陀飞轮双向擒纵机构原理剖析「图解」

2020-08-27 20:25陀飞轮双向擒纵机构

“双向擒纵机构”在结构试验阶段所遇到的最大问题是整个擒纵系统不能保持长时间运转,运转较短时间就会停止工作。原因在于此结构的双擒纵轮在巨大的驱动力作用下相互啮合高速转动,不论采用哪种金属材料都不可避免地存在高速磨损这个最棘手的问题。

当时,瑞士NeuchateI大学所属的微技术学院和其附属的瑞士电子和微技术公司(CSEM)刚试验成功一种采用光感成型技术制造的半导体硅微型钟表零件,雅典和CSEM一起改良了该技术,生产出适用于“双向擒纵机构”的硅擒纵轮,使得“双向擒纵机构”成功运转并获得了新生,成就了雅典Freak陀飞轮手表的问世。

随后,雅典为了追求机构的完美性能,与德国制作超薄钻石芯片的专家(德国GFD公司)共同合作,运用DRIE深层离子蚀刻技术(Deep Reactive Ion Etching),将擒纵轮的材料变为硬度高、摩擦消耗小、没有磨损的材质——钻石,更进一步提升了此擒纵机构的运作效能和寿命,随后于2005年推出“Freak DIAMOND HEART” 。

1. 技术特征

图4-9为雅典第一代钻石双向擒纵机构,其技术特征如下。

雅典第一代钻石双向擒纵机构

图4-9 雅典第一代钻石双向擒纵机构

①两个擒纵轮形状完全相同并且互相啮合在一起(擒纵轮之间直接啮合或者间接啮合)。

②在两个擒纵轮之间的中间位置设置一个杠杆与它们分别配合,从而实现了类似于杠杆式擒纵机构的全周期运动,此杠杆通过两个限位钉来控制摆动,它的作用是负责将能量不断地输入摆轮游丝系统。

“双向擒纵机构”所具备的优势是机构的整体布局处于对称状态,分解了传统杠杆式擒纵机构的两个半周期由一个擒纵轮完成的工作,变成了由两个擒纵轮来完成,其实质是通过两个擒纵轮的联动,再加上中间位置杠杆的辅助协调,使得擒纵机构整体运转所需要的能量降至最低,更多的能量输送给摆轮游丝系统,大大提高了能量利用率,降低了损耗。

2. 工作原理

初版“双向擒纵机构”采用了两个带有长短齿特征的擒纵轮,而驱动它们的动力来自于机芯传动轮系的齿轮1传递给第一擒纵轮3的齿轴4,再通过两个擒纵轮3和11互相连接来启动此机构(参考专利号EP1041459A1)。

此擒纵机构完整的工作周期分为以下四个阶段。

①摆轮右振幅解锁传冲阶段(见图4-10)。双齿异形轮10及锁块9与单齿轮6与双齿轮7处于对称位置,第一擒纵轮3的长齿13刚好可以摆脱锁块9的束缚,使得第一擒纵轮11在驱动轮2输入的牵引力矩的作用下逆时针转动,在转动过程中长齿13与双齿轮7的齿5啮合,从而将输入力矩直接传递给摆轮游丝系统继续向右振幅位置运动。此外,由于第一擒纵轮3与第二擒纵轮11相互啮合,还使得第二擒纵轮11开始以顺时针方向转动。

摆轮右振幅解锁传冲阶段

图4-10 摆轮右振幅解锁传冲阶段

②锁定阶段(见图4-11)。此时第一擒纵轮3的长齿13与双齿轮7的齿5啮合传冲能量的过程已经结束,单齿轮6与双齿轮7已经转到接近水平位置,而双齿异形轮10在单齿轮6的阻挡下已经无法转动,同时第二擒纵轮11的长齿12以顺时针方向转动遇到了锁块9的阻挡,在这双重制约下双向擒纵机构处于静止状态。

锁定阶段

图4-11 锁定阶段(一)

③摆轮左振幅解锁传冲阶段(见图4-12)。双齿异形轮10及锁块9与单齿轮6与双齿轮7都正好逆时针转动到左右对称位置,使得第二擒纵轮11的长齿20已经摆脱了锁块9的束缚。由于在驱动轮2输入的牵引力矩的作用下逆时针转动的第一擒纵轮3与第二擒纵轮11相互啮合,带动第二擒纵轮11以顺时针方向转动。在转动过程中长齿20与双齿轮7的齿8啮合,从而将输入力矩直接传递给摆轮游丝系统,使其继续向左振幅位置运动。

摆轮左振幅解锁传冲阶段

图4-12 摆轮左振幅解锁传冲阶段

④锁定阶段(见图4-13)。此时第一擒纵轮11的长齿12与双齿轮7的齿8啮合传冲能量的过程刚刚结束,而双齿异形轮10开始受到单齿轮6的阻挡,同时第一擒纵轮3的长齿14以顺时针方向转动遇到了锁块9的阻挡,在这双重制约下双向擒纵机构即将处于静止状态。

锁定阶段(二)

图4-13 锁定阶段(二)

1. 改进版

2007年,雅典在巴塞尔展会上推出“Freak DIAMonSIL”系列腕表,它承载了使用钻石和硅晶体结合而成的材料制作的“双向擒纵机构”,此技术将多晶钻石和硅晶体合二为一,使之成为既轻巧又易于设计的新型材料。

雅典的改进版“双向擒纵机构”与初版相比,在结构方面有了很大的改变,其实这次改变得益于新材料的技术日趋成熟,特别是利用了硅材料通过微电子技术可以被制作成任意形状,不会受到像金属材料那样的制约(初版是以金属材料为基础研发的)。

前后两版的主要区别如下:

①如图4-14所示,两个擒纵轮1和2的轮齿被改造为异形齿相互啮合形成了齿轮联动。

雅典第二代“双向擒纵机构”

图4-14 雅典第二代“双向擒纵机构”

②由于齿形的变化,使得机构本身可以更为简洁,作为过渡作用的双齿异形轮3与固定在摆轮游丝系统的单齿轮4直接联动传递来自于机芯的动力,使其可以起到类似于杠杆式擒纵机构里的擒纵叉的作用,将能量传递给摆轮游丝系统,而动力源自传动轮5与第一擒纵轮1的齿轴6的连接。改进版“双向擒纵机构”的优势在于双擒纵轮1和2以轮系联动,同时通过较小的双齿异形轮3向摆轮游丝系统传递能量,此举可以降低擒纵机构的效率,将更多的能量传递出去(参考专利号US6708576B2)。

1. 成熟版

成熟版“双擒纵机构”与改进版相比,其工作原理基本上是一致的,而在结构细节上,雅典的设计师主要改进了以下三个地方:

①如图4-15所示,两个擒纵轮1和2的齿形被进一步修正了,齿数也增加了,其目的是为了使振动频率从原先21600次/小时升级到28800次/小时的摆轮游丝系统以后,提高擒纵机构的稳定性以及抗振动能力。

雅典第三代“双向擒纵机构”

图4-15 雅典第三代“双向擒纵机构”

②异形双齿轮3的形状也被相应修正了,其目的就是为了配合两个擒纵轮的相应变化。

③设计师将类似于杠杆擒纵机构里的叉头钉7又引入到此机构当中,目的很明显,就是为擒纵机构增加保险系数(参考专利号EP1367462A1)。

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