專利名稱：變力工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及變力工具，具體涉及變力的剪截工具例如長柄剪。
剪斷粗大植物例如直徑1～2英寸(約25～50mm)的大樹枝通常需要相當大的力。用于修剪這種粗大植物的截枝剪包括一對細長的圍繞一個樞軸點互配合接合的部件。這種截枝剪一般包括一對相對的剪鉗，例如與一個砧件相配合的刀片或一對刀片，在這種截枝剪中，該剪鉗具有相對的施加力的端部或連接于長手把上的柄腳，該剪鉗一般用沖壓金屬或鍛制金屬制作，或用其它合適的材料制作。長手把結(jié)構(gòu)給使用者提供了進行截斷操作所需要的額外的杠桿作用，并增加了修剪遠距離樹枝等的修剪范圍。具有砧件和刀片的長柄剪大家稱作“砧式”長柄剪，而具有一對互配合刀片的長柄剪則稱作“雙向”長柄剪。為進行剪截操作，使手柄繞樞軸點轉(zhuǎn)動，迫使剪鉗合攏，或在雙向長柄剪時，迫使其互相越過。
為能承受剪截粗大植物所出現(xiàn)的力，長柄剪的相當長的把手一定要非常結(jié)實。雖然這些把手通常用木料制作以減少手臂的疲勞，但最近的先有技術(shù)長柄剪已經(jīng)包括用玻璃纖維或其它重量輕但結(jié)實的材料作的空心手把。然而在所有情況下，由于實際和成本原因趨向于限制把手的長度。
因為不過分加長把手要修剪粗大植物例如直徑約2英寸(約50mm)的樹枝需要用相當大的力才能產(chǎn)生所需要的剪切力，所以技術(shù)人員已將杠桿作用機構(gòu)所提供的優(yōu)點應用于截枝或修剪工具上。在Wallace等的于1983年12月20日公布的美國專利No4 420 883中已示出這種杠桿作用機構(gòu)的例子。在此專利中公開一種通常稱作桿式樹枝修剪器，其中，刀片與一個鉤子配合，該鉤子被成形為可以接收待剪切樹枝的一部分。與切割刀片連接的聯(lián)接機構(gòu)響應使用者拉動驅(qū)動繩的拉力使刀片轉(zhuǎn)動，形成一次切割沖程。很明顯，在此專利中公開的樹枝修剪器包括許多構(gòu)件，而且用起來相當費事。
在修枝剪上已應用先有技術(shù)復合作用機構(gòu)，如以下專利所述Seger等的于1874年2月24日公布的美國專利No.147 868；Drmic的于1945年9月18日公布的美國專利No.2 384 822；Wallace等的于1968年3月12日公布的美國專利3 372 478；和Gosselin等的于1991年6月4日公布的美國專利No.5 020 222。在Wallace的＇478號專利中公開一種復合作用截枝剪，其中，剪鉗的樞軸配置在把手樞軸的后面，因而減少了剪鉗之間的夾角。盡管這種雙樞軸結(jié)構(gòu)改進了剪鉗對工作的夾緊，但是它似乎沒有改進這種工具的機械效益。
如
圖1所示，樹枝修剪技術(shù)的技術(shù)人員已經(jīng)認識到，由圓形的纖維植物例如樹枝L對切割力F產(chǎn)生的阻力是不均勻的，它作為切割刀片B穿入植物B的深度的函數(shù)而變化。通常在約切割沖程的60％的位置P達到最大阻力。這是因為此位置，刀片B進入樹枝L的穿透作用導致在刀片B進一步穿透樹枝L時壓實越來越多數(shù)目的纖維，因而增加了樹枝L的密度。如
圖1所示，C代表樹脂L纖維壓縮的區(qū)域，而Fr代表由使用者施加的切割力的摩擦反作用力。超過最大壓縮纖維位置P，對切割作用的阻力便因刀片開始切割纖維而降低(如區(qū)域B所示，在此區(qū)域植物被切割，因而對切割作用的阻力降低，直至樹枝完全被切斷)。因此，使剪截工具有一種可以在對應于剪截沖程上的最大剪截阻力的位置提供最大杠桿作用的變力機構(gòu)是有利的。Gosselin公開了這樣一種復合作用的長柄剪，在這種長柄剪中，連接于一個剪鉗的附加杠桿增加了傳送到剪鉗的剪截力，因此有助于剪截操作。這種結(jié)構(gòu)提供了另外的所需要的杠桿機構(gòu)而沒有過分增加把手的長度。
然而，這些已知的復合作用截枝剪有許多方面的缺點。例如在Gosselin的專利中，復合作用要求在第二剪截部件和杠桿之間實現(xiàn)滑動連接。另外，另一先有技術(shù)復合作用工具典型地包括各種使刀片張力的調(diào)節(jié)和刀片的卸下(為了磨塊)很難的構(gòu)件。另外，施加在這些先有技術(shù)截枝剪把手上的力矩趨向于傳送到剪的刀片上，從而使刀片彼此相對扭歪，因而妨礙了它們的剪截作用，并容易使刀片樞軸過載和損壞。
本發(fā)明人還知道通常用于將高轉(zhuǎn)矩傳送到剪截工具剪鉗上的其它先有技術(shù)結(jié)構(gòu)。這些其它工具說明于以下專利Voleske等的于1928年10月30日公布的美國專利No.1 689 648；Whitney的于1913年6月24日公布的美國專利No.1065 753；Eddleman的于1904年8月9日公布的美國專利No.766 941；Will等的于1870年9月20日公布的美國專利No.107 577；和本發(fā)明人的于1995年6月7日提出的申請系列No.08/484846。在所有這些情況中，均通過相互嚙合的同心扇形齒輪或如Eddleman的專利所示通過齒條和齒輪配置使少一個把手的樞軸運動傳送到工具的剪鉗上。然而這些已知的齒輪式剪切工具不包括使作用于放在剪鉗中預定位置的工件上的剪截力增加到最大所必需的復合作用機構(gòu)。
由于上述原因，很需要提供一種截枝剪，這種剪易于緩和這種常規(guī)工具所遇到的問題，即在這種截枝剪中，復合作用在預定位置提供增加的機械效益，而且制造出的截枝剪仍然具有由高轉(zhuǎn)矩齒輪式剪截工具提供的其它優(yōu)點。
本發(fā)明提供一種特別有利的變力齒輪式杠桿機構(gòu)，這種機構(gòu)在剪截沖程中的最需要的位置可以產(chǎn)生最大的機械效益(即最大杠桿作用)，但同時又不過分增加截枝剪的總重量。
具體是按照本發(fā)明的一個方面，變力剪截工具包括具有第一樞軸點的金屬板，該樞軸點與第二樞軸點分開預定距離，該板具有向前伸出的刀片和向后伸出的柄腳。該工具還包括通過第一樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于該板的第一細長部件，該第一部件的前部被成形為可與刀片配合的剪鉗，從而剪截放在剪鉗上彎部中的工件。第一部件包括向后延伸的臂，把手最好裝在該臂上，第一扇形齒輪位于剪鉗和臂之間。形成于第二細長部件前部的第二扇形齒輪在第二部件繞板上第二樞軸點的樞軸轉(zhuǎn)動時與第一扇形齒輪配合。第二部件最好也包括一個把手，該把手裝在向后延伸的部分上。第一和第二扇形齒輪與分另嚙合在第一和第二區(qū)域中，使得第二樞軸點與第二區(qū)域分開的距離隨刀片越過彎部的行程而變化。
按照本發(fā)明的另一方面，扇形齒輪被成形為使得第二樞軸點與第二區(qū)域分開的距離在刀片越過彎部的行程的預定位置時達到最小。
按照本發(fā)明的再一方面，變力齒輪式工具被成形為截枝剪，該剪可以是砧件式的或雙向式的。
從以下的說明中可以明顯看出本發(fā)明的其它方面。然而應當明白，詳細的說明和具體的實施例僅僅是舉例，因此本專業(yè)的技術(shù)人員從該詳細說明中可以明顯看出在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的各種改變和變型。
下面將參照附圖詳細說明例示性的優(yōu)選實施例，附圖中相同的編號表示相同的部件。
圖1是示意圖，示出剪截刀片穿入植物中，并示出剪截作用的阻力通常達到最大的位置；圖2是本發(fā)明變力工具的頂視平面圖，示出其在完全打開位置和放有工件的優(yōu)選實施例。
圖3是圖2長柄剪的底視平面圖；圖4是圖2所示長柄剪底視平面圖，圖中示出刀片達到剪截沖程的約60％；圖5是圖2所示長柄剪的底視平面圖，圖中示出刀片達到剪截沖程的端部；圖6是圖2所示長柄剪的頂視平面圖，圖中示出在剪截沖程的端部；圖7是圖2所示長柄剪的前視圖，圖中示出在剪截沖程的端部；圖8是圖2所示長柄剪的第一細長部件的頂視平面圖；圖9是圖2所示長柄剪刀片的頂視平面圖；
圖10是圖2所示長柄剪第二細長部件的頂視平面圖；
圖11是大體沿圖6的11-11線截取的部分截面圖；
圖12是圖8所示第一細長部件的第一扇形齒輪齒結(jié)構(gòu)的放大細節(jié)例示圖；
圖13是
圖10所示第二細長部件的第二扇形齒輪齒結(jié)構(gòu)的放大細節(jié)例示圖；
圖14是本發(fā)明截枝剪的示意圖，例示出第一和第二扇形齒輪之間的關(guān)系。
參照附圖，本發(fā)明的長柄剪10分別包括第一和第二部件12和14以及金屬板6。第一細長部件12包括向前伸出的第一剪鉗18和向后伸出的臂20。第一扇形齒輪22形成在剪鉗18與臂20中間的區(qū)域24上。為增加使用者的舒適性，長柄剪10具有一對把手。第一把手26被適當成形為可裝入臂20的一部分。把手26最好具有空心前部，臂20的向后伸出部分28以技術(shù)人員一般熟知的方式壓配合在該空心前部內(nèi)。第一部件12還包括在第一扇形齒輪22的區(qū)域上形成的第一孔30。在優(yōu)選實施例中，向前伸出的第一剪鉗18形成一個彎部32，該彎部成形為可以接收待剪截的工件34。
長柄剪10還包括金屬板16，該板具有向前延伸的配合剪鉗36和向后延伸的柄腳38。配合剪鉗36最好形成為刀片，該刀片經(jīng)磨制形成一個其厚度逐漸減小的斜面40，該斜面40結(jié)束于磨快的刀刃42。第二孔44形成于配合剪鉗36和柄腳38的中間。該柄腳上還具有第三孔46，該孔與第二孔44分開預定距離。金屬板16在第一樞軸點50可轉(zhuǎn)動地連接于第一部件12。樞軸點50最好包括分別嚙合于第一和第二孔30、44上的螺栓52。
第二細長部件14包括第二扇形齒輪54和相對部分56，該部分56上安裝第二把手58，安裝方式與把手26相同。部件14還包括形成在第二扇形齒輪54和部分56中間的第四孔60。第二部件14在第二樞軸點62可轉(zhuǎn)動地連接于板16。第二樞軸點62最好包括分別嚙合第三和第四孔46、60的螺栓64。
下面具體參考
圖12和13，第一扇形齒輪22包括許多齒輪齒66，該齒輪齒被成形為可與第二扇形齒輪54上形成的對向齒輪齒68嚙合。優(yōu)選實施例的扇形齒輪22、54的特殊齒的平面設(shè)計示于下面的兩個表中。在這些表中，表示為Pn的扇形齒輪22、24的某些點用座標中心分別在第一樞軸點50和第二樞軸點62的一對X、Y座標表示。例如參照
圖12和表1(第一扇形齒輪表)，第一扇形齒輪22的P20相對于第一樞軸點50具有座標-29.516mm/-30.793mm。另外，在這兩個表中，“R”表示在兩個相鄰點之間延伸的曲線的半徑。例如仍參考
圖12和表1，在P28和P30之間的半徑R為5.9mm。
表1第一扇形齒輪
<p>技術(shù)人員容易看出，盡管這些點的座標是用mm給出，但同樣可以采用其它長度或測量系統(tǒng)單元。
下面參考圖4、12、13，第二部件14可繞第二樞軸點62轉(zhuǎn)動地連接于板16，使得第一和第二扇形齒輪22、54分別互相嚙合于第一和第二區(qū)域70、72中。第一和第二扇形齒輪22、54的特征還分別在于第一和第二齒距線74、76。如
圖12和13所示，第一齒距線74不以第一樞軸點50為心，該節(jié)距線是一條想象的線，它在嚙合的第二扇形齒輪54的第二齒距線上滾動而不在其上滑動。相反，再見
圖14，代表第一樞軸點50和第一區(qū)域70之間距離的d3卻在第一和第二把手26、28分別繞第一和第二樞軸點50、62轉(zhuǎn)動時而變化。同樣，配合的第二扇齒輪54的第二齒距線76不以第二樞軸點62為心。第二樞軸點62和第二區(qū)域72之間的距離d2也隨第一和第二手把26、58的剪截活動而變化。
如
圖12和13及表1和2所示，d3在位于P20和P21之間的預定位置達到最大。相反，因為第一和第二樞軸之間距離(即第二和第三孔44、46之間的距離)是固定的，所以d2在同一位置一定達到最小。距離d2和d3的這種相等而相反的變化對作用于工件34上的剪截力Fc的影響反映在以下的力距方程中Fc=K·Fu·d1+d2d2]]>其中K=d3+d2d4]]>如
圖14所示，式中Fu是由使用者在第二部件14上的施力點施加的力；d1是第二樞軸點62和施力點之間的距離；d4是第一樞軸點50和對工件34施加力Fc的點之間的距離。Fc可以寫成如下Fc＝K·Fu+K·Fu(d1/d2)從上述方程容易看出，K和d1是常數(shù)，對于使用者加相同的力Fu于工具10上的情況下；在d2最小時(即d3最大時)，F(xiàn)c達到最大，如上所述，這種狀況發(fā)生在P20和P21之間的位置。在本發(fā)明中扇形齒輪22、54的嚙合結(jié)構(gòu)使d2在剪截沖程的約60％的預定位置時達到最小，因而本發(fā)明可使工具10在那一位置產(chǎn)生最大的杠桿作用，這一位置是在剪截沖程中最理想的位置，此處工件34的密度最高。
應當明白，上述說明是說明本發(fā)明例示性的優(yōu)選實施例，本發(fā)明不限于上述特定形式。例如，本發(fā)明的具有上述公開型式的第一和第二扇形齒輪的工具可以包括一對如雙向長柄剪中那樣的相對剪截刀片，而不是如優(yōu)選實施例所述那樣，包括一個與砧件配合的刀片。另外，這種長柄剪可以以各種方式制造。例如，它們可以用沖壓板制作，或用鍛制金屬制作或可以包括一些可模制材料如塑料作的構(gòu)件，在每種情況下均不影響其功能特性。另外，即使本發(fā)明的優(yōu)選實施例示出具有特殊構(gòu)形的相互嚙合齒，但技術(shù)人員將認識到，可以以其它方式形成相互嚙合作用而不超出本發(fā)明的范圍。這種其它結(jié)構(gòu)和構(gòu)形被認為屬于本發(fā)明的范圍。因此在本文中公開的設(shè)計、部件的配置以及制造步驟方面均可以進行這些和其它的替換、變形、改變或省去而不違背所附權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種變力長柄剪，包括金屬板，具有第一樞軸點、向前伸出的刀片和向后伸出的柄腳，該柄腳具有與第一樞軸點分開一定距離的第二樞軸點；第一細長部件，通過第一樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于金屬板，第一部件具有向前延伸的剪鉗，該剪鉗可與刀片配合而切斷放在由剪鉗形成的彎部中的工件，第一部件還具有向后延伸的臂和位于剪鉗與臂中間的第一扇形齒輪；第二細長部件，具有向后延伸的部分和相對的第二扇形齒輪，第二部件在第二樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于金屬板，使得第一和第二扇形齒輪分別相互嚙合在第一和第二區(qū)域中。其中第二扇形齒輪被成形為使得在刀片移入彎部的行程的預定位置第二樞軸點與第二區(qū)域之間的第二距離最小。
2.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一扇形齒輪被成形為約在刀片開始剪截工件的位置，第一樞軸點和第一區(qū)域之間的第一距離是最短的。
3.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一和第二扇形齒輪被成形為使得在刀片剪截工件時，預定位置約在刀片穿過彎部的行程的約60％的位置。
4.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，剪鉗被成形為第二刀片，該第二刀片與上述刀片配合。
5.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一細長部件用金屬制作。
6.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一和第二細長部件用金屬制作。
7.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一細長部件用塑料制作。
8.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一和第二細長部件用可模制的材料制作。
9.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，第一部件中至少第一扇形齒輪用可模制材料制作。
10.如權(quán)利要求1所述的長柄剪，其特征在于，在第二部件中至少第二扇形齒輪用可模制的材料制作。
11.一種變力長柄剪，包括金屬板，具有第一樞軸點、向前伸出的刀片和向后延伸的柄腳，該柄腳上具有與第一樞軸點分開的第二樞軸點；第一細長部件，通過第一樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于金屬板，第一部件具有向前伸出的剪鉗、向后伸出的臂和位于該剪鉗和臂中間的第一扇形齒輪，該剪鉗與刀片配合，從而剪截放在由剪鉗形成的彎部中的工件；第二細長部件，具有向后延伸的部分和相對的第二扇形齒輪，第二部件通過第二樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于金屬板上，使得第一和第二扇形齒輪分別相互嚙合在第一和第二區(qū)域中；一種裝置，該裝置在刀片移過彎部時將一個可變的剪截力施加在工件上。
12.如權(quán)利要求11所述的長柄剪，其特征在于，變力施加裝置包括扇形齒輪，使得第一樞軸點和第一區(qū)域之間的第一距離在刀片穿過彎部的行程的預定位置是最大的。
13.如權(quán)利要求11所述的長柄剪，其特征在于，施加在工件上的變力是以下公式的函數(shù)Fc＝KFu(d1+d2)/d2而 K＝(d3+d2)/d4式中，F(xiàn)c是作用在工件上的剪截力；Fu是使用者在第二部件上的施力點所施加的力；d2是第二樞軸點和第二區(qū)域之間的距離；d3是第一樞軸點和第一區(qū)域之間的距離；d1是第二樞軸點和施力點之間的距離；d4是第一樞軸點與一個點之間的距離，力Fc通過該點作用于工件上。
14.如權(quán)利要求13所述的長柄剪，其特征在于，F(xiàn)c在刀片穿過彎部行程的預定位置是最大的。
15.如權(quán)利要求14所述的長柄剪，其特征在于，扇形齒輪被成形使預定位置是刀片穿過彎部的行程的約60％的位置。
16.一種變力的繞樞軸轉(zhuǎn)動工具，包括第一細長部件，具有向前伸出的包含第一扇形齒輪的第一剪鉗、裝在從第一扇形齒輪向后伸出的臂上的第一把手和在第一扇形齒輪區(qū)域上形成的第一孔；金屬板，具有向前伸出的配合剪鉗、向后伸出的柄腳和位于配合剪鉗與柄腳中間的第二孔，該柄腳具有與第二孔分開預定距離的第三孔，金屬板通過包括第一和第二孔的第一樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于第一部件；第二細長部件，具有第二扇形齒輪和裝在從第二扇形齒輪向后伸出部分上的第二把手，第二扇形齒輪具有第四孔，第二部件通過包括第三和第四孔的第二樞軸點可轉(zhuǎn)動地連接于金屬板上；第一和第二扇形齒輪分別互相嚙合于第一和第二區(qū)域中，并成形為使得在第一和第二把手分別繞第一和第二樞軸點轉(zhuǎn)動時，第一樞軸點與第一區(qū)域之間的第一距離和第二區(qū)域與第二樞軸點之間的第二距離其變化量相等但相反。
17.如權(quán)利要求16所述的工具，其特征在于，第一剪鉗和配合的剪鉗成形為刀片，
18.如權(quán)利要求16所述的工具，其特征在于，第一剪鉗成形為砧件，而配合剪鉗成形為刀片。
19.如權(quán)利要求16所述的工具，其特征在于，扇形齒輪被成形為使得在配合剪鉗響應把手的接近運動而相對于第一剪鉗運動時在行程的預定位置第二距離是最小的。
20.如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，預定位置約在配合剪鉗行程的中點。
全文摘要
變力截枝工具具有齒輪機構(gòu),該機構(gòu)被成型為使得在剪截沖程中的一點達到最大的杠桿作用,該點對應于由正被剪截工件產(chǎn)生最大阻力的點。該機構(gòu)包括一對嚙合齒輪,該齒輪形成在第一和第二細長部件上并與具有向前伸出的剪鉗或刀片的板相配合。該板可轉(zhuǎn)動地連接于第一部件。第二部件可轉(zhuǎn)動地連接于該板的向后延伸的柄腳上。
文檔編號A01G3/02GK1176047SQ97116059
公開日1998年3月18日 申請日期1997年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月20日
發(fā)明者埃爾基·奧拉維·林登 申請人:菲思卡斯日用消費品公司