CN103926823B - 游丝内桩的消除应力的弹性结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于游丝的游丝内桩，其与摆轮的轴的圆柱形外表面进行干涉啮合和干涉配合以使钟表移动，所述游丝内桩部分包含多个沿圆周延伸的弹性可变形的互连臂部分，所述臂部分形成具有中心轴的环并且在其间提供孔口，其中每一臂部分包括弯曲的凹入啮合部分用于与摆轮的轴的外表面啮合，其中每一啮合部分具有彼此实质上相同的曲率半径并且与中心轴以第一距离相等间隔，并且其中第一距离小于所述摆轮的轴的半径；所述啮合部分的曲率半径使得在臂部分变形并且与轴的外表面啮合时，啮合部分实质上顺应轴的所述外表面并且在其间形成干涉配合，其中由所述干涉配合诱发的应力沿所述啮合部分转移并分布并且分布在与所述啮合部分相邻的所述臂部分内。

Description

游丝内桩的消除应力的弹性结构

技术领域

本发明涉及一种游丝内桩，更具体地涉及一种设计成能将在利用摆轴的装配工艺期间所诱发的应力减到最小以将断裂失效减到最少的内桩。

背景技术

在机械钟表中，控制移动的最重要的一种组件是游丝，它是用摆轴和外桩装配以形成振荡系统的一部分。

为高精确度地预算时间，新近技术利用微制造技术来制造高质量游丝。

然而，所述微制造的游丝通常由如硅或石英等具有相对低强度的脆性材料形成，其易碎，增加了通过断裂而失效的可能性。

在装配期间，当游丝压入配合到摆轴上时，接触区中诱发的极高的接触压力使内桩断裂或致使内桩处于可能引起疲劳失效的应力状态。

为了将来自游丝内桩压入配合的应力减到最小，可以并入柔性结构。当内桩配合到摆轴上时，柔性结构可以提供一定程度的弹性变形，以释放或降低所诱发的一部分应力。

然而，当使用微制造技术利用所述脆性材料时钟表中的所述游丝设计的参数从功能和结构观点指出了提供适合的钟表的困难：

（i）如果内桩足够地紧密以便与轴适当啮合，那么内桩中所产生的应力在装配或使用期间可能诱发断裂，以及

（ii）或者，如果内桩允许足够的变形以缓解装配和使用期间的应力，那么摩擦力可能会不足够用来充分地固定游丝以抵抗使用中的回转扭力，游丝可能无法满足钟表移动的功能要求。

就与游丝内桩有关的断裂问题而论，在文献内一些人已经设法通过设计出具有特定几何形态的内桩来降低所诱发的应力。举例来说，美国专利第US7,758,237号公开一种设计有弹性臂的内桩，其中臂宽度沿不同的位置变化以提供改进的应力分布。

其他人（例如在美国专利第US7,926,355号中）公开了一种内桩，它具有刚性区域与弹性区域的交替布置以优化针对压入配合的应力的握裹力。

文献内将内桩固定到轴并且降低断裂可能性的其它方式包括提供松动配合的内桩，其中装配工艺通过使用一些粘合剂将组件个别地粘合来进行。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供一种用于游丝的内桩，它克服或至少缓解了至少一些与现有技术的内桩有关的不足。

在第一方面，本发明提供一种用于游丝的游丝内桩，其与摆轮的轴的圆柱形外表面进行干涉啮合和干涉配合以使钟表移动，所述游丝内桩部分包含多个沿圆周延伸的弹性可变形的互连臂部分，所述臂部分形成具有中心轴的环并且在其间提供孔口，其中每一臂部分包括弯曲的凹入啮合部分用于与摆轮的轴的外表面啮合，其中每一啮合部分具有彼此实质上相同的曲率半径并且与所述中心轴以第一距离相等间隔，并且其中所述第一距离小于所述摆轮的所述轴的半径；所述啮合部分的曲率半径使得在所述臂部分变形并且与所述轴的所述外表面啮合时，所述啮合部分实质上顺应所述轴的所述外表面并且在其间形成干涉配合，其中由所述干涉配合诱发的应力沿所述啮合部分转移并分布并且分布在与所述啮合部分相邻的所述臂部分内；并且其中所述啮合部分与所述轴的所述干涉配合实质上防止在钟表移动中从使用中的游丝施加负荷时所述游丝内桩与所述摆轮的所述轴之间的相对移动。

由所述干涉配合诱发的应力优选地沿所述啮合部分分布并且转移到所述相邻臂部分，并且所述臂部分和所述啮合部分的大小和尺寸使得所述臂部分内分布的应力低于形成所述内桩的材料的失效强度。

优选地，所述内桩通过所述臂部形成为单一构造。

优选地，游丝内侧线圈与两个臂部分的接合点相邻连接到所述内桩。

所述游丝优选地与所述内桩一起形成为单一构造。

优选地，每一弹性可变形的互连臂部分在径向上具有相等的臂宽度。

优选地，所述游丝内桩由包括硅、石英等脆性材料形成。

所述游丝内桩可以进一步在所述内桩的表面上包含温度补偿层以进行由温度变化引起的时间补偿。优选地，温度补偿层为氧化物添加层。

所述内桩优选地由微制造形成。

优选地，所述游丝特别地根据钟表需要的特定频率设计。

在第二方面，本发明提供一种用于钟表的游丝和游丝内桩组合件，其包含根据第一方面的游丝和游丝内桩。

优选地，所述内桩通过所述臂部分形成为单一构造。

优选地，游丝内侧线圈与两个臂部分的接合点相邻连接到所述内桩，并且优选地，所述游丝与所述内桩一起形成为单一构造。

所述游丝和游丝内桩组合件优选地由包括硅、石英等脆性材料形成。

所述游丝和游丝内桩组合件可以进一步在所述游丝和游丝内桩的表面上包含温度补偿层以进行由温度变化引起的时间补偿。优选地，温度补偿层为氧化物添加层。

优选地，所述游丝和游丝内桩组合件由微制造工艺形成。

优选地，所述游丝特别地根据钟表需要的特定频率设计。

在第三方面，本发明提供一种钟表组件的啮合结构，其用于与另一钟表组件的圆柱形表面啮合；所述啮合结构包含多个沿圆周延伸的弹性可变形的互连臂部分，所述臂部分形成具有中心轴的环并且在其间提供孔口，其中每一臂部分包括弯曲的凹入啮合部分用于与另一钟表组件的圆柱形表面啮合，其中每一啮合部分具有彼此实质上相同的曲率半径并且与所述中心轴以第一距离相等间隔，并且其中所述第一距离小于所述圆柱形表面的半径；所述啮合部分的曲率半径使得在所述臂部分变形并且与所述圆柱形表面啮合时，所述啮合部分实质上顺应所述圆柱形表面的外表面并且在其间形成干涉配合，其中由所述干涉配合诱发的应力沿所述啮合部分转移并分布并且分布在与所述啮合部分相邻的所述臂部分内；并且其中所述啮合部分与所述圆柱形表面的所述干涉配合实质上防止在钟表移动中使用中的所述钟表组件与所述另一钟表组件之间的相对移动。

钟表组件可以是时针、分针和秒针等。本发明的一个目标是通过针对内桩提出消除应力的弹性结构来解决在用摆轴装配游丝时的应力问题，所述弹性结构可以将在内桩接触区由摆轴施加的压力减到最小。

附图说明

本发明的优选实施例将在下文通过实例并且参考附图进一步详细地解释，其中：

图1展示具有弹性结构设计的现有技术的常规游丝内桩；

图2a和2b展示根据本发明的内桩的第一实施例；

图3a和3b描绘根据本发明的内桩的放大部分；

图4a和4b展示根据本发明的内桩的第二实施例；

图5展示根据本发明的内桩的第三实施例；

图6a-6d描绘与根据现有技术的内桩相比，根据本发明的硅内桩的数值计算应力分析；

图7a-7e描绘当通过光学CMM观察时，与现有技术的内桩相比，根据本发明的内桩的实验分析详情。

具体实施方式

参看图1，示意性地描绘一种根据现有技术的常规游丝内桩。如所示，所述组件包含内桩101，其在一个接合点105处连接有游丝内侧线圈102。在内桩中心，存在孔口103提供开口区域供摆轴（由点线表示）在与摆轴相邻的弹性臂104弯曲和变形后延伸和内配合。

因为弹性臂104建构成一般具有直梁形状，所以在极小接触区106中与摆轴接触（点接触），从而产生极大的集中应力（由3个箭头表示），它可以使内桩断裂和破裂。

图2a描绘根据本发明的游丝202和内桩200组合件的第一实施例的示意图。消除应力的弹性结构的内桩200降低了局部应力，从而降低与常规游丝内桩有关的断裂可能性。

如图所示，游丝和内桩200的主体包含内桩部分201，所述内桩部分201具有三个定位于与孔口203相邻的弹性臂部分204，所述孔口203提供摆轴区域；并且游丝202（径向向外延伸）在一个弹性臂连接接合点205处邻接。

每一弹性臂204具备特定的弯曲几何形态以便提供优先的弯曲变形，并且还具有“杯形”部分206，所述“杯形”部分206使局部应力降低。

如一个接触区的放大图2b中所示，展示“杯形”部分206适合于匹配摆轴圆周（由点线表示）以提供密切配合的放大接触表面。

因此，由内桩201施加到轴的压入配合工艺（由箭头表示）所诱发的应力是显著的，因为接触面积是影响所产生的应力的一种重要因素。

图3a和3b描绘在与轴308啮合期间内桩302的“杯形”部分306的工作机制，其中消除应力功能如本发明所提供。

图3a中，展示在原来位置开始装配工艺前根据本发明的内桩302的弹性臂，其中内桩压入配合到轴308中。

内桩302的“杯形”部分306被设计成使得在臂的中间部分，干涉配合307沿摆轴308圆周（由点线表示）维持在恒定值下。

当压入配合开始时，通过摆轴308推动的弹性臂在径向上从向外推的力向外变形(向外推的力由径向向外延伸的箭头表示)，直到其从摆轴区域伸出。

在变形期间，“杯形”接触表面上的每一点移动相同的距离以到达摆轴308表面上。如图3b中所示，“杯形”部分306在压入配合工艺结束后及变形后与摆轴308表面啮合，产生增加的接触面积。因为接触力更均匀地沿此表面分布，因此实现较低的应力。

本发明的第二实施例展示于图4a和4b中，其中游丝内桩401具有四个以相等间隔开的布置分布的弹性臂。本发明实施例的配置在结构上与如参考图2a和2b所述的实施例类似，其中游丝组合件400由内桩401和向外延伸的游丝402构成。

内桩401由四个弹性臂404形成，所述弹性臂具备特定的预定曲率以将由与轴表面408啮合所诱发的应力减到最小(由径向延伸的箭头表示)并且提供弹性变形，并且其在接合点405处彼此连接。

对于每一臂，“杯形”结构部分406被设计成使得其可以与位于中心开口区域的孔口403处的摆轴密切接触。

图5展示根据本发明的内桩500的第三实施例，其中内桩500具有五个“杯形”结构弹性臂504。

内桩主体501与游丝内侧线圈502接合，其中内桩主体501由五个“杯形”部分506和其间的弹性臂504形成，并且弹性臂504在接合点505处彼此连接。本发明实施例的配置在结构上与如参考图2a和2b所述的实施例类似，具有游丝500和向外延伸的游丝502。

在钟表装配期间，摆轴508插入孔口503中提供开口区域，使得游丝内桩500在“杯形”部分506处与轴接触，类似于上文参考本发明的第一和第二实施例所述,以将由与轴表面508啮合所诱发的应力减到最小(由径向延伸的箭头表示)并且提供弹性变形。

上述实施例的所述游丝内桩200,401,500如图2a至图5中所示优选地由微制造工艺并由硅材料形成。所述的游丝内桩200,401,500和游丝202,402,502的表面上包含温度补偿层以进行由温度变化引起的时间补偿。这样的温度补偿层为氧化物添加层。

由于游丝和游丝内桩组合件被用于时计的调节，所述游丝202,402,502特别地根据钟表需要的特定频率设计。

参看图6a-6d，利用数值应力分析技术，提供常规硅内桩600与根据本发明的硅内桩610之间的比较。

在如所用的模型中，利用以下参数：

轴：钢，半径-0.25mm，高度0.1mm，弹性模数200GPa。

内桩：硅，臂宽度0.035mm，变形前半径0.245mm，高度0.1mm，用于与轴接触的弧的长度-0.1mm。

图6a和图6b分别展示根据现有技术的内桩600和根据本发明的内桩610中所诱发的主应力（拉伸），并且图6c和图6d分别展示根据现有技术的内桩600和根据本发明的内桩610中所诱发的主应力（压缩）。

已经提供计算机模拟以模仿根据现有技术的内桩600和本发明的内桩610在配合到摆轴时的行为。

展示根据现有技术的硅内桩600和根据本发明的硅内桩610的最终主应力型态，发现它们在摆轴下都带着相同量的握裹力，验证了比较模型的适用性。

然而，参看如图6a和图6c中所示的用仅仅具有3个接触点的摆轴装配的根据现有技术的常规内桩600模型的结果，内桩600在每一弹性臂接触区602上承受着约590MPa高度集中的压缩应力（主应力3）并且还在相邻侧面604承受着约500MPa高度集中的拉伸应力（主应力1）。

注意，失效一般发生在臂相邻接触区上高应力集中处，此会引起内桩断裂。虽然硅具有约7GPa的极限拉伸强度，但其具有高度的沿晶体平面裂开的倾向并且发现超过300MPa的应力可能引起内桩断裂和失效。

相比之下，如图6b和图6d中所示的根据本发明的内桩610的内桩模型的消除应力的弹性结构在3个杯形接触区上产生约220MPa的实质上降低的压缩应力（主应力3）在每一弹性臂接触区612和约200MPa的拉伸应力（主应力1）在相邻侧面614，因而，如所描绘的设计应为安全的，具有相对低的局部应力。

如从上所述的计算机模拟比较模型显示，根据本发明的内桩展示当用摆轴安装时应力显著减少（60%-70%），同时维持足够的握裹力，表明了相比现有技术存在显著改进。

此外，为了验证以上模拟结果，已经通过微制造制备不同的硅游丝样品，并且进行压入配合实验以用摆轴装配这些游丝。

图7a-图7e展示关于进行的实验的详情以及装配的内桩及轴的一些图片。

参看图7a，展示包括根据本发明的内桩702的由硅形成的游丝700样品。游丝700由微制造形成。

图7b描绘根据本发明的图7a的游丝700，其与摆轴710装配，且因此与摆轮712装配。压入配合后，装配的样品通过使用坐标测量机（CMM）来光学检查并且检验。

参看图7c，展示利用CMM拍摄的所属领域中常规内桩720标准品的照片。如将注意，常规内桩由于在点接触区域722上应力高度集中而经历失效，其立即开裂。

与如图7c中所示的内桩相比，如图7d和图7e中所示的内桩730,740如根据本发明形成，其已经压力配合到摆轴750,760。如将容易地观测到，与如图7c中所示的现有技术的内桩720相比，本发明的内桩730,740良好地装配到每一摆轴750,760中，并且不存在裂纹或开裂的证据。

如参考图7c、7d和7e描述的实验结果表明与具有根据本发明的内桩的游丝的超过90%的成品率相比，现有技术的常规游丝的游丝固定到摆轴的成品率为50-60%。此成品率增加被认为是优于现有技术的装置的显著的优势，提供了在装配期间失效率显著降低的游丝/摆轮组合件以及提供了更加快的生产。

关于游丝-摆轴装配工艺中的应力问题，需要谨慎的设计以使得内桩将具有足够的接触力（避免滑动）并且应力减到最小。

有效解决这个问题的方针之一是改进摆轴与内桩之间的接触界面。

如果游丝内桩具有精心设计的接触区，那么由摆轴诱发的压入配合力可以被均匀地分摊在整个接触区以及附近区域上，由此降低了应力。

除接触界面外，内桩的结构的设计最重要。

根据本发明的设计将在内桩上的变形最小的情况下有效地降低应力，这需要对力和变形的机制进行适当的预算和计算。

基于所述目的和要求，根据本发明的游丝内桩降低了游丝-摆轴装配工艺中所诱发的压力，由此提高了生产成品率。

虽然本发明已经参考上述实例或优选实施例进行解释，但应了解那些只是帮助了解本发明的实例并且不是意指限制性的。对所属领域的技术人员来说清楚或微不足道的变化或修改以及对其进行的改进应被认为是本发明的相等物。

Claims (17)

1.一种用于游丝的游丝内桩，其与摆轮的轴的圆柱形外表面进行干涉啮合和干涉配合以使钟表移动，所述轴具有距其中心轴一定径向距离的圆柱形外表面，所述游丝内桩包括：

多个沿圆周延伸的弹性能变形的互连臂部分，所述臂部分形成具有中心轴的环并且在其间提供孔口，其中

每一臂部分包括弯曲的凹入啮合部分，用于提供具有用于接触的弧长的接触表面并且与摆轮的轴的圆柱形外表面啮合，其中每一啮合部分的曲率半径与每个其它啮合部分的曲率半径实质上相同并且与所述环的所述中心轴以第一距离相等地径向间隔，并且其中所述第一距离小于到所述摆轮的所述轴的所述中心轴的所述径向距离；

所述啮合部分的曲率半径使得在将所述游丝内桩压入配合到所述轴时，所述臂部分变形，并且所述啮合部分的所述接触表面沿其弧长啮合并且实质上顺应所述轴的所述外表面并且干涉啮合，并且在其间形成干涉配合；

其中由将所述游丝内桩压入配合到所述轴上诱发的应力沿所述啮合部分转移并且分布到与所述啮合部分相邻的所述臂部分并且在其中分布；并且其中所述啮合部分与所述轴的所述压入配合实质上防止在钟表移动中从使用中的游丝施加负荷时所述游丝内桩与所述摆轮的所述轴之间的相对移动；并且

其中所述游丝内桩由包括硅、石英等的脆性材料形成。

2.根据权利要求1所述的游丝内桩，其中，当压入配合所述游丝内桩时，由所述干涉配合诱发的所述应力沿所述啮合部分分布并且转移到相邻的所述臂部分，并且所述臂部分和所述啮合部分的大小和尺寸使得所述臂部分内分布的应力低于形成所述内桩的材料的失效强度。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的游丝内桩，其中所述内桩通过所述臂部分形成为单一构造。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的游丝内桩，其中每一弹性能变形的互连臂部分在径向上具有相等的臂宽度。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的游丝内桩，其中进一步在所述内桩的表面上包含温度补偿层以进行由温度变化引起的时间补偿，其中所述温度补偿层为氧化物添加层。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的游丝内桩，其中所述内桩由微制造形成。

7.根据权利要求3所述的游丝内桩，其中，所述内桩由微制造形成。

8.一种用于钟表的游丝和游丝内桩组合件，其包含根据权利要求1所述的游丝和游丝内桩。

9.根据权利要求8所述的游丝和游丝内桩组合件，其中所述内桩通过所述臂部分形成为单一构造。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的游丝和游丝内桩组合件，其中所述游丝具有与两个臂部分的接合点相邻地连接到所述内桩的内侧线圈。

11.根据权利要求10所述的游丝和游丝内桩组合件，其中所述游丝与所述内桩一起形成为单一构造。

12.根据权利要求8或权利要求9所述的游丝和游丝内桩组合件，其中所述游丝和游丝内桩组合件由微制造形成。

13.根据权利要求10所述的游丝和游丝内桩组合件，其中，所述游丝和游丝内桩组合件由微制造形成。

14.根据权利要求11所述的游丝和游丝内桩组合件，其中，所述游丝和游丝内桩组合件由微制造形成。

15.根据权利要求8、权利要求9、权利要求11或权利要求14中任一权利要求所述的游丝和游丝内桩组合件，其中所述游丝具体地根据钟表需要的特定频率设计。

16.一种钟表组件的啮合结构，其用于与另一钟表组件的圆柱形表面啮合，其中所述啮合结构包括：

多个沿圆周延伸的弹性能变形的互连臂部分，所述臂部分形成具有中心轴的环并且在其间提供孔口，其中

每一臂部分包括弯曲的凹入啮合部分，用于提供具有用于接触的弧长的接触表面并且与另一钟表组件的圆柱形表面啮合，其中每一啮合部分的曲率半径与每个其它啮合部分的曲率半径实质上相同并且与所述环的所述中心轴以第一距离相等地间隔，并且其中所述第一距离小于所述圆柱形表面的半径；

所述啮合部分的曲率半径使得在将所述游丝内桩压入配合到所述轴时，所述臂部分变形，并且所述啮合部分的所述接触表面沿其弧长啮合并且实质上顺应所述轴的所述外表面并且干涉啮合，并且在其间形成干涉配合，

其中由将所述游丝内桩压入配合到所述轴上诱发的应力沿所述啮合部分转移并分布并且分布在与所述啮合部分相邻的所述臂部分内；并且其中所述啮合部分与所述圆柱形表面的所述压入配合实质上防止在钟表移动中使用中的所述钟表组件与所述另一钟表组件之间的相对移动；并且

其中所述游丝内桩由包括硅、石英等的脆性材料形成。

17.根据权利要求16所述的钟表组件的啮合结构，其中所述钟表组件是时针、分针和秒针等。