平面螺旋弹簧在机械手表中的应用.pdf

0 i iF E A T U R E平面螺旋弹簧在机械手表中的应用撰文I 番港中文大学精密I 程研究所高培铿杜如虚机械弹簧是一种以弹性变形来储存能蕈的组件。数百年来机械弹簧一直被广泛应儿 着机械钟袭更高不开弹簧。一一、尬孝?目1：g 自自#T$在各种弹簧中使用最广泛、研究最透彻的要算螺旋弹簧。垂直式螺旋弹簧的变与作用力方向一致，其应用包括汽车引擎的阉?弹簧、火车车厢的悬架弹簧等等，其力学理论十*成熟。年来，睦着迅速发展计算8 技术，计算器辅助设计结台力学模使垂直螺旋弹簧 殳计进步发展。新的设计包括非圃截面弹簧、止共振弹簧、非圆拄形爆旋弹簧以厦形状记忆台盒弹簧等等。平螺旋弹簧g 种 面扭转弹簧，用目长的i 属材料绕成平面螺旋形状。相对f 垂螺旋弹簧平面螺旋弹簧拍研究极少。在设计手册平面螺旋弹簧的设计公式是幕于大大简化7 的理论近似和实验测试，手表弹簧的静态设计。盎便是例。在机械手表中，苹螺旋弹簧的应用要有M 个个用于能量存储，目发条，月一个月f 控制振荡额章，即游丝。发条是机械手表的动力来溽，储存能量、辅出力矩，i 游丝控着计时准确度，月者都是钟袭的*键部件。披m 对平面螺旋弹簧做T 一研究在这!与大家*享。发条发条是机挂钟表的能量储存装*。机械手&的发条通常E a 磋质台金制成，全长大约2 0 0 3 0 0 毫米厚00 5 02 毫来，矩截。囤1 9 其自自形状，其中的内簧与钩都是为7 使发条能一a 保持均匀的力拒输出。图2 B 发条i 绕在发条盒中的情况。发条紧万方数据F E A T U R E0 描 圣髫!窑洲篡紫=8 嚣=-蕊。，三蒜W 豢黧赫鬻划霉其r 十，是发条的最大目储存能量(单位m J l，c 是发条的厚度。易辑雪三三暑董疆$l 单位m m I 是发条的高廛f 单位m m f 是发皋的长度 单位勺；三暑墨S R 淞、巢i 熏墨黼爱I“M P 麟a)oJ 誓t o 式#实相；枢糙，女发条t 动目会有接触摩擦，另卦脏着鼬&蕊馨薹量重皇；力，发条的t 动，输出的扭矩也是台有变化的。我们对n 做7 有限元”析I、潞S 釜量星富兰看兰乏 f*析结果R i，扭矩与挠度f 目发条变角I 白勺*g 非线性的。为71 鼍墨重量三看兰事!弦时输出力矩保持一样还是很难。游丝如图3 所示，游8 R 一种，但最经典的则g 一条精细的平面螺旋弹簧，其状是根据阿基米得螺线来计的。如图4 所，游g 与 衡耗妇成一个菅振器，游的弹性控制羞平衡轮的摆动速度。当受力时游会带动平新轮沿顺时针方向旋转外力终止、惯性力用旱时，弹簧中储存的自能会线性地E 放出来带动 衡轮按逆目针 向i a 从而完成一个周期振荡。t t 自目t 佩为简谐i 动，即常数月期的正弦i 动。由干摆轮的大质量，其共振周期能抵受外力扰动，目此其i 动周期十丹稳定。振荡周期的近f q 表选式如Tn 悟一，雾万方数据0 惜F E A T U R E固1赣1，叟目5：#H 镕*镕目f 1 8 6 1 1 0 3 其中，J 是摆轮的转动惯，K=E b h，12 L g 游4 弹簧系数，E 是材料的杨氏模b 是游丝厚度，h 是游高度L 是游丝长度。逮一公式也是n 假许多囡囊都没有考虑。其中矗为重要的目奈是游#，游丝日勺重量约为摆轮的十*一它的t 动是准波动方程的t 动，目而，对周期的影响!少&十*。目n，t 述方程的浸差i 少最十*。在实际I 作目，彰响游丝I 作表现的目甭包括弹簧材料的逐渐老北、腐蚀、i 度对弹性模t 影响、磁效应“摇轮结构的重n 等。前E 十目囊都取决于弹簧材料。目，材料是制遗游的关键2 一。起初，游使用没有g 过处理的钢材，由于材料的逐步瘴劳，使用寿命有限。使用黄金镀屡避免T 腐蚀问题怛仍解决T 7 材科的老化问E。著名的航海钟发日者约翰略i 森fJ o h nH a rr i s o n 首攻使用硬化和目火来改进材抖的老化问题。18 9 6 年，瑞利学霖膏尔斯-爱蒋华纪尧姆lC h ar8 sE d o u a r dG u iI a u m e)发明7 一种特殊钢I n v ar，t 种钢亦称为F e N i 3 6 在美目称为6 4 F E N，它是一种，璐膨胀系数n 十零的镍钢台盒。目此温度对其影响非常低。1 9 2 0 年，这种钢材进一步强化戚恒弹性钠，恒弹性钢的弹性模教基本上不受温度影响。县此，装有恒弹性钢游丝的机0T 需要温度补偿结构。t 简化7 机械表。的设计并太大地减少误差。纪尧姆目n 获得19 2 0 年诺贝尔物学奖，这是钟表史的一段佳话。如母N i v a r o x 是游#材料中最常用的生属台金，N i r a f o x 来自僖文缩写N i c h t V a r i a b l e O x y d f e s t，英文是N o n v ar i a b l e N o n O x i d i z i n g，中文是非变非氮化性。N i r aF O X 是一种T 锈铜台，内舍4 2 一4 8 的钴、15-2 5 的镍、1 6 一2 2 的铬H 少t 的钛和镀。月N i v a t o x 台童制造的游4 耐用、羌性、f 锈、热膨胀幕数低，目运月十精密计时。目前，制造游#的新材科是硅。硅制游牲的特性有许多优点，例如防磁、温度对弹性模t 影响极小在连结点娃没有Z 热变形或机械变形亡匕l n v ar 舍盎质地更均匀亡【n v ar 台童摩擦幕数更小月杨氏模量更太，对轻微冲击 敏盛，由于密度怔对离u 力地o 力午敏感等。特别要提到的是传统的音盒游#制作考究，目根难保t 材科的均匀性，而硅游使用先进的深度E 应离子刻蚀fD e e pR e a c t i r eI o nE t c h i n gD R I EI 割作橘度有保。目6 是i 选*月的硅游#S p i f o m a g。相信在不久的将来，硅游丝将越来越多。万方数据F E A T U R E0 i游丝的分析与设计游丝的设计、翻造与安装十H 目难。其厚目有n 个第一游n 的i动难蹦准确的计篁第=，游丝的制造误差在所难免第=，薄t i 行时，由于幸问驶小容易发t 碰撞。目n 游#安装好E 还需进行机械或 I 调口。为7 解决t g 目题，敖们做7 一系列I 作。首先我们利用有限元方法对游丝进行7 仿真*析。图7&仿真的模型弹簧一#有=圈，输 是一个脉冲力矩，幄值goo IN m 间是t=0 100 0 5 s，阻尼倒是00 5。囝8 是仿直的一个例子最高振荡角(目口摆轮的摆幅)约2 0。振荡最#目阻月m 减慢和停t。当弹簧的圈数增加时，摇幅也会增加。一一一万方数据0 ；iF E A T U R E矿精掣=_=目1 0：*#S g H 镕接着，覆们做7 测量扭矩与旋转角度的实验。由于新测t 的 矩非常小，约为n 千N m m 难以用传统方法进行测量。目此我们使用的是瑞C S M 倥表。司的扭矩涮器V a r i o c o u p i e f 囤9 I 其技术指标如T转速每*钟00 2 i 10 转角度*辨度0，。电动机连续最转矩-5 N-mX Y Z 位E 精确度00 1 m m圈10 是一条游n 的实验结果，其中棕色的细线是输 红色的租线是输出。由圉可见，辅入与输出R 相差一十相角t 是理想的情况。V ar i o c o u p l e 汪可以用于捌发条I 作情a。圈1 1 是一蛆实验结果，面的曲线是链时的力矩，T 面的曲线是放链时的力矩。弹簧的新设计与优化进的新技术为游设计提供7 许$方便T 但日H检验目的设计，日H 帮助提出新刨新设计-圈1 2 是我们设计的一款新的游4 这一设计有几个优点第一涟蔚状的波纹使游在行时不易碰撞，第=外目丑勺i 动E 内的t 动轻易目撬幅更犬更稳定。i 一瞳计用古典方法是无镕宴现但是通过计算机仿真日以准确的计算出米。用D R I E 的方*制造出来目，壬可耻遵过实验来验，希望这#游#T 久即可问*。万方数据Our website has been in business for upwards of a few years.Wepride ourselves onthe quality of our rolexrolexrolexrolex watches and the service we provide.When you purchase rolexrolexrolexrolexfrom us at our website,you are automatically assured of the best in quality as well asour utmost commitment to service excellence.Wehave literally thousands of satisfied customers who are pleased with our serviceand merchandise Cyou TOO can join them!Our customer support team is committed towards achieving 100%customersatisfaction,and you are always welcome to e-mail us if you have any questions aboutyour order,or any of our rolexrolexrolexrolex watcheswatcheswatcheswatches on display on our website.Happy Shopping!rolexrolexrolexrolexrolexrolexrolexrolex watcheswatcheswatcheswatchesrolexrolexrolexrolex watcheswatcheswatcheswatches salesalesalesale