 P7通過電阻R21連接在電阻R13和識別電阻386之間，用來感測識別電阻386 上的壓降，從而確定電池包1的電壓，并執(zhí)行相應(yīng)的過放保護的程序。本實施方式中，驅(qū)動裝置控制電路33為一 H橋電路，處理器30通過端口 P11、P9、 ΡΙΟ、Ρ6分別連接到H橋電路的四個輸入口 Α、B、C、D，該四個輸入口分別通過電阻R4、Rl、 R2、R3與功率開關(guān)元件Q4、Ql、Q2、Q3連接，電磁鐵裝置5連接在功率開關(guān)元件Ql和Q2的連接點H以及功率開關(guān)元件Q3和Q4的連接點L之間，且H橋電路的一端接電池包電源，另一端接地。在本實施方式中，上述功率開關(guān)為半導(dǎo)體開關(guān)，且最好為M0SFET。處理器通過通斷四個輸入口 Α、B、C、D來控制電磁鐵裝置53。例如，當輸入口 A、B接通，而輸入口 C、D斷開時，功率開關(guān)元件Ql和Q4接通，此時電流的流向為從連接點H到連接點L，相應(yīng)地，電磁鐵裝置53的推桿535帶動內(nèi)齒圈45從如圖10所示的高速位置移動到圖11所示的低速位置。反之，當輸入口 Α、Β斷開，而輸入口 C、D接通時，電磁鐵裝置53的推桿535帶動內(nèi)齒圈 45從低速位置移動到高速位置。檔位信號反饋電路34包括一開關(guān)387，以及電阻1 25、1 26、1 27、1 28。在本實施方式中，開關(guān)387為一單刀雙位開關(guān)，其包括觸點Hl和觸點Ll，其中，觸點Ll和處理器的端口 13連接，觸點Hl和處理器的端口 14連接。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可輕易想到的是，具體實施時，觸點Hl和觸點Ll可以是設(shè)置在機殼上的傳動架行程兩端的簧片，傳動架上則設(shè)置有金屬片，如銅片，到傳動架運動到高速位置時，其金屬片與相應(yīng)的簧片接觸而接通觸點 Hl ；反之，則接通觸點Li。如圖20所示，當傳動架運動到低速位置時，觸點Hl被斷開而觸點Ll被接通，此時，端口 13會檢測到一個低電平信號，端口 14會檢測到一個高電平信號， 從而處理器30判斷目前齒輪傳動機構(gòu)在高減速比下工作；反之，當傳動架返回到高速位置后，端口 14會檢測到一個低電平信號，端口 13會檢測到一個高電平信號。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可輕易想到的是，金屬片和簧片可相應(yīng)設(shè)置在內(nèi)齒圈和齒輪箱上，或設(shè)置在電磁鐵裝置的推桿和殼體上。本實施方式中，功能開關(guān)36采用的是如圖16所示的可切換三種速度模式的速度模式開關(guān)，即在高速模式、低速模式、和自動模式之間切換。如圖20所示，速度模式開關(guān)36 是一個單刀三位開關(guān)，其具有三個觸點L2、H2、A，分別通過電阻R14、R15、R16連接到處理器的端口 P26、P25、P24。當速度模式開關(guān)36位于如圖中所示的位置，即觸點A接通，而觸點 H2和觸點L2都斷開，此時，處理器30檢測到端口 PM為低電平信號，而端口 P25、P^均為高電平信號，如此，處理器將調(diào)用并運行自動換檔的程序(后續(xù)將對此進行詳細描述)。而當觸點A斷開，觸點H2或觸點L2接通時，處理器30不會調(diào)用并運行自動換檔的程序。信號發(fā)生裝置35的兩個開關(guān)S2、S3并聯(lián)，并通過電阻R17與處理器30的端口 P23 連接。當開關(guān)S2、S3中任一個被壓下時，將產(chǎn)生一個電信號并通過端口 P23輸入處理器30， 如此，處理器30將會中斷目前正在運行的程序而調(diào)用速度切換程序(以下將會作詳細描述)O接下來，配合圖21和圖22以分別說明處理器的執(zhí)行自動變速的工作流程以及速度切換的工作流程。參照圖21，同時配合參照圖20所示，當主開關(guān)13閉合后(步驟711)，處理器端口 Pl接收到復(fù)位信號，從而處理器執(zhí)行初始化動作(步驟71幻。而后，處理器通過端口 3采集電池包的電壓信號(步驟713)，以判斷電池包是否處于可正常應(yīng)用的狀態(tài)，即判斷電池包電壓是否小于12. 5V，如果是，表明電池包已經(jīng)過放，不適于再進行放電，從而可以阻斷端口 P12輸出PWM信號；如果否，表明電池包可正常使用，接下來，檢測速度模式開關(guān)36目前所選擇的模式(步驟714)。如果速度模式開關(guān)36選擇的是自動模式，則進一步判斷電磁鐵裝置53是否處在高速位置(步驟715)，如果是，則繼續(xù)下一步驟；如果不是，則處理器接通輸入口 C、D，并斷開輸入口 A、B，從而給電磁鐵裝置53通反向電流而驅(qū)動推桿移動到高速位置(步驟718)。如果速度模式開關(guān)36選擇的是高速模式，則進一步判斷電磁鐵裝置是否處在高速位置(步驟716)，如果是，則繼續(xù)下一步驟；如果不是，則驅(qū)動電磁鐵裝置而促使推桿移動到高速位置(步驟719)。如果速度模式開關(guān)36選擇的是低速模式，則進一步判斷電磁鐵裝置是否處在低速位置(步驟717)，如果是，則繼續(xù)下一步驟；如果不是，則處理器斷開輸入口 C、D，并接通輸入口 A、B，從而給電磁鐵裝置通正向電流而驅(qū)動推桿移動到低速位置(步驟720)。接下來，通過LED燈D2-D5顯示電池包的剩余電量(步驟721)，并在電量嚴重不足時切斷供給馬達的電力；實時檢測電池包的電壓(步驟722)，并在電池包過放時切斷供給馬達的電力；檢測扳機開關(guān)的按壓深度(步驟72 ；根據(jù)扳機開關(guān)的按壓深度來輸出相應(yīng)的PWM信號(步驟724)；檢測馬達電流(步驟725)。判斷速度模式(步驟726)，如果控制系統(tǒng)目前運行在高速模式或低速模式，則判斷馬達電流是否持續(xù)500ms (毫秒)大于90A (安培)(步驟727、729)，如果是，表明馬達有可能發(fā)生堵轉(zhuǎn)等異常情形而導(dǎo)致電流過大，因此，為保護馬達，斷開供給馬達的電流(步驟 728,730)；如果不是，則返回步驟721。如果控制運行在自動模式，則判斷馬達電流是否持續(xù)300ms (毫秒)大于90A (安培)(步驟731)，如果是，表明馬達有可能已發(fā)生堵轉(zhuǎn)，則執(zhí)行自動換檔的步驟；如果不是，則繼續(xù)判斷馬達電流是否持續(xù)500ms (毫秒)大于30A (安培)(步驟732)，如果是，表明工具高速輸出的效率即將低于低速輸出的效率，如此則執(zhí)行自動換檔的步驟；如果不是，則返回步驟721。在本實施方式中，自動換檔步驟包括步驟733-步驟736。首先，為避免打齒，暫時停止向馬達提供電力(步驟733)，即處理器暫時阻斷端口 P12輸出信號，從而使馬達以及內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速降下來。而后，處理器控制H橋電路給電磁鐵裝置通正向電流，即處理器接通輸入口 A、B，并斷開輸入口 C、D，從而使電磁鐵裝置驅(qū)動推桿從高速位置移動到低速位置(步驟734)，并在移動到低速位置時，觸發(fā)開關(guān)S5而使觸點Ll接通。然后，軟啟動馬達(步驟 735)，即處理器通過端口 P12輸出的PWM信號逐步增加電壓信號的脈寬，從而促使馬達慢慢地回復(fù)到正常的運轉(zhuǎn)速度。再后，處理器根據(jù)端口 13接收到的低電平信號而設(shè)定低速標記 (步驟736)，接下來，返回步驟721。需要說明的是，由于內(nèi)齒圈在推桿的驅(qū)動下從高速位置運動到低速位置需要一段時間，所以，在其他實施方式中，也可以是由處理器先驅(qū)動電磁鐵裝置，然后在馬達暫停的步驟。在這個過程中，只需要確保在內(nèi)齒圈和止轉(zhuǎn)裝置嚙合前，馬達驅(qū)動力已經(jīng)不存在，如此，即使內(nèi)齒圈的速度還沒有降到零，但由于其不具有主動旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力，所以，可以與止轉(zhuǎn)裝置嚙合而很快靜止下來。參照圖22，并配合參照圖20所示，當處理器的端口 23接收到一個中斷信號時，處理器會停止目前正在運行的程序并調(diào)用速度切換程序(步驟751)。處理器首先通過端口 21檢測馬達電流是否過大(步驟752)，如大于100A(安培)，如果是，表明馬達已經(jīng)堵轉(zhuǎn)， 則停止向馬達供給電流(步驟753)；如果否，則檢測速度模式開關(guān)目前處于何種模式(步驟754)。如果是自動模式，則中斷返回，即處理器繼續(xù)執(zhí)行原程序(步驟767)；如果是高速模式或低速模式，則需要判斷馬達是否處于空載。由于有負載時相對于空載時馬達速度降低地更快，所以相比有負載時，空載時馬達電力切斷后，需要更長的時間才能使馬達停下來。如果是高速模式，判斷馬達電流是否持續(xù)500ms(毫秒)大于30A(安培)(步驟755)， 如果是，表明有負載，隨后停止供給馬達的電力并延遲0.5S(步驟756)；如果不是，則停止供給馬達的電力并延遲2S (步驟757)。如果是低速模式，判斷馬達電流是否持續(xù)500ms (毫秒)大于30A(安培)(步驟761)，如果是，表明有負載，隨后停止供給馬達的電力并延遲 0.5S(步驟762)；如果不是，則停止供給馬達的電力并延遲2S(步驟763)。在執(zhí)行停機延遲，接下來處理器驅(qū)動電磁鐵裝置執(zhí)行從高速到低速或從低速到高速的切換(步驟758、 764)，隨后啟動馬達(步驟759、76幻，并相應(yīng)設(shè)定低速標記或高速標記(步驟760、766)，而后返回原程序(步驟767)。參照圖23，是本發(fā)明變速工具另一具體實施方式
中的簡化的電路圖。該實施方式與圖20不同的是變速工具的控制系統(tǒng)進一步包括與馬達2并聯(lián)的電子開關(guān)90 (比如場效應(yīng)管、可控硅或繼電器等)，該電子開關(guān)90由電子剎車控制電路91控制通斷狀態(tài)。電子剎車控制電路由電阻R31、功率開關(guān)驅(qū)動器911組成。功率開關(guān)驅(qū)動器用于控制電子開關(guān)90的斷開和閉合，從而控制馬達2是否短路。而馬達短路時會形成回路，由于電磁感應(yīng)的原理， 回路中會有電流經(jīng)過，電流流過會給馬達的運轉(zhuǎn)帶來反向的力，阻止馬達運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)剎車的功能。其中電子開關(guān)90可以是半導(dǎo)體開關(guān)，在本實施方式中為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET，metallic oxide semiconductor fieldeffecttransistor)。當變速工具運行在自動換擋模式或者手動觸發(fā)需要改變齒輪傳動機構(gòu)的減速比時，控制系統(tǒng)切斷馬達2電流后接通電子開關(guān)90，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動移動件從高速位置運動到低速位置，或者從低速位置運動到高速位置，接下來控制系統(tǒng)再次接通馬達2電流后斷開電子開關(guān)90。在本發(fā)明變速工具的優(yōu)選實施方式中，馬達2通電與否是靠電器開關(guān)10的通斷來實現(xiàn)的，那么當電器開關(guān)10斷開時電子開關(guān)90接通，當電器開關(guān)10接通時電子開關(guān)90斷開。當然，控制系統(tǒng)也可以通過電子控制單元來切斷馬達2電流后接通電子開關(guān)90，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動移動件從高速位置運動到低速位置，或者從低速位置運動到高速位置。參照圖M并配合參照圖21，在自動換擋的實施方式中，自動換檔步驟進一步包括電子剎車步驟(步驟790)。首先，為避免打齒，暫時停止向馬達提供電力(步驟733)，即處理器暫時阻斷端口 P12輸出信號，從而使馬達以及內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速降下來。接下來，處理器從 P30端口輸出信號，從而剎車控制電路91控制電子開關(guān)90閉合，馬達短路一段時間T。而后，處理器控制H橋電路給電磁鐵裝置通正向電流，即處理器接通輸入口 A、B，并斷開輸入口 C、D，從而使電磁鐵裝置驅(qū)動推桿從高速位置移動到低速位置(步驟734)，并在移動到低速位置時，觸發(fā)開關(guān)S5而使觸點Ll通電。然后的自動換擋步驟與圖21相同。在以上自動換擋過程中，馬達電流被切斷到馬達被再次啟動只需延遲200mS，即馬達暫停的時間為 200mS，故馬達短路的時間T應(yīng)當小于200mS。當然，本實施方式中的控制變速工具的方法在控制系統(tǒng)切斷馬達電流的步驟前與圖21中的工作流程相同，即控制系統(tǒng)檢測變速工具物理參數(shù)，判斷變速工具的工作狀態(tài)；當輸出軸的負載扭矩變化到預(yù)定值時，控制系統(tǒng)切斷馬達電流。參照圖25并配合參照圖22所示，在手動觸發(fā)的實施方式中，檢測速度模式開關(guān)目前處于何種模式(步驟754)時，無論是高速模式或低速模式，都無需判斷馬達是否處于空載。由于在馬達短路的時候，馬達能夠馬上停下來，相比馬達電力切斷后通過慣性使馬達停下來，電子剎車只需要很短的時間就能使馬達停下來。即如果是高速模式，停止供給馬達的電力并控制馬達短路(步驟791和步驟792)；如果是低速模式，停止供給馬達的電力并控制馬達短路一段時間T (步驟793和步驟794)。在執(zhí)行停機時只需延遲200mS，那么馬達短路的時間T小于200mS。接下來處理器驅(qū)動電磁鐵裝置執(zhí)行從高速到低速或從低速到高速的切換(步驟758、764)，隨后啟動馬達(步驟759、76幻，并相應(yīng)設(shè)定低速標記或高速標記 (步驟760、766)，而后返回原程序(步驟767)。當然，本實施方式中的控制變速工具的方法在停止供給馬達電力的步驟前需要人為觸發(fā)該觸發(fā)開關(guān)，一電信號生成并傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)該電信號而切斷馬達電流。從圖23到圖25可以看出，本實施方式的實質(zhì)在于無論是自動換擋或者手動觸發(fā)換擋，在馬達暫停后進行電子剎車，這樣可以減少馬達暫停的時間，即增加電子剎車后馬達只需要暫停200mS，從而提高變速工具的工作效率。本發(fā)明中的齒輪傳動機構(gòu)及其移動件不局限于本實施例揭示的結(jié)構(gòu)，特別是不局限于本實施例中高速擋和低速檔時的齒輪嚙合關(guān)系，在現(xiàn)有技術(shù)中的齒輪傳動機構(gòu)各種各樣，如美國專利公告第6796921號揭示了多種齒輪傳動機構(gòu)，其高速檔和低速檔時的嚙合關(guān)系各不相同，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思將各種齒輪傳動機構(gòu)應(yīng)用于本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種變速工具，包括機殼；馬達，設(shè)置在機殼內(nèi)，并輸出旋轉(zhuǎn)動力；輸出軸；齒輪傳動機構(gòu)，設(shè)置在馬達和輸出軸之間以將馬達的旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到輸出軸上，其包括至少一組齒輪系和一移動件，所述移動件可在第一位置和第二位置之間移動，且在第一位置和第二位置時，所述移動件與所述齒輪系以不同的方式配合，從而齒輪傳動機構(gòu)以不同的減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速；控制系統(tǒng)，包括與移動件配合的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置用于驅(qū)動所述移動件在第一位置和第二位置之間移動；其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括與所述馬達并聯(lián)的電子開關(guān)，當需要改變所述齒輪傳動機構(gòu)的減速比時，所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件在第一位置和第二位置之間移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變速工具，其特征在于在第一位置時，齒輪傳動機構(gòu)以低減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速；在第二位置時，齒輪傳動機構(gòu)以高減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速工具，其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括電子控制單元， 所述電子控制單元用于檢測表征輸出軸負載的參數(shù)，在所述參數(shù)達到預(yù)定值后，所述電子控制單元切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變速工具，其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括電子控制單元和觸發(fā)開關(guān)，當觸發(fā)開關(guān)被人為觸發(fā)時，一電信號生成并傳遞給電子控制單元，電子控制單元響應(yīng)該電信號而切斷馬達電流后接通所述電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置或者從第二位置運動到第一位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的其中一個所述的變速工具，其特征在于所述電子控制單元再次接通馬達電流后斷開所述電子開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4的其中一個所述的變速工具，其特征在于所述電子開關(guān)接通的時間小于200mS。
7.—種如權(quán)利要求1所述的變速工具的變速控制方法，其特征在于所述的變速控制方法包括以下步驟1)所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流；2)所述控制系統(tǒng)接通所述電子開關(guān)；3)所述控制系統(tǒng)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動所述移動件從第一位置運動到第二位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變速控制方法，其特征在于1)所述控制系統(tǒng)檢測變速工具物理參數(shù)，判斷變速工具的工作狀態(tài)；2)當所述輸出軸的負載扭矩變化到預(yù)定值時，執(zhí)行所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流的步馬聚ο
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變速控制方法，其特征在于1)人為觸發(fā)所述觸發(fā)開關(guān)，一電信號生成并傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)該電信號而執(zhí)行所述控制系統(tǒng)切斷馬達電流的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變速工具，包括機殼；馬達，設(shè)置在機殼內(nèi)，并輸出旋轉(zhuǎn)動力；輸出軸；齒輪傳動機構(gòu)，設(shè)置在馬達和輸出軸之間以將馬達的旋轉(zhuǎn)輸出傳遞到輸出軸上，其包括至少一組齒輪系和一移動件，移動件可在第一位置和第二位置之間移動，且在第一位置和第二位置時，移動件與所述齒輪系以不同的方式配合，從而齒輪傳動機構(gòu)以不同的減速比輸出馬達的轉(zhuǎn)速；控制系統(tǒng)，包括與移動件配合的驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置用于驅(qū)動移動件在第一位置和第二位置之間移動；控制系統(tǒng)還包括與馬達并聯(lián)的電子開關(guān)，當需要改變所述齒輪傳動機構(gòu)的減速比時，控制系統(tǒng)切斷馬達電流后接通電子開關(guān)，并且控制驅(qū)動裝置驅(qū)動移動件在第一位置和第二位置之間移動。
文檔編號F16H59/04GK102562958SQ201010612358
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者劉芳世, 鐘紅風 申請人:蘇州寶時得電動工具有限公司