用于钟表的具有优化的扭矩传递的擒纵机构
技术领域
本发明涉及钟表制造领域。更具体地，本发明涉及一种具有优化的扭矩传递的擒纵机构。
背景技术
诸如瑞士锚式擒纵机构、英制锚式擒纵机构、丹尼尔式擒纵机构等传统的擒纵机构包括擒纵叉，该擒纵叉以间歇方式阻挡擒纵轮，并且当擒纵轮被释放时将能量从运转轮系传递到调节构件。诸如摆轮和游丝之类的调节构件的振荡致动擒纵叉杆，以便执行擒纵轮的这种周期性释放，并且再次向调节构件提供冲击，以便保持其振荡。
为此，擒纵叉包括至少两个擒纵叉爪，其中一个擒纵叉爪即进入擒纵叉爪相对于擒纵轮的旋转方向位于上游，另一个擒纵叉爪即退出擒纵叉爪位于下游。在调节构件的每半个振荡上，与擒纵轮接合的擒纵叉爪被抬离，释放擒纵轮，并借助于每个擒纵叉爪包括的冲击表面将冲击传递到调节构件。同时，另一个擒纵叉爪在擒纵轮的齿的轨迹中移动并将其阻挡。然后，对另一个擒纵叉爪重新开始该循环。
通常地，冲击表面由平面构成。尽管这些简单的形式易于制造，但是扭矩的传递在整个冲击阶段都是变化的，这对擒纵机构的性能是有害的。
此外，这种平面冲击表面经常引起擒纵叉爪抬离，特别是当它执行从对擒纵叉爪的冲击阶段到对齿的冲击阶段的过渡时，这同样危害擒纵机构的性能。
文献CH702689描述了一种擒纵机构，其中退出擒纵叉爪和/或进入擒纵叉爪设有冲击表面，该冲击表面以这样的方式弯曲，即在冲击阶段的整个部分期间，齿的和擒纵叉爪的冲击表面在这些表面之间的接触点处限定的角度至多等于7°。尽管这相对于平面冲击表面确实带来了改进，但是所选择的形式不能消除扭矩传递中的变化。建模研究表明，擒纵叉的扭矩和擒纵轮的扭矩之间的扭矩比相对于擒纵轮的角度的导数改变符号若干次，并且所述扭矩比沿着擒纵叉爪的凹陷部分变化大约25％至35％。此外，在冲击表面开始处的凸起部分表现出完全传统的曲率半径，这是由当前的制造过程产生的，并且根本没有进行优化。
因此，本发明的目的是至少部分地克服上述缺点。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于钟表的擒纵机构。该擒纵机构包括擒纵轮，该擒纵轮围绕旋转轴线以可枢转的方式安装并且旨在由动力源驱动，所述擒纵轮包括多个齿。
擒纵机构另外包括围绕旋转轴线以可枢转的方式安装的擒纵叉，该擒纵叉包括进入擒纵叉爪以及退出擒纵叉爪。每个擒纵叉爪包括：停靠表面，所述停靠表面被布置成在停靠阶段期间阻挡所述擒纵轮；以及冲击表面，所述冲击表面被布置成与所述擒纵轮相互作用，以便将从所述擒纵轮接收的冲击传递到被布置成执行振荡的调节构件，所述擒纵叉被布置成在所述调节构件的控制下周期性地释放所述擒纵轮。
根据本发明，至少一个且优选地每个所述冲击表面以这样的方式构造：即在所述冲击表面的至少一部分上，在擒纵轮和所述冲击表面之间的每个接触点处考虑，所述冲击表面的切线与擒纵轮和擒纵叉之间的中心到中心的线以一定的角度相交，该角度遵守以下关系式：
其中
并且其中
在这些等式中，所有的角度都以弧度表示，并且：
-α定向是所述切线与所述中心到中心的线之间的角度；
-α是连接所述接触点和所述擒纵轮的所述旋转轴线的线与所述中心到中心的线之间的角度；
-COF是所述擒纵轮和所述冲击表面之间的摩擦系数的三角正切(即：根据传统记法的tan(μ))；
-R是所述擒纵轮的所述旋转轴线与所述接触点之间的距离，+/-10％；
-C是所述擒纵叉的扭矩和所述擒纵轮的扭矩之间的扭矩比(C叉/C轮)；以及
-L是所述中心到中心的线的长度。
这样，擒纵轮和擒纵叉之间的扭矩传递得以改进，因为在整个冲击阶段它保持恒定。这种恒定的传递使传递的扭矩最大化，改进了擒纵机构的性能，并使调节构件的干扰最小化。应当注意，研究已经表明，文献CH702689中的擒纵叉爪的形式不对应于以上限定的形式，并且扭矩的传递不是基本恒定的，如在前序部分中所述。这主要(尽管不是唯一地)是由于这样的事实，即，在齿的和擒纵叉爪的冲击表面之间的接触点处由齿的和擒纵叉爪的冲击表面限定的角度是恒定的，并且至多等于7°(优选至多等于5°)，这决不会与上述等式一致。
如果这些等式应用于传统几何形状的擒纵机构，则在每个表面的所述关系式有效的部分上，进入擒纵叉爪的冲击表面因此是凸的，而退出擒纵叉爪的冲击表面是凹的。
有利地，每个所述冲击表面的至少一部分的形式遵守所述关系式，其效果是对于每个擒纵叉爪来说扭矩传递都是恒定的。
有利地，擒纵轮包括具有凸的冲击表面的齿。因此，各个阶段之间的过渡是平稳的，这防止了擒纵叉爪在循环期间从擒纵轮上抬离。
为了相同的目的，本发明同样涉及一种擒纵机构，该擒纵机构包括：擒纵轮，所述擒纵轮围绕旋转轴线以可枢转的方式安装并且旨在由动力源驱动，所述擒纵轮包括多个齿。所述擒纵机构另外包括擒纵叉，所述擒纵叉围绕旋转轴线以可枢转的方式安装，所述擒纵叉包括进入擒纵叉爪和退出擒纵叉爪。每个擒纵叉爪包括：停靠表面，所述停靠表面被布置成阻挡所述擒纵轮；以及冲击表面，所述冲击表面被布置成与所述擒纵轮相互作用，以便将从所述擒纵轮接收的冲击传递到被布置成产生振荡的调节构件，所述擒纵叉被布置成在所述调节构件的控制下周期性地释放所述擒纵轮。
根据本发明，在每个所述齿包括的冲击表面的至少一部分上，在所述擒纵叉爪中的一者(特别是擒纵叉爪中的所述一者的下游喙状物)和所述冲击表面之间的每个接触点处考虑，所述冲击表面的切线与擒纵轮和擒纵叉之间的中心到中心的线以一定的角度相交，该角度遵守以下关系式
在该等式中：
-α定向是所述切线和所述中心到中心的线之间的角度；
-α是连接所述接触点和所述擒纵轮的所述旋转轴线的线与所述中心到中心的线之间的角度；
-Seuil是用于所述擒纵轮和所述擒纵叉之间的抬离阈值(例如通过实验或建模选定)的值；
-R是所述擒纵轮的所述旋转轴线与所述接触点之间的距离，+/-10％；
-C是所述擒纵叉的扭矩和所述擒纵轮的扭矩之间的扭矩比；
-L是所述中心到中心的线的长度。
这样，当擒纵叉爪执行从称为“对擒纵叉爪的冲击”的阶段到“对齿的冲击”的阶段的过渡时，可以消除擒纵叉爪相对于齿的抬离，因为由典型形式的齿产生的强加速显著减小。由于擒纵叉爪保持与齿恒定接触并且不抬离，所以从擒纵轮到擒纵叉的扭矩传递以及因此擒纵机构的性能得到改善。即使文献CH702689一般地陈述了擒纵轮的齿可以稍微弯曲，但这也不对应于上面限定的特定形式。此外，如在前序部分中所述，齿的形式以及擒纵叉爪的形式的组合在齿在停靠表面和冲击表面之间的过渡期间特别易于抬离，并且因此永远不能与上述等式一致。
如果将该等式应用到表现出传统几何形状的擒纵机构，则擒纵轮的齿的冲击表面将是凸的。
有利地，所述值Seuil是在对所述擒纵叉爪的喙状部的冲击期间擒纵轮上的擒纵叉的速度比的一阶导数的函数。作为替代，该值可以任意地限定。
有利地，根据本发明的擒纵机构包括上述优化中的每一种优化，也就是说，涉及擒纵叉爪的冲击表面，并且涉及擒纵轮的齿的冲击表面。
本发明还涉及一种包括如上限定的擒纵机构的手表机芯，并且还涉及一种包括这种机芯的钟表。
附图说明
通过阅读以下实施方式的说明，将更容易理解本发明，所述实施方式以示例的方式给出并且参考附图制作，其中：
图1表示根据本发明的擒纵机构的示意性平面图；
图2表示擒纵轮的齿和进入擒纵叉爪的齿的放大图；
图3表示退出擒纵叉爪的放大图；
图4表示擒纵叉和擒纵轮之间的接触点的示意性建模；
图5表示在冲击阶段期间进入擒纵叉爪的冲击表面的轮廓的切线的发展的放大示意图；
图6表示在冲击阶段期间退出擒纵叉爪的冲击表面的轮廓的切线的发展的放大示意图；
图7表示在冲击阶段期间进入擒纵叉爪的冲击表面的轮廓的切线的发展的就角度方面和就时间方面的曲线图；
图8表示在冲击阶段期间退出擒纵叉爪的冲击表面的轮廓的切线的发展的就角度方面和就时间方面的曲线图；
图9表示在冲击阶段期间擒纵轮的齿的冲击表面的轮廓的切线的发展的放大示意图；
图10表示在冲击阶段期间擒纵轮的齿的冲击表面的轮廓的切线的发展的曲线图；以及
图11表示在冲击阶段过程中擒纵轮上的擒纵叉的速度比的发展的曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的擒纵机构1。该擒纵机构1体现了瑞士锚式擒纵机构的总体形式，其中每个擒纵叉爪参与向调节构件提供冲击。
如通常所知，擒纵机构包括擒纵轮3，该擒纵轮3被布置成由动力源(在此未示出)驱动。该动力源可以是例如主发条或电马达，该主发条或电马达借助于运转轮系(同样未示出)与擒纵轮3运动学地连接。
擒纵轮3以可枢转的方式安装在心轴(未示出)上，该心轴的理论轴线由附图标记5表示。在这里描述的变型中，擒纵轮7的齿均包括上游表面7a和冲击表面，当擒纵轮3被阻挡时该上游表面7a与擒纵叉爪相互作用。然而，本发明可适用于其它形式的擒纵轮，例如适用于尖齿(英制锚式擒纵机构)，或者适用于较少的传统形式。
擒纵轮3的齿7以已知的方式与擒纵叉9相互作用，擒纵叉9绕理论旋转轴线11枢转。在这里描述的变型中，该理论轴线11与心轴(未示出)重合，但是如文献CH708113中描述的"悬挂"型的擒纵叉或任何其它适当类型的擒纵叉同样是可能的。连接擒纵轮3的旋转轴线5和擒纵叉的旋转轴线的线限定了中心到中心的线12。
所描述的擒纵叉9的总体形式是传统的。在这方面，它包括从旋转轴线11延伸并终止于叉9c的杆9a，该叉9c以已知方式与调节构件(未示出)相互作用，以便使调节构件以预定的周期振荡，这里不需要详细描述。此外，一对臂9b在基本垂直于杆9a的方向上延伸到旋转轴线11的任一侧，并且终止于擒纵叉爪13、15。不用说，在本发明的框架内也可以使用其它不太常见形式的擒纵叉。
这些擒纵叉爪13、15中的每一个被布置成周期性地阻挡和释放擒纵轮，擒纵轮依次地被擒纵叉爪13、15中的一个阻挡，然后被另一个再阻挡。
图1中右侧所示的擒纵叉爪13是进入擒纵叉爪，其位于箭头指示的擒纵轮3的旋转方向的上游，而位于下游的擒纵叉爪15是退出擒纵叉爪。
在这里描述的变型中，擒纵叉爪13、15与擒纵叉9是一体的，不过本发明同样适用于附接到臂9b的擒纵叉爪。如通常所知，每个擒纵叉爪13、15分别包括停靠表面13a、15a和冲击表面13b、15b。停靠表面13a、15a用于在停靠阶段期间阻挡擒纵轮3，而在冲击阶段期间冲击表面13b、15b与齿7配合以将冲击传递到擒纵叉并因此传递到调节构件。这些齿7中的每一个包括与擒纵叉爪13、15的停靠表面13a、15a相互作用的停靠喙状部7c以及倾斜冲击表面7b。位于上游表面7a和冲击表面7b之间的停靠喙状部7c以及该冲击表面7b有助于将冲击传递到擒纵叉9。
在刚刚限定的这种类型的典型擒纵机构中，停靠表面13a、15a通常是平面，该停靠表面的角度以这样的方式选择，即在停靠阶段期间，由停靠表面13a、15a和齿7之间的接触产生的力F包括倾向于保持擒纵叉爪13或15适当地与擒纵轮3接合的分量。结果，该力F产生围绕擒纵叉9的旋转轴线11的扭矩，当进入擒纵叉爪13被接合时，该扭矩倾向于使得擒纵叉在逆时针方向(根据图1中的定向)枢转，而当退出擒纵叉爪15被接合时，该扭矩倾向于使得擒纵叉在顺时针方向枢转。
在典型的擒纵机构中，擒纵叉爪13b、15b的冲击表面通常是平面，在冲击期间，该平面使得在每个冲击阶段期间从擒纵轮3传递到擒纵叉9的扭矩减小。这种扭矩变化效率低，并且限制了擒纵机构1的性能。
因此，本发明主要涉及擒纵叉爪13、15的冲击表面13b、15b的形式以及擒纵轮3的齿7的冲击表面7b的形式。由于擒纵叉爪的作用表面13a、13b、15a、15b不是平面的，或者至少不需要是平面的，所以使用术语“表面”代替常规表述“…的平面”。
4示出了可以用于计算擒纵叉爪的冲击表面的形式的建模示意图。在构成该附图的图中示出了进入擒纵叉爪的冲击表面13b与擒纵轮3的齿7之间的接触点C'、擒纵轮3和中心到中心的线12之间的几何关系。
为了使擒纵轮3施加在进入擒纵叉爪13上的力F产生在整个冲击阶段恒定的扭矩，进入擒纵叉爪的冲击表面13b的切线与中心到中心的线12之间的角度α定向必须遵守以下关系，该关系通过在冲击阶段期间的每个点处将力分解而获得：
其中：
并且其中
为了使其表现出实际的制造公差，可以将+/-10％，优选+/-7％，更优选+/-5％或甚至+/-3％或+/-2％的公差添加到限定α定向的关系中。
在这些等式中，所有的角度都以弧度表示。α是连接所述接触点和所述擒纵轮3的旋转轴线的线与所述中心到中心的线12之间的在数学上限定的角度。因此，在进入擒纵叉爪13上的冲击阶段期间，该角度减小，因为接触点C'在擒纵轮3旋转时移动得更靠近中心到中心的线12。COF是擒纵轮和所述冲击表面之间的摩擦系数的三角正切(以弧度表示)，即根据传统记法的tan(μ)；R是所述擒纵轮的旋转轴线和所述接触点之间的距离，具有+/-10％，优选地+/-7％，更优选地+/-5％或甚至+/-3％或+/-2％的公差，以便其表现出实际的制造公差；C是擒纵叉的扭矩相对于擒纵轮的扭矩之间的扭矩比，也就是说C擒纵叉/C轮；并且L是所述中心到中心的线12的长度。
应当注意，考虑到R值的公差以及α定向的公差，本发明包括一系列可能的曲线。考虑到制造公差，这是不可避免的，因为以可再现的方式制造数学上完美的曲线是非常困难的。
同样的关系对于退出擒纵叉爪15同样有效，因为几何形状是类似的，接触点C'当然位于中心到中心的线12的另一侧。
图5以放大的方式示出了在进入擒纵叉爪13的冲击表面13b的冲击阶段期间的该冲击表面13b的α定向的发展。显然，当擒纵轮3转动并且接触点C'在圆弧上前进时，由于上面说明的原因，当α减小时角度α定向增大。图7示出了作为接触点C'随时间变化的角度α(t)的函数的这种增加，并且由此在多个点计算的角度α定向的值可以用于限定切线，所述切线可以以平滑的方式组合，以便针对进入擒纵叉爪13的冲击表面13b的长度的至少一部分来限定该冲击表面的形式。该部分可以延伸例如所述冲击表面13b的长度的至少20％、至少40％、至少50％、至少60％或甚至至少80％或90％。根据这些附图，显然，所述冲击表面13将是凸的。
类似地，图6以同样放大的方式示出了在其整个冲击阶段中退出擒纵叉爪15的冲击表面15b的α定向的发展。显然，当擒纵轮3转动并且接触点C'在圆弧上前进时，角度α定向减小。图8示出了作为接触点C'的角度α的函数的这种减小；事实上，在移动过程中，α移动远离从中心到中心的线或α在三角意义上严格为负的，因此α(t)在移动过程中减小。再次，可以利用由此计算的角度α定向以便限定切线，可以组合这些切线以便针对退出擒纵叉爪15的冲击表面15b的长度的至少一部分来限定该冲击表面15b的形式。该部分可以延伸例如所述冲击表面15b的长度的至少20％、至少40％、至少50％、至少60％或甚至至少80％或90％。在退出擒纵叉爪15的情况下，由于接触点C'移动远离中心到中心的线12，因此在相应的冲击阶段期间角度α增加。根据这些附图，显然，所述冲击表面15将是凹的。
根据上述内容，擒纵叉爪的冲击平面13b、15b的形式可以针对表现出给定几何形状的擒纵机构来确定，还考虑擒纵轮3的齿7的冲击表面7b的形式，这确定了在冲击阶段期间与擒纵叉爪13、15的接触点的位置的发展。
即使如上确定的擒纵叉爪13、15的形式可以与已知形式的擒纵轮结合使用，但是以避免擒纵叉爪从擒纵轮抬离的方式修改冲击表面7b的形式是有利的。
本质上，在传统擒纵机构的情况下，当擒纵轮3的齿7执行从擒纵叉爪的停靠表面13a、15a到其冲击表面13b、15b的过渡(称为“对擒纵叉爪的冲击”，因为齿7与擒纵叉爪的冲击表面13b、15b相互作用)时，擒纵轮3和擒纵叉9发生加速。此外，在冲击阶段的后面部分期间，当齿与擒纵叉爪13、15的下游喙状部13c、15c相互作用时(称为“对齿的冲击”，因为是擒纵叉爪的下游喙状部13c、15c与齿7相互作用)，产生第二、甚至更强的加速。如果这些加速太大，则擒纵叉爪13、15可以与擒纵轮3分离，其效果是使这两个元件之间的接触中断。
擒纵轮的齿7的冲击表面7b的轮廓可以从图4中所示的相同模型开始确定，这防止了在从冲击表面7b到下游喙状部7d的过渡期间发生抬离。
根据擒纵轮3和擒纵叉爪中的一个的冲击表面13b、15b之间的接触的几何形状，擒纵叉的扭矩和擒纵轮的扭矩之间的扭矩比C可以作为角度α的函数计算如下：
在这种情况下，α定向表示在接触点C'处齿7的冲击表面7b的切线与中心到中心的线12之间形成的角度，其它变量如上文在擒纵叉爪13、15的冲击表面13b、15b的轮廓的上下文中描述的那样。为了防止抬离，值C必须小于预定阈值(见下文)。
在对齿的冲击阶段期间，也就是说当下游喙状部13c、15c与擒纵轮3的齿7的冲击表面7b接触时，
C(α)≤Seuil*α+C
其中C是在喙状部的这种变化下的扭矩比，Seuil是通过实验或通过建模计算的或者甚至任意限定的抬离阈值的值。在更实际的情况下，例如可以通过建模来限定轮3上的擒纵叉9的速度比的阈值导数。参数Seuil在一定程度上受擒纵机构的几何形状的影响，不过建模已经表明，不超过0.01、优选不超过0.005的值通常是适用的，或者可以以任何速率作为离开点。
因此，
并且
在该关系式中，可以将+/-10％，优选+/-7％，更优选+/-5％或甚至+/-3％或+/-2％的公差添加到α定向的值，以便表现出实际的制造公差。应当注意，考虑到R值的公差以及α定向的公差，本发明包括一系列可能的曲线。考虑到制造公差，这是不可避免的，因为以可再现的方式制造数学上完美的曲线是非常困难的。
结果，当α在冲击阶段期间增加时，α定向以近似线性的方式同样地增加。因此，齿7的冲击表面7b的轮廓是凸的，如图9中以放大形式所示。作为角度α的函数的α定向的发展同样在图10中描述出。
再一次，如同擒纵叉爪13、15的情况，可以在几个点处计算角度α定向，以便以上面提到的方式确定所述冲击表面7b的轮廓。
图11是示出了传统擒纵机构(“Rv标准轮廓”)和根据本发明的擒纵机构(“Rv弯曲轮廓”)的擒纵轮3上的擒纵叉9在解锁和冲击时的速度比的比较的标准化曲线图。该曲线图描述了冲击表面13b、15b的形式的效果和擒纵轮的齿7的弯曲轮廓的效果，其中冲击表面13b、15b确保在对齿7的冲击表面7b的冲击阶段期间恒定的扭矩传递。
就恒定转矩的传递而言，对于传统擒纵机构，观察由“对擒纵叉爪的冲击”表示的曲线图部分，由于上述原因，速度比“Rv标准曲线”在整个该阶段中减小。另一方面，对于根据本发明的擒纵机构，由于扭矩比保持恒定，所以速度比“Rv弯曲轮廓”保持恒定。从该曲线图中同样清楚的是，在对表面的冲击阶段期间函数“Rv弯曲轮廓”的积分大于“Rv标准轮廓”的积分，并且因此在冲击的该阶段期间更多的能量被供应到擒纵叉。实际上，上述值Seuil可以通过考虑对齿的冲击期间线“Rv弯曲轮廓”的期望倾斜度来确定，该倾斜度表示角速度比的一阶导数。
该曲线图还示出了擒纵轮3的齿7的冲击表面7b的弯曲轮廓的效果。由于该表面7b是弯曲的，所以速度比的曲线的倾斜度呈现出比在传统情况“Rv标准轮廓”中呈现的倾斜度小得多的倾斜度。因此可以避免抬离。
在擒纵轮3的齿7的冲击平面7b的形式是直的情况下，相应的曲线将遵循“Rv弯曲轮廓”的曲线，直到与垂直线的交点具有标准值800，然后与“Rv标准轮廓”的曲线组合，直到冲击阶段结束。
尽管这里结合擒纵叉爪13、15的优化形式描述了擒纵轮3的齿7的冲击表面7b的这种轮廓，但是它可以与已知的擒纵叉爪一起使用，例如与表现出标准平面的擒纵叉爪一起使用。
计算表明，擒纵叉爪13、15的冲击表面13b、15b的形式使性能增加了大约2至3个点，并且擒纵轮的齿7的冲击表面7b的形式使性能额外增加了大约2至3个点。因此，两种优化的组合为擒纵机构增加了大约4至6个性能点。
上述擒纵叉9和/或擒纵轮3可以例如通过微机械加工工艺制造，例如通过LIGA、3D打印、使用材料片进行掩膜和雕刻、通过立体光刻或类似工艺制造。例如，可以从单晶、多晶或无定形金属(例如钢、镍-磷、黄铜等)、非金属例如硅、其氧化物、其氮化物或其碳化物、所有形式的氧化铝、金刚石(包括金刚烷碳)中选择适当的材料，这些非金属材料是单晶或多晶的。所有这些材料可以涂覆有另一种硬的和/或耐磨的材料，例如金刚烷碳或氧化硅。
如果在擒纵叉爪13、15和擒纵轮3上采用这些轮廓，则这些弯曲轮廓的使用将导致擒纵机构1的性能提高大约5％。
尽管上面结合特定实施方式描述了本发明，但是在不背离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，额外的变型也是可能的。
