变力工具 本发明一般涉及变力工具，具体涉及变力的剪截工具例如长柄剪。
剪断粗大植物例如直径1～2英寸(约25～50mm)的大树枝通常需要相当大的力。用于修剪这种粗大植物的截枝剪包括一对细长的围绕一个枢轴点互配合接合的部件。这种截枝剪一般包括一对相对的剪钳，例如与一个砧件相配合的刀片或一对刀片，在这种截枝剪中，该剪钳具有相对的施加力的端部或连接于长手把上的柄脚，该剪钳一般用冲压金属或锻制金属制作，或用其它合适的材料制作。长手把结构给使用者提供了进行截断操作所需要的额外的杠杆作用，并增加了修剪远距离树枝等的修剪范围。具有砧件和刀片的长柄剪大家称作“砧式”长柄剪，而具有一对互配合刀片的长柄剪则称作“双向”长柄剪。为进行剪截操作，使手柄绕枢轴点转动，迫使剪钳合拢，或在双向长柄剪时，迫使其互相越过。
为能承受剪截粗大植物所出现的力，长柄剪的相当长的把手一定要非常结实。虽然这些把手通常用木料制作以减少手臂的疲劳，但最近的先有技术长柄剪已经包括用玻璃纤维或其它重量轻但结实地材料作的空心手把。然而在所有情况下，由于实际和成本原因趋向于限制把手的长度。
因为不过分加长把手要修剪粗大植物例如直径约2英寸(约50mm)的树枝需要用相当大的力才能产生所需要的剪切力，所以技术人员已将杠杆作用机构所提供的优点应用于截枝或修剪工具上。在Wallace等的于1983年12月20日公布的美国专利No4 420 883中已示出这种杠杆作用机构的例子。在此专利中公开一种通常称作杆式树枝修剪器，其中，刀片与一个钩子配合，该钩子被成形为可以接收待剪切树枝的一部分。与切割刀片连接的联接机构响应使用者拉动驱动绳的拉力使刀片转动，形成一次切割冲程。很明显，在此专利中公开的树枝修剪器包括许多构件，而且用起来相当费事。
在修枝剪上已应用先有技术复合作用机构，如以下专利所述：Seger等的于1874年2月24日公布的美国专利No.147 868；Drmic的于1945年9月18日公布的美国专利No.2 384 822；Wallace等的于1968年3月12日公布的美国专利3 372 478；和Gosselin等的于1991年6月4日公布的美国专利No.5 020 222。在Wallace的＇478号专利中公开一种复合作用截枝剪，其中，剪钳的枢轴配置在把手枢轴的后面，因而减少了剪钳之间的夹角。尽管这种双枢轴结构改进了剪钳对工作的夹紧，但是它似乎没有改进这种工具的机械效益。
如图1所示，树枝修剪技术的技术人员已经认识到，由圆形的纤维植物例如树枝L对切割力F产生的阻力是不均匀的，它作为切割刀片B穿入植物B的深度的函数而变化。通常在约切割冲程的60％的位置P达到最大阻力。这是因为此位置，刀片B进入树枝L的穿透作用导致在刀片B进一步穿透树枝L时压实越来越多数目的纤维，因而增加了树枝L的密度。如图1所示，C代表树脂L纤维压缩的区域，而Fr代表由使用者施加的切割力的摩擦反作用力。超过最大压缩纤维位置P，对切割作用的阻力便因刀片开始切割纤维而降低(如区域B所示，在此区域植物被切割，因而对切割作用的阻力降低，直至树枝完全被切断)。因此，使剪截工具有一种可以在对应于剪截冲程上的最大剪截阻力的位置提供最大杠杆作用的变力机构是有利的。Gosselin公开了这样一种复合作用的长柄剪，在这种长柄剪中，连接于一个剪钳的附加杠杆增加了传送到剪钳的剪截力，因此有助于剪截操作。这种结构提供了另外的所需要的杠杆机构而没有过分增加把手的长度。
然而，这些已知的复合作用截枝剪有许多方面的缺点。例如在Gosselin的专利中，复合作用要求在第二剪截部件和杠杆之间实现滑动连接。另外，另一先有技术复合作用工具典型地包括各种使刀片张力的调节和刀片的卸下(为了磨块)很难的构件。另外，施加在这些先有技术截枝剪把手上的力矩趋向于传送到剪的刀片上，从而使刀片彼此相对扭歪，因而妨碍了它们的剪截作用，并容易使刀片枢轴过载和损坏。
本发明人还知道通常用于将高转矩传送到剪截工具剪钳上的其它先有技术结构。这些其它工具说明于以下专利：Voleske等的于1928年10月30日公布的美国专利No.1 689 648；Whitney的于1913年6月24日公布的美国专利No.1065 753；Eddleman的于1904年8月9日公布的美国专利No.766 941；Will等的于1870年9月20日公布的美国专利No.107 577；和本发明人的于1995年6月7日提出的申请系列No.08/484846。在所有这些情况中，均通过相互啮合的同心扇形齿轮或如Eddleman的专利所示通过齿条和齿轮配置使少一个把手的枢轴运动传送到工具的剪钳上。然而这些已知的齿轮式剪切工具不包括使作用于放在剪钳中预定位置的工件上的剪截力增加到最大所必需的复合作用机构。
由于上述原因，很需要提供一种截枝剪，这种剪易于缓和这种常规工具所遇到的问题，即在这种截枝剪中，复合作用在预定位置提供增加的机械效益，而且制造出的截枝剪仍然具有由高转矩齿轮式剪截工具提供的其它优点。
本发明提供一种特别有利的变力齿轮式杠杆机构，这种机构在剪截冲程中的最需要的位置可以产生最大的机械效益(即最大杠杆作用)，但同时又不过分增加截枝剪的总重量。
具体是按照本发明的一个方面，变力剪截工具包括具有第一枢轴点的金属板，该枢轴点与第二枢轴点分开预定距离，该板具有向前伸出的刀片和向后伸出的柄脚。该工具还包括通过第一枢轴点可转动地连接于该板的第一细长部件，该第一部件的前部被成形为可与刀片配合的剪钳，从而剪截放在剪钳上弯部中的工件。第一部件包括向后延伸的臂，把手最好装在该臂上，第一扇形齿轮位于剪钳和臂之间。形成于第二细长部件前部的第二扇形齿轮在第二部件绕板上第二枢轴点的枢轴转动时与第一扇形齿轮配合。第二部件最好也包括一个把手，该把手装在向后延伸的部分上。第一和第二扇形齿轮与分另啮合在第一和第二区域中，使得第二枢轴点与第二区域分开的距离随刀片越过弯部的行程而变化。
按照本发明的另一方面，扇形齿轮被成形为使得第二枢轴点与第二区域分开的距离在刀片越过弯部的行程的预定位置时达到最小。
按照本发明的再一方面，变力齿轮式工具被成形为截枝剪，该剪可以是砧件式的或双向式的。
从以下的说明中可以明显看出本发明的其它方面。然而应当明白，详细的说明和具体的实施例仅仅是举例，因此本专业的技术人员从该详细说明中可以明显看出在本发明精神和范围内的各种改变和变型。
下面将参照附图详细说明例示性的优选实施例，附图中相同的编号表示相同的部件。
图1是示意图，示出剪截刀片穿入植物中，并示出剪截作用的阻力通常达到最大的位置；
图2是本发明变力工具的顶视平面图，示出其在完全打开位置和放有工件的优选实施例。
图3是图2长柄剪的底视平面图；
图4是图2所示长柄剪底视平面图，图中示出刀片达到剪截冲程的约60％；
图5是图2所示长柄剪的底视平面图，图中示出刀片达到剪截冲程的端部；
图6是图2所示长柄剪的顶视平面图，图中示出在剪截冲程的端部；
图7是图2所示长柄剪的前视图，图中示出在剪截冲程的端部；
图8是图2所示长柄剪的第一细长部件的顶视平面图；
图9是图2所示长柄剪刀片的顶视平面图；
图10是图2所示长柄剪第二细长部件的顶视平面图；
图11是大体沿图6的11-11线截取的部分截面图；
图12是图8所示第一细长部件的第一扇形齿轮齿结构的放大细节例示图；
图13是图10所示第二细长部件的第二扇形齿轮齿结构的放大细节例示图；
图14是本发明截枝剪的示意图，例示出第一和第二扇形齿轮之间的关系。
参照附图，本发明的长柄剪10分别包括第一和第二部件12和14以及金属板6。第一细长部件12包括向前伸出的第一剪钳18和向后伸出的臂20。第一扇形齿轮22形成在剪钳18与臂20中间的区域24上。为增加使用者的舒适性，长柄剪10具有一对把手。第一把手26被适当成形为可装入臂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以技术人员一般熟知的方式压配合在该空心前部内。第一部件12还包括在第一扇形齿轮22的区域上形成的第一孔30。在优选实施例中，向前伸出的第一剪钳18形成一个弯部32，该弯部成形为可以接收待剪截的工件34。
长柄剪10还包括金属板16，该板具有向前延伸的配合剪钳36和向后延伸的柄脚38。配合剪钳36最好形成为刀片，该刀片经磨制形成一个其厚度逐渐减小的斜面40，该斜面40结束于磨快的刀刃42。第二孔44形成于配合剪钳36和柄脚38的中间。该柄脚上还具有第三孔46，该孔与第二孔44分开预定距离。金属板16在第一枢轴点50可转动地连接于第一部件12。枢轴点50最好包括分别啮合于第一和第二孔30、44上的螺栓52。
第二细长部件14包括第二扇形齿轮54和相对部分56，该部分56上安装第二把手58，安装方式与把手26相同。部件14还包括形成在第二扇形齿轮54和部分56中间的第四孔60。第二部件14在第二枢轴点62可转动地连接于板16。第二枢轴点62最好包括分别啮合第三和第四孔46、60的螺栓64。
下面具体参考图12和13，第一扇形齿轮22包括许多齿轮齿66，该齿轮齿被成形为可与第二扇形齿轮54上形成的对向齿轮齿68啮合。优选实施例的扇形齿轮22、54的特殊齿的平面设计示于下面的两个表中。在这些表中，表示为Pn的扇形齿轮22、24的某些点用座标中心分别在第一枢轴点50和第二枢轴点62的一对X、Y座标表示。例如参照图12和表1(第一扇形齿轮表)，第一扇形齿轮22的P20相对于第一枢轴点50具有座标-29.516mm/-30.793mm。另外，在这两个表中，“R”表示在两个相邻点之间延伸的曲线的半径。例如仍参考图12和表1，在P28和P30之间的半径R为5.9mm。
表1第一扇形齿轮 P X Y R 1 -38.773 -8.6 7.2 3 -34.327 -9.446 8.36 5 -30.518 -10.355 1.6 6 -30.099 -12.431 7.46 8 -32.508 -15.078 7.88 10 -35.862 -18.288 2 11 -35.166 -20.306 6.98 13 -30.757 -20.894 16.94 15 -27.179 -21.056 1.6 16 -26.189 -23.275 6.7 18 -28.236 -25.937 6.2 20 -29.516 -30.793 2 21 -28.252 -31.711 6.24 23 -23.865 -29.855 22 25 -21.552 -27.576 1.6 26 -18.85 -28.418 22 28 -18.322 -31.83 5.9 30 -15.886 -35.897 2 31 -14.297 -35.671 6.58 33 -12.418 -31.096 6.72 35 -11.247 -27.61 1.6 36 -9.378 -27.084 8 38 -6.729 -29.854 8.96 40 -3.882 -33.453 2 41 -1.768 -32.991 7.02 43 -0.809 -28.437 8.1 45 0.267 -25.038 1.6 46 2.272 -24.443 9 48 5.19 -27.315 8.38 50 8.213 -30.862
表2第二扇形齿轮 P X Y R 1 36.145 18.5 6.2 3 39.879 18.323 6.44 5 43.952 17.796 2 6 44.893 15.697 5.38 8 41.783 12.712 9.7 10 38.681 11.207 1.6 11 38.479 8.401 19 13 41.455 6.747 7.46 15 45.246 4.555 2 16 44.869 2.207 6.62 18 40.877 0.823 8.14 20 37.585 -1.016 1.6 21 37.479 -3.281 7.38 23 40.92 -5.185 7.7 25 44.858 -6.645 2 26 45.05 -9.004 6.28 28 41.541 -11.262 8.52 30 38.66 -13.907 1.6 31 39.219 -16.147 6.72 33 42.812 -17.095 5.28 35 46.904 -18.632 2 36 47.033 -20.718 5.14 38 43.299 -23.093 12.44 40 40.107 -23.904 1.6 41 39.395 -26.69 12.72 43 42.033 -28.762 6.9 45 44.595 -32.527 2 46 43.717 -34.266 6.74 48 39.354 -34.21 8.56 50 35.461 -34.18
技术人员容易看出，尽管这些点的座标是用mm给出，但同样可以采用其它长度或测量系统单元。
下面参考图4、12、13，第二部件14可绕第二枢轴点62转动地连接于板16，使得第一和第二扇形齿轮22、54分别互相啮合于第一和第二区域70、72中。第一和第二扇形齿轮22、54的特征还分别在于第一和第二齿距线74、76。如图12和13所示，第一齿距线74不以第一枢轴点50为心，该节距线是一条想象的线，它在啮合的第二扇形齿轮54的第二齿距线上滚动而不在其上滑动。相反，再见图14，代表第一枢轴点50和第一区域70之间距离的d3却在第一和第二把手26、28分别绕第一和第二枢轴点50、62转动时而变化。同样，配合的第二扇齿轮54的第二齿距线76不以第二枢轴点62为心。第二枢轴点62和第二区域72之间的距离d2也随第一和第二手把26、58的剪截活动而变化。
如图12和13及表1和2所示，d3在位于P20和P21之间的预定位置达到最大。相反，因为第一和第二枢轴之间距离(即第二和第三孔44、46之间的距离)是固定的，所以d2在同一位置一定达到最小。距离d2和d3的这种相等而相反的变化对作用于工件34上的剪截力Fc的影响反映在以下的力距方程中：Fc=K·Fu·d1+d2d2]]>其中K=d3+d2d4]]>如图14所示，式中Fu是由使用者在第二部件14上的施力点施加的力；d1是第二枢轴点62和施力点之间的距离；d4是第一枢轴点50和对工件34施加力Fc的点之间的距离。Fc可以写成如下：
Fc＝K·Fu+K·Fu(d1/d2)
从上述方程容易看出，K和d1是常数，对于使用者加相同的力Fu于工具10上的情况下；在d2最小时(即d3最大时)，Fc达到最大，如上所述，这种状况发生在P20和P21之间的位置。在本发明中扇形齿轮22、54的啮合结构使d2在剪截冲程的约60％的预定位置时达到最小，因而本发明可使工具10在那一位置产生最大的杠杆作用，这一位置是在剪截冲程中最理想的位置，此处工件34的密度最高。
应当明白，上述说明是说明本发明例示性的优选实施例，本发明不限于上述特定形式。例如，本发明的具有上述公开型式的第一和第二扇形齿轮的工具可以包括一对如双向长柄剪中那样的相对剪截刀片，而不是如优选实施例所述那样，包括一个与砧件配合的刀片。另外，这种长柄剪可以以各种方式制造。例如，它们可以用冲压板制作，或用锻制金属制作或可以包括一些可模制材料如塑料作的构件，在每种情况下均不影响其功能特性。另外，即使本发明的优选实施例示出具有特殊构形的相互啮合齿，但技术人员将认识到，可以以其它方式形成相互啮合作用而不超出本发明的范围。这种其它结构和构形被认为属于本发明的范围。因此在本文中公开的设计、部件的配置以及制造步骤方面均可以进行这些和其它的替换、变形、改变或省去而不违背所附权利要求书的范围。