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    機(jī)械擺鐘機(jī)心及模塊化附加功能設(shè)計

    2015-12-27 05:59:49輕工業(yè)鐘表研究所張曄司馬斌劉茂平邊寧濤
    鐘表 2015年6期
    關(guān)鍵詞:輪系走時機(jī)心

    文 / 輕工業(yè)鐘表研究所 張曄 司馬斌 劉茂平 邊寧濤

    機(jī)械擺鐘機(jī)心及模塊化附加功能設(shè)計

    文 / 輕工業(yè)鐘表研究所 張曄 司馬斌 劉茂平 邊寧濤

    本文給出了機(jī)械擺鐘的數(shù)學(xué)模型,介紹了機(jī)械擺鐘機(jī)心的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,結(jié)合理論計算,設(shè)計出擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)振動周期為2s,延續(xù)走時為15天的機(jī)械擺鐘機(jī)心。并引入模塊化設(shè)計理念,在同一機(jī)心上設(shè)計可互換的附加功能組件,分別實現(xiàn)了8音及12音兩種不同功能的機(jī)械擺鐘機(jī)心功能。

    擺鐘機(jī)心;機(jī)心設(shè)計;

    1.引言

    擺鐘屬于振動計時儀器,該儀器的原理是利用了一個周期恒定、持續(xù)振動的振動系統(tǒng),振動系統(tǒng)的振動周期乘以被測過程內(nèi)的振動次數(shù),就得到該過程經(jīng)歷的時間。即:時間=振動周期×振動次數(shù)。

    擺鐘的振動周期與擺長有關(guān),當(dāng)擺長和持續(xù)走時時間確定后,振動周期與輪系傳動比即可確定。根據(jù)奏樂功能的不同,機(jī)械擺鐘機(jī)心最常用的可分為8音和12音。

    2.擺鐘工作原理

    2.1數(shù)學(xué)擺

    式中:

    L為擺長,即質(zhì)點m至桿a懸掛點O的距離;

    m為質(zhì)點的質(zhì)量;

    g為重力加速度;

    φ為任何瞬間擺相對于鉛垂線的偏轉(zhuǎn)角;

    .φ.為φ對時間t的二階倒數(shù)(擺的角加速度);

    其中:ml2為擺的轉(zhuǎn)動慣量,而mgLsinφ則為擺的恢復(fù)力矩。

    圖1:數(shù)學(xué)擺簡圖

    2.2擺的引用長度和振動周期的關(guān)系

    式中:TM為振動周期(秒)ly為擺的引用長度(毫米)g 為重力加速度

    表1 擺的引用長度和振動周期的關(guān)系

    2.3機(jī)械擺鐘結(jié)構(gòu)組成及功能

    表2 機(jī)械擺鐘結(jié)構(gòu)組成

    (1)走時傳動輪系:根據(jù)固定擺長確定的周期,與擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)配合用于顯示時間的一系列輪系,具有獨(dú)立的原動組件。

    (2)擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu):控制機(jī)械擺鐘振動周期的機(jī)構(gòu),包括擒縱輪、擒縱叉、擺。

    (3)報刻奏樂傳動輪系:實現(xiàn)每刻鐘及整點奏樂功能的一系列輪系,具有獨(dú)立的原動組件。

    (4)報時傳動輪系:實現(xiàn)每整點報時功能的一系列輪系,具有獨(dú)立的原動組件。

    (5)報時報刻控制系統(tǒng):實現(xiàn)走時顯示與報時打點數(shù)同步功能;每刻鐘及整點顯示與奏樂同步功能;自動止報功能;完全止報功能。包括抬閘杠桿、扇形齒、十二角凸輪、開關(guān)杠桿、大小開關(guān)、止停桿和自動止停桿等零部件。

    2.4傳動輪系設(shè)計

    以擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)振動周期為2s,持續(xù)走時時間為15天的機(jī)械擺鐘機(jī)心設(shè)計為例:

    表3 走時傳動輪系齒輪順序及齒數(shù)

    圖2:走時傳動輪系

    式中:N為擺鐘上一次發(fā)條(或重錘)的連續(xù)工作天數(shù);n為上足一次發(fā)條(或重錘)鏈輪的工作圈數(shù)。

    故頭輪至分輪的各齒輪齒數(shù)滿足設(shè)計要求,實際走時應(yīng)大于15天。

    2.5報時輪系及報刻奏樂輪系設(shè)計

    表4 報時報刻傳動輪系齒輪順序及齒數(shù)

    圖3:報時傳動輪系

    圖4:報刻傳動輪系

    3.擒縱機(jī)構(gòu)設(shè)計

    格拉哈姆擒縱機(jī)構(gòu)是擺鐘最常用的擒縱機(jī)構(gòu)之一,通過設(shè)計確定:

    擒縱輪齒數(shù):齒39

    包角:78° 24'36''

    鎖角:1° 2 4'12''

    沖角:1°30'24''

    擒縱輪齒頂圓直徑:?mm29f

    根據(jù)作圖法繪制的擒縱機(jī)構(gòu)如圖5所示

    圖5:擺鐘擒縱機(jī)構(gòu)

    4.擺簧片設(shè)計計算

    當(dāng)T( 擺動周期)=T0(簧片小幅擺動周期)時,為擺簧片設(shè)計最佳狀態(tài)。

    其中: m 擺錘質(zhì)心質(zhì)量g 重力加速度E擺簧彈性模量b擺簧寬度h擺簧厚度

    本設(shè)計中

    則:擺剛度

    T≈T0,故擺簧片的設(shè)計符合要求。

    5.模塊化附加功能設(shè)計

    圖6:8音擺鐘與12音擺鐘機(jī)心對比圖

    圖7:8音擺鐘奏樂系統(tǒng)

    圖8:12音擺鐘奏樂系統(tǒng)

    如圖6所示,本設(shè)計中8音擺鐘和12音擺鐘機(jī)心的結(jié)構(gòu)基本相同。各傳動輪系、擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)、報時報刻控制系統(tǒng)等都可作為通用件使用。不同之處在于報刻奏樂功能上的不同,8音擺鐘奏樂系統(tǒng)只能選擇一種音樂,而12音擺鐘則可以通過止停桿更換檔位,選擇3種不同的音樂。由于12音擺鐘奏樂音樂選擇的多樣化,所以12音擺鐘相對于8音鐘的奏樂部分更為復(fù)雜。

    8音擺鐘奏樂功能的實現(xiàn)是由奏樂傳動輪、奏樂凸輪組件,報刻打錘固定板、打錘等零部件完成的。奏樂凸輪組件上有4個凸起點角度不同的凸輪,繞奏樂凸輪軸同時轉(zhuǎn)動;4個打錘分別固定在四個報刻打錘固定板上,4個打錘固定板依次穿在報刻打錘回轉(zhuǎn)軸上,相互之間可繞該軸獨(dú)立轉(zhuǎn)動;由于4個奏樂凸輪與4個報刻打錘固定板安裝位置平行。當(dāng)奏樂傳動輪帶動奏樂凸輪組件轉(zhuǎn)動,4個形狀不同的凸輪上的凸起點會先后撥動4個不同的報刻打錘固定板,從而使4個打錘先后敲擊音簧產(chǎn)生音樂。

    12音擺鐘與8音擺鐘的奏樂原理相同,由于又增加了4個奏樂打錘,音樂旋律更加豐富,如果能在同一個機(jī)心上通過更換相應(yīng)的模塊化組件分別實現(xiàn)8音擺鐘與12音擺鐘的奏樂功能,則會給實際生產(chǎn),售后維修帶來很多便利。

    止停桿是擺鐘的奏樂開關(guān),止停桿在下方時,奏樂系統(tǒng)處于打開狀態(tài),當(dāng)抬至最上方時,止停桿會推起大開關(guān)以鎖住奏樂系統(tǒng)。

    12音擺鐘奏樂系統(tǒng)的基本原理與8音擺鐘相同,在不改變8音擺鐘機(jī)心整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在前面板上增加了擋位片和檔位連接片,擋位片上有4個厚度不同的凹槽,其中最下面的兩個凹槽厚度相同。當(dāng)止停桿上下移動時,會通過擋位片連接片帶動擋位片一起上下移動,這樣檔位軸會依次被頂入4個不同的凹槽內(nèi),需要說明的是,12音擺鐘的奏樂凸輪部件上共有20個凸輪,并可以軸向運(yùn)動,這樣固定在檔位軸組件上的撥片會撥動奏樂凸輪部件軸向前后移動,當(dāng)檔位軸與擋位片從上至下的三個凹槽接觸時,奏樂凸輪部件上的20個凸輪會分3組分別與8個報刻打錘固定板配合工作,帶動打錘打出3種不同的音樂。當(dāng)繼續(xù)將止停桿推到最上方,止停桿會推起大開關(guān)鎖住奏樂系統(tǒng),由于第三、第四個凹槽的厚度一樣,故凸輪不會再發(fā)生軸向移動。

    6.結(jié)論

    機(jī)械擺鐘的擺長和持續(xù)走時時間決定了擺鐘擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)的振動周期及走時輪系的傳動比,結(jié)合擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)和擺的設(shè)計,即可實現(xiàn)走時功能。根據(jù)擺鐘持續(xù)走時時間和具備的報時、報刻等各項功能,即可設(shè)計原動組件、報時、報刻傳動輪系及奏樂系統(tǒng)。本文設(shè)計通過在同一機(jī)心上設(shè)計可互換的附加功能組件,分別實現(xiàn)了8音及12音兩種不同功能的機(jī)械擺鐘機(jī)心功能。

    [1]機(jī)械計時儀器天津科學(xué)技術(shù)出版社 [2]機(jī)械擺鐘設(shè)計與工藝中國輕工業(yè)鐘表研究所培訓(xùn)中心

    [3]機(jī)械手表制造工藝學(xué)天津科學(xué)技術(shù)出版社

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