CN1040589C - 竖式钢琴的机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明是传统竖式机械装置的改进。顶杆弹簧的功能由顶杆/重复弹簧来承担，可调地安装在顶杆的接触槌托端附近和与槌组件后档上螺纹轴连接的导座之间。槌返回弹簧可调节作用在槌上的力，使槌返回扭矩与槌柄水平时其重力所施加的扭矩相当。顶杆/重复弹簧作用力，确保顶杆在槌返回超过后档接点之前与槌托重接合。顶杆重复弹簧的两端的几何位置使各元件在重接合之后紧密接触。弹簧之间的互相作用对键产生返回力，可在键的演奏端加重以对演奏者的接触提供所希望的惯性阻力。

Description

竖式钢琴的机械装置

本发明涉及钢琴，特别是竖式钢琴的机械装置的领域。更具体地说，本发明涉及竖式钢琴的机械装置的领域，试图对竖式钢琴提供和大(平台式)钢琴相同的演奏性。

在音乐领域中众所周知，大钢琴的“触摸感觉(“feel”)或“演秦性”一直优于竖式钢琴，并且大钢琴比竖式钢琴要贵得多和占有大得多的空间，因此，尽管竖式钢琴的演奏能力差些，它已经和继续占有一定市场。另外，既使不是必要的，也是已经和继续具有强烈的愿望，使具有成本低和省地方等优点的竖式钢琴的演奏特性达到大钢琴的水平。

美国专利473,944公开了一种竖式钢琴的机械装置，试图在其演奏性方面与大钢琴的机械装置相匹敌。美国专利896,763涉及的发明具有相同的目的。美国专利199,687；682,616；788,482及1,000,762提出其它种类的竖式机械装置，打算赶上大钢琴的机械装置，但比美国专利473,944和896,763的机械装置更为简单，并且可能制造成本更低和更易于维护。美国专利199,687的机械装置已制造多年(在下文中还对先有技术有专门的介绍)。

尽管如此，市场上可以买到的竖式钢琴其演奏特性仍然不能与大钢琴接近或相等。设想对这种钢琴的市场需要近年来已经显著增加是合乎逻辑的，因为空间的价值和钢琴的成本已经增加。

先有技术中对传统竖式钢琴的机械装置进行改进，以提供与大钢琴不相上下的竖式钢琴的机械装置之所以失效，可被认为是至少三个主要问题所造成的。第一是在各种情况下，增加复杂程度所增加的成本多于改进所带来的任何商业价值。第二是改进的性能只有在精细调节或调整机械装置的情况下才能获得，该条件对专利产品的机械装置是很难达到的，并且其维护也很困难和昂贵。第三，本领域的技术人员不难理解，先有专利中所公开的改进不足以影响机械装置触模感觉(feel)的方式，和保证钢琴家的将改进结合到机械装置中的努力和花费得到反映。

由于存在这些问题，本发明的一个主要目的是提供一种竖式钢琴的机械装置，其演奏特性可与大钢琴的机械装置相匹敌。

具体来说，关于演奏特性，其目的是改善复位能力至一定程度，使键在从完全压下位置只升起部分高度时它能够可靠地重奏，和大钢琴机械装置所可能做到的那样。

另一个目的是机械装置应该没有可察觉的动力损失运动(注：“动力损失运动”-dynamic lost motion是由发明人制造的一个术语，用来表示传统竖式机械装置的松弛触觉的原因的功能特性，将在下文的本发明的说明部分中详细说明)。

另一个目的是使机械装置的惯性特性与大钢琴相当。

另一个目的是使这些特性的获得不致由于增加复杂性等原因而显著增加机械装置的成本。

另一个目的是使机械装置的调节和维护几乎和传统竖式机械装置的一样容易，而比传统的大钢琴机械装置则要容易得多。

另一个目的是使机械装置保持调谐(stay in adjustment)的时间至少与传统机械装置的一样长。

本发明机械装置可以通过描述其与传统竖式机械装置的不同点来有效地和清楚地说明，其结构件和运动件的名称和作用可以取自一本书，书名为《钢琴零件及其功能》，由钢琴技师协会公司出版，华盛顿98111，西雅图，邮政信箱1813，版权1981年，国会图书馆编目卡80-83705号。

本发明提供一种竖式钢琴的低动力损失运动的演奏机械装置，包括：具有键工作端和键演奏端的铰接的键；铰接的琴槌，它具有敲击基本垂直方位琴弦用的琴弦敲击端和驱动槌用的驱动端；包含顶杆和联动杠杆的中间机构，它具有一个从键工作端传递运动给槌驱动端的与槌相接合的位置和一个不从键工作端传递任何基本运动给键驱动端的与槌基本脱开的位置；以及槌返回弹簧；

本发明的特征在于还包括：

槌返回强簧的调节机构，用于调节弹簧以强制推压该槌驱动端转向键工作端并推压该敲击端转离琴弦；

复位弹簧，用于推压中间机构至相接合位置；

重力偏压机构，将键工作端和中间机构向着槌驱动端偏压，使槌驱动端、中间机构和键工作端之间存在有净吸引力，从而使它们之间当中间机构处于相接合位置时所形成的任何间隙得以尽量减小。

根据本发明的一种竖式钢琴的机械装置，上述钢琴有琴座结构，上述机械装置具有静止位置并包括：

键，它具有第一质量，演奏端，工作端，顶部，固定到上述工作端的顶部上的第一支轴，至少一个具有第二质量并安装在上述演奏端的重物；第二支轴，它固定到上述琴座结构上，并在上述演奏端和上述工作端之间支承上述键；联动杠杆，它具有第三质量、顶杆中心和联动杠杆中心，上述联动杠杆在上述联动杠杆中心与上述琴座结构铰接，并由上述第一支轴支承；顶杆，它铰接在上述顶杆中心上并具有趾、槌托接合端、第四质量和靠近上述接合端的第一导座；槌组件，它具有槌托、后档组件、槌中心、槌柄、槌头以及从结构上可调节地支承在上述槌托上的第二导座，上述槌托在上述槌中心上与上述琴座结构铰接；至少一根琴弦，固定至上述琴座上，其位置应能被上述槌头所敲击；固定至上述琴座结构上的弹簧档；固定至上述琴座结构上的调节档板；固定至上述调节档板上的定位扣；产生第一力的槌返回弹簧，它固定到上述弹簧档上并与上述槌托接合，使上述力在上述槌组件上产生一个在将上述槌头从上述至少一根琴弦移离的方向上的第一转矩；上述第一转矩的数值，等于上述槌组件在上述槌柄基本上水平时，由其重力绕上述槌中心所产生的转矩的25％至150％；产生第二力的复位弹簧，它具有作用线并支承在上述第一和第二导座之间，其方向配置将上述顶杆的上述槌托接合端与上述槌托强迫接合，上述接合在上述槌托上产生第三力，与上述槌中心有一个杠杆臂距离，在上述槌组件上提供一个绕上述槌中心的第二转矩；上述第二转矩与上述第一转矩反向；后档接木；后档铁丝，它将上述后档接木支承在上述联动杠杆上；槌柄档；上述复位弹簧的上述第二力，通过上述复位弹簧与上述第二导座的接触，在上述槌组件上产生一个绕上述槌中心的第三转矩，上述作用线的方向应这样调整，使与由上述复位弹簧施加在上述第二导座上的上述第二力相结合，使上述第三转矩与上述第二转矩同方向；随后，当上述键的上述演奏端被压下，通过上述第一支轴和上述联动杠杆的作用，上述顶杆将上述槌托绕上述槌中心转动，并对上述槌组件传递动量，直至上述趾与上述定位扣接触，导致上述顶杆按照将上述顶杆端从上述槌托脱离的方向绕上述顶杆中心转动，于是上述动量使上述槌头敲击上述至少一根琴弦，上述槌头按返回方向弹回，上述第一转矩帮助上述弹回，上述弹回被上述后档组件和上述后档接木的接触所阻止，当上述演奏端被松开，上述后档接木开始移离上述后档组件，使上述槌头可以返回，在这里，上述第一、第二和第三转矩作用在上述槌托上，由上述顶杆的上述端施加的上述第三力和上述第二力，被第四力反作用，该第四力与上述第二和第三力的合力大小相等而方向相反，是由上述第二力作用在上述第一、第二、第三和第四质量上引起的加速度产生的，上述各质量使由上述第三力作用在上述杠杆臂距离上提供第二转矩，上述第三转矩限制上述槌返回弹簧，使上述顶杆与上述槌托的重接合发生在上述槌头到达到上述静止位置之前，并且保证上述槌组件档靠在上述顶杆上面不是在上述柄档上，如果上述演奏端再次被压下，上述重接合使敲击可以复位，继续重接合通过减小上述杆臂距离而减小上述第二转矩，随后上述第一转矩、上述第二力和在上述第二、第三、第四质量上的重力结合起来将上述机械装置置入上述静止位置。

本发明的机械装置的键上也可以不带有该安装在演奏端具有第二质量的重物。

本发明机械装置的槌返回弹簧，具有第一总位移和第一工作位移，最好第一总位移是第一工作位移的Y倍，Y的数值可以调整并且大于2。

本发明机械装置的顶杆/复位弹簧，具有第二总位移和第二工作位移，最好第二总位移是第二工作位移的Z倍，Z的数值可调整，其范围为1至5。

存在有三个主要的不同点。第一，取消了顶杆弹簧，在传统机械装置中，顶杆弹簧是一个短的螺旋压缩弹簧，放置在顶杆的短臂或趾和联动杠杆之间。在本机械装置中，顶杆弹簧的作用由放置在靠近顶杆顶部位置和后档柄/后档组件之间的顶杆/复位弹簧来提供。后档柄/后档组件经仔细改进，以适应顶杆/复位弹簧和调节弹簧的螺丝。在机械装置中，顶杆复位弹簧的辅助作用是在顶杆重接合时支承槌组件，因此，在机械装置回移至静止位置时，在槌返回后档接木位置之前，可以产生重奏能力。

第二，传统机械装置的槌弹簧只能靠弹簧的人工变形来调整，而本发明的机械装置包括一根螺丝，以便调节弹簧作用力的大小。而且由于下述的原因，弹簧更加强有力，即比传统机械装置的弹簧作用有更大的力。该弹簧力作用在与槌托的接触点上，绕槌中心作用产生转矩，其大小与当槌的配置使槌柄和大钢琴机械装置一样基本上保持水平时，槌的重力所产生的转矩相同。

第三，传统机械装置中键的任何重物都位于非演奏端(极少数情况除外)，即演奏者不接触的该端。而本机械装置中，重物是位于键的被演奏端、即演奏者一端，同样和大钢琴的机械装置一样。

在先有技术的检索中，找到第一不同点的某些明显的先例。美国专利1,000,762和1,301,908提出了在顶杆(组件)和后档柄/后档组件之间的弹簧。美国专利1,301,908还提到有一个调节弹簧J的螺丝。在该两个专利中，都保留了传统的顶杆弹簧。在美国专利1,301,908中，弹簧J在顶杆中心和顶杆端之间的大约一半处与顶杆组件接触，当键被压下时，弹簧力作用线穿过顶杆中心。这种特征的意义在下文的说明中就会明了。

在美国专利1,000,762中，顶杆端和后档组件之间的弹簧类似于一个安全销弹簧(safty pin sping)，它试图帮助将槌移向琴弦，和敲击运动时一样。该意图是根据专利中所述的目的，即使机械装置能以较轻的触摸进行演奏。在该专利图5所示的实施方案中，弹簧的另一端也试图将顶杆与槌托重接合，有助于实现所述的有较快的复位能力的目的。但该弹簧不能调节，除非用人工将其变形。

普通技术人员可以理解，上面所述对传统机械装置的三点改进的组合，将可实现本发明的目的，而上面引证的先有技术的改进，单独的或组合的，都没有也不能达到这些目的。本机械装置的演奏特性可与大钢琴的演奏特性相匹敌。强有力的槌返回弹簧、顶杆/复位弹簧的强度和效果以及在键的演奏者一端的重物等三者的结合，使得键在返程中升起其全压下位置和静止位置之间的距离的少于一半路程时，顶杆可与槌托重接合，和大钢琴的机械装置的情况一样。传统的竖式机械装置也可在1/2行程时重接合，条件是键可以全速返回。键在小于全速下返回，很可能需要返回静止位置才能可靠地重接合。在键的演奏者一端的重物对键提供的惯性可以和大钢琴机械装置的键相比。所增加的复杂程度最小，因为传统的顶杆弹簧由顶杆/复位弹簧来代替，而对顶杆/复位弹簧和槌返回弹簧的调节只是易于调节的螺丝。这些螺丝提供的调节能力比传统机械装置的容易，并且/或者在传统的机械装置中是不能获得的。改进采用的较大的力的范围，以及实施方案的简化和坚固性，使其调节容易而不易损坏，调节的稳定性周期长。

较强的槌返回弹簧、复位弹簧的强度和效果以及加重的键的演奏端三者的结合，使本机械装置的演奏特性可以和大钢琴的相匹敌。大钢琴机械装置的惯性特性产生自键的演奏端的重物和包含重物在内的质量的分布，和由支点位置影响的杠杆作用相结合，一个最重要的因素是在轴(capstan)、即传动杠杆之下的支轴的向上的力。关于惯性特性，普通技术人员可以理解，由于钢琴的琴槌的大小和质量是分级的，在低音部愈大愈重，又由于本发明机械装置的槌返回弹簧的调节使槌返回力和转矩与当槌柄处于水平时由重力所产生的槌返回力和转矩相当，因此，对于一个标准的接触重量(touch weight)来说，键上的配重要分级，在低音部最重，和在大钢琴机械装置中的情况一样。大钢琴机械装置的惯性特性主要由键的演奏者一端的重物产生，有助于慢的弱声的演奏时键的压下，但惯性阻碍快速的强声的演奏时键的压下，这样有可能获得施加到键上的力和产生的感觉到的音响强度之间的最理想的线性关系。在本机械装置中，加重键的演奏者端有可能通过强于重力水平的槌返回弹簧力来实现，后者本身又可利用顶杆/复位弹簧能精确对抗这些力以将顶杆重接合的能力来实现。本机械装置的复位性接近等于大钢琴机械装置的复位性的这一事实，可部分归因于顶杆/复位弹簧能完成和大钢琴的复位弹簧/杠杆几乎相同的功能。

顶杆/复位弹簧的效果，应使其对槌返回弹簧和演奏者端键的加重的反向力的阻挡，仅足以将顶杆与槌托重接合，这之后，顶杆/复位弹簧的作用基本上为零。这种有效的不存在分开力的情况使强有力的槌返回弹簧对键重和惯性起反作用，以在槌返回期间保持顶杆与槌托保持紧密接触。正是这种接触得以消除动力损失运动，该动力损失运动干扰传统的机械装置，使之在各种形式的重奏期间产生松弛的不连接感觉。动力损失运动的消除就有可能免去攀带和攀带铁丝，这稍后要说明。因此，本机械装置增加两个螺丝调节所带来的附加复杂性可由于除去传统的顶杆弹簧、攀带和铁丝而减至最小。另外，改进方案所使用的大的力的水平，和实施方案的简化和坚固性可以获得简单、线性的调节性和调节的长期稳定性。

图面简单说明如下：

图1是传统竖式机械装置处于静止位置时的简图；

图2是综合有本发明的改进方案的竖式机械装置处于静止位置时的局部剖视简图；

图3是美国专利U.S.1,301,901图4的翻版；

图4A是美国专利U.S.1,001,762图5的翻版；

图4B是美国专利U.S.1,001,762图2的翻版；

图5是弹簧特性、特别是弹簧比率和总挠曲对工作挠曲的比例的曲线图；

图6是本发明机械装置处于静止位置时的简图，显示了另一种顶杆/复位弹簧的安装细节；

图7是图6所示机械装置处于后挡接木(back-check)位置的简图；

图8是图6所示机械装置，在顶杆与槌托有用的重接合时刻的示意图；

图9A、9B、9C和9D显示各种变型的复位弹簧的安装细节和效果。

参照图1，图中所示为一个传统的立式机械装置，演奏音符时，沿着箭头D的方向移动琴键11的端部10。琴键绕支轴12(固定在琴座结构上)摆动，使支轴13沿箭头E的方向移动。支轴13将联动杠杆14升起，从而也将顶杆15升起，联动杠杆绕其中心16转动。顶杆15的端部17与槌组件19的槌托18接合，使槌组件绕其中心20(固定到琴座结构上)转动，因此将槌头21移向琴弦22。当移动继续，顶杆趾23趋近以可调方式安装在档板25(固定至琴座)上的定位扣24。因为接触定位扣24，联动杠杆14的继续移动导致顶杆15按箭头R所示方向转动。该转动又导致顶杆端17按箭头S所示方向移动，从而与槌托脱开。这种脱开也称为擒纵(escapement)，正好在槌头21敲击琴弦22之前发生。槌的动量使槌头敲击琴弦，然后弹回。固定在弹簧档27(固定至琴座)的槌返回弹簧26促进该弹回。在某个点，后档组件29的后档28将接触后档接木30，以停止琴槌的移动。这完成了音符的敲击。

为准备复位，即复位敲击音符，琴键11的演奏端10被松开，使其按箭头D的相反方向移动。这样，在键的从演奏端超越支轴12的那部分(即工作端)，以及由支轴13部分或全部支承的构件的质量的重力作用下，再加上顶杆弹簧31的压缩由联动杠杆14的返回运动来卸载，就使支轴13按箭头E的相反方向移动。在机械装置复位以便复位演奏一个音符的过程中，在某个点上，顶杆15的端部17可能离开槌托18，而顶杆弹簧31可将顶杆15绕顶杆中心32按箭头R的相反方向转动，并使顶杆再与槌托重接合。在该点，另一个音符可以靠压下键的演奏端而演奏。

在传统的机械装置中，该点发生在键释放而在档接位置上的槌已经完成其返程的约1/3的点和机械装置已经到达其静止位置的点之间，该静止位置由键的工作端35的底侧和毡垫36(固定至琴座)之间的接触，以及槌组件19和槌柄档34上的槌柄档布33之间的接触来确定。顶杆15与槌托的精确重接合点由槌组件19和顶杆15之间所存在的加速度差或由钢琴家所允许的加速度差来确定。如果释放运动足够快，使机械装置的返回速度只受弹簧的固有力、惯性和重力等的限定，重接合可以几乎立即发生，甚至可能在槌已经到达琴弦及其静止位置之间的一半位置之前发生。这是可能的，因为和本机械装置相比，传统机械装置的键/联动杠杆/顶杆的返回力对惯性的比例比槌组件的返回力对惯性的比例要大得多。本发明机械装置的比例得到改进，这是因为槌组件的返回力对惯性的比例增加的缘故。将两个组件在从档接木位置获得不妨碍的重接合的运动表示为它们总的可能运动的百分率，在进行比较中，上述情况就会看得更加明显。传统竖式机械装置的杠杆装置使键/联动杠杆/顶杆组件移过其工作行程的2/3，将槌组件从静止位置带到靠近琴弦的放出(letoff)点，余下的1/3行程实现擒纵(escapement)，因此，当槌位于其工作行程的中点而顶杆与槌托接合时，键/联动杠杆/顶杆组件将从静止位置大约压下1/3，或从全压下位置大约返回2/3。这样，键/联动杠杆/顶杆已经移过其工作行程的2/3，以便不受阻碍的机械装置实现在槌返程的中点的重接合。将该2/3移动与槌从至中点的1/3返程的该档接位置的1/6工作行程移动相比较。键/联动杠杆/顶杆装置和槌组件在它们向着其静止位置的相应移动中，前者要比后者移动得快得多，这导致动力损失运动。在传统的竖式机械装置中，联动杠杆14和顶杆15支承在其上的轴(capstan screw)-支轴13被调节，使顶杆17端和其在槌托18的接触点之间的余隙空间较小。由于该小的余隙空间，在较慢的键释放运动之后，当已经到达静止位置时，顶杆可以很容易地与槌托重接合，凭借着其对槌托组件超加速的能力，使键/联动杠杆/顶杆组件有较早的机会到达一个对重接合有利的位置。当键被敲击时，键/联动杠杆/顶杆组件的初始移动将闭合该小的余隙空间或间隙。这是“损失运动”，因为槌仍未移动。已经制造术语动力损失运动用于该间隙，它发生在同一位置，但它通常较大，并且在对槌托组件超加速的键/联动杠杆/顶杆组件达到重接合和继续向着静止位置之后发生，该静止位置留在槌托组件之后，将中断一瞬间。但是，如果在槌托组件中断之前重敲键，键/联动杠杆/顶杆组件的初始运动将再次闭合该间隙，使与槌托组件接触(动力损失运动)。然而该间隙一般太大，在机械装置将间隙闭合至正常接触时，钢琴家会感觉到带有振动的轻接触移动，因为加速的键/联动杠杆/顶杆组件首先与槌托组件相撞，然后开始将其移动。与动力损失运动相关的槌托上的垫的大磨损靠减小动力损失运动来减轻。

参照图2，图中所示为包括有本发明的改进点的竖式机械装置处于停止位置时的简图。按箭头D′的方向压下键38的端部37以敲击一个音符。键38绕支轴39(固定至琴座)摆动，将支轴40沿着箭头E的方向移动。支轴40将联动杠杆绕其中心42转动，使支承在联动杠杆组件上的顶杆44的端部43，将槌组件46的槌托45绕槌中心47(固定至琴座)转动，对槌组件传递运动，使槌头48移动而敲击琴弦49。在槌敲击琴弦之前，顶杆44的趾50与可调节地安装在调节档板52(固定至琴座)上的定位扣51接触。这种接触和联动杠杆组件41的继续移动，导致顶杆44按箭头R′的方向绕顶杆中心53转动，以致顶杆端43脱离槌托45。脱离运动将顶杆/复位弹簧54压缩，该弹簧的一端啮合在顶杆的靠近顶杆端43的导座上，其另一端啮合在导座56上。导座56可调节地支承在与槌托45成一整体的后档组件57上。有可能将导座56利用与后档组件57无关的结构支承在槌托45上，因此，为了更广泛地公开，这里被叙述为导座56是被从结构上支承在槌托45上。在顶杆44与槌托45脱离之后，槌组件46的动量持续槌的运动以完成敲击。槌靠返回弹簧58的作用力的帮助从琴弦返回。返回的槌由于后档组件57与后档接木59的接触而被阻挡住，后档接木59靠后档铁丝60支承在联动杠杆41上。

键/联动杠杆/顶杆组件的惯性，大的槌返回力以及除非在重接合时的槌组件和键/联动杠杆/顶杆组件才不分离，抑制偶然的重击，可以理解，这些是起消除动力损失运动作用的相同特性。

为准备复位，将键的演奏端松开，使其按箭头D′的相反方向移动(返回)，使后档接木59移离后档组件57，从而使槌可以返回移动。相应地，支轴40被按箭头E′的相反方向移动。该运动是由作用在机械装置各元件的质量上的重力引起的，并由通过槌/后档组件、顶杆/复位弹簧、顶杆和联动杠杆和支轴40作用的槌返回弹簧力得到支持。

在该作用中，槌返回弹簧的力起和作用在大钢琴机械装置各元件上的重力类似的作用。由返回弹簧58施加到槌托45的力产生的转矩被设计和调节成这样的大小，使之与当槌柄基本上水平时槌上的重力产生的转矩相当。顶杆/复位弹簧的力的方向和大小相对于槌返回弹簧的力的方向和大小的调节，应该在键的演奏端已经移动从其压下端至其静止端的1/2距离的时间之前，使顶杆/复位弹簧可实现顶杆的重接合，以便重敲击。

在传统竖式钢琴和大钢琴二者的机械装置中，有效的重接合可以在键已经返回从其全压下位置到静止位置的一半路程的时间之前产生。在大钢琴的机械装置中，当键已经返回从其全压下位置到其静止位置的少至1/3路程的时候可产生重接合。但是，这种重接合并不完全有效。在实践中，对音乐有用的重奏需要键返回1/3至1/2路程。本发明的这种能力和大钢琴的相等。传统的竖式机械装置在实现键返回1/2路程重敲击时，要求有不受阻碍的键返程。大钢琴机械装置被认为能够在明显少于1/2键返程时可靠地复位，是因为具有只需顶杆局部重接合就可重敲击的能力。本发明的机械装置赶上或超过大钢琴机械装置的顶杆局部重接合的复位能力。

在对本机械装置的开发和试验时已经确定，采用顶杆/复位弹簧及其安装的最佳实施方案，槌返回转矩低至当槌柄水平时由重力所产生的转矩的50％，可获得勉强可接受的性能，只要使图2中的距离的比例使从支轴39至端部37的距离是从支轴39至支轴40的距离1至2倍。在键演奏端增加一些重量可有助于减少比例。从支轴39至端部37的距离称之为演奏端长度。从支轴30至支轴40的距离称之为工作端长度。

确定槌返回弹簧效应(effectiveness)和键加重相对于顶杆/复位弹簧性能的最佳比例组合，只是一个机械装置的高峰性能(peakperformance)或某些场合下的最佳性能相对于包括成本在内的生产和维护因素的优选化的问题。

顶杆/复位弹簧的强度以及其方向，使其能承受返回弹簧的力而将槌支承住，直至顶杆与槌托重结合为止。重接合受到顶杆端和与顶杆端接触的槌托之间的凸轮作用的帮助。

在这里有三个转矩作用到槌托上：槌返回弹簧引起的转矩，顶杆/复位弹簧作用在后档组件上的力引起的转矩，以及顶杆的凸轮推动力引起的转矩。由顶杆/复位弹簧作用在后档上的转矩值与由槌返回弹簧引起的转矩值近似相等。因此，在这里，除非键的返程稍为受阻，由返回弹簧引起的槌托上的转矩，主要被由顶杆/复位弹簧引起的转矩所对抗。由弹簧传递的力的数值很大程度上确定于在顶杆中心上所取得的反作用力。该反作力是由顶杆、联动杠杆组件和键的质量的加速产生的。附加的重物61和62例如加到键上，则明显地增加其质量，从而增加可获得的反作用力，由顶杆/复位弹簧施加的力和由作用在槌托上的力产生的转矩。该转矩使槌的返回延迟，直至重接合完成或很好地进行。这种延迟产生两个结果。第一，在过程的这时候，可以复位一个音符；第二，当机械装置在静止位置时，槌柄63不需接触槌柄档64。相反，如在大钢琴的机械装置中一样，槌的静止位置是由槌托的位置、顶杆、联动杠杆、支轴40、键的工作端65、垫66以及固定该垫的琴座等来确定的。

而且，在顶杆端与槌托重接合的过程中，顶杆端移近槌中心，减小了顶杆对槌托的力的杠杆作用。还有，在接合进行时，顶杆/复位弹簧伸长，其作用力相应减小，并且力的方向改变。由槌返回弹簧产生的转矩占优势，机械装置到达其静止位置，除非在到达静止位置之前敲击一个音符。

加在键的演奏端的重物起到上述的作用，还增加所希望的触摸惯性特性，可与大钢琴键相比拟。

上述的操作所需的强有力的弹簧，一定比传统机械装置的更耐久。这些更大的弹簧力水平减小了在中心(枢轴)和键的摩擦作用。这种摩擦作用是产生故障的共同原因。

前已指出，强有力的弹簧及其相互作用保证动力损失运动(由本发明人制造的术语)实际上被消除。在图1所示的传统机械装置中，顶杆与槌托的重接合，要求在键松开而返回其静止位置时，顶杆、联动杠杆等比槌组件更快掉下，以使顶杆弹簧可将顶杆端移到槌托之下。然而，机械装置被调整，使得即使联动杠杆、顶杆等的掉下不比槌组件的掉下(返回)更快，重接合也能发生。其结构是这样的，当槌已经返回挡靠在槌柄挡布33上而键已在其静止位置时，使顶杆端17和槌托18之间存在间隙。该间隙保证顶杆可与槌托接合。当敲击一个音符时，闭合该间隙的运动被称之为损失运动(lost motion)。由于该间隙是在机械装置处于静止位置时产生，闭合该间隙的运动可被称为静态损失运动。然而，当钢琴在被演奏时，当机械装置在运动，而槌或键也不是在静止位置时，产生足够的间隙以便重接合。当机械装置在运动时，闭合间隙以敲击另一个音符的运动称之为动力损失运动，如前所述一样。业已发现，在本机械装置中，如果键按要求加重，槌返回弹簧和顶杆/复位弹簧有最佳的相对调整，则动力损失运动实际上被消除，在那方面可与大钢琴的机械装置相匹敌甚至超过。动力损失运动是音乐家称之为竖式机械装置的松弛感觉(loose feel)的原因。

为了使顶杆/复位弹簧54能够调节，将导座56和螺纹轴67连接，螺纹轴67装配在后档组件57的螺纹孔中。转动轴67来调节弹簧54的安装长度。

为了使返回弹簧58能够调节，将其安装在弹簧档69的支点68上，弹簧设有越过支点的延伸部70。延伸部70装在弹簧档69的槽孔71内，并被螺丝72顶住，螺丝72拧入到弹簧档内，穿出并靠在弹簧面上，螺丝的旋转轴线大致与延伸部70垂直。将螺丝72向弹簧档内拧动，增大弹簧58作用到槌托上的力，反之亦然。

下面更详细说明该钢琴的机械装置。由于槌返回弹簧提供的力是模拟在大钢琴机械装置中的槌所提供的重力，而大钢琴机械装置的槌上的作用力在槌的全部移动过程中没有很大变化，因此很重要的是，由本机械装置的槌返回弹簧提供的作用力在槌的全部移动过程中也要求没有很大的变化。这是靠使弹簧的工作位移只占弹簧的总位移的很小百分数而实现的。工作位移是弹簧与槌托的接触端在槌托运动时移动的距离。总位移是弹簧的端部在安装至其最压缩安装位置时从其自由位置所必须移过的距离。

图5以曲线图形式表示这种情况。在该曲线图中，纵座标表示弹簧力，横座标表示弹簧位移。纵座标上的F值表示在安装时要求返回弹簧所提供的力。实线表示一种具有较小弹簧变形率和较大的总位移对工作位移的比例的弹簧的弹簧力一位移变化曲线。

相等的距离X和X′表示各弹簧的工作位移。注意实线弹簧的力变量V远小于虚线弹簧的力变量V′。

还可进一步看到，对于较小的工作位移，有较小的力变量。采用更强有力的弹簧，并将弹簧在槌托上的接触点安排得更接近槌中心，就可将工作位移变小。随着从接触点到槌中心的距离变小，制造弹簧以便产生在安装时所要求的力，既使不是不可能的，也是非常困难的。因此，使弹簧的安装可以调节，从经济上来说变得非常迫切。

顶杆/复位弹簧的安装和操作条件与槌返回弹簧的相似，只是其工作位移较大，并且不受到结构控制，因为顶杆必须移动特定的量，以便满意地接合和脱离。因此，必不可少的是应使顶杆/复位弹簧的总位移对工作位移的比例能够较大，与要求的工作位移相等。利用螺旋压缩弹簧，其各端上适当地安装，可最大满足这些要求。

图6、7、8和图9A、9B、9C、9D示意表示本机械装置的顶杆复位弹簧的其它安装方案及其作用。零件的标号与图1和图2中的相同，只是带有撇号。

在图6中，机械装置处于静止状态。在该状态时，由箭头A表示的顶杆/复位弹簧54′的作用线，与槌中心47′和顶杆中心53′之间的连线的相交点靠近槌中心，对顶杆/复位弹簧提供较小的相对于槌中心的杠杆臂。在图7中，机械装置处于后档状态，由箭头A′表示的作用线，与槌中心47′和顶杆中心53′之间的连线相交，其交点在两中心之间的大约一半位置处，使顶杆/复位弹簧对槌中心的杠杆臂较大，同时保持对顶杆臂中心足够的杠杆臂。作用线方向调整的意义在后面再讨论。在以上两个状态中，作用线方向的不同是由零件的几何形状的情况和顶杆/复位弹簧的安装情况提供的。有可能将几何形状设计成使静止状态下的作用线通过槌中心上方，使顶杆/复位弹簧力对槌返回弹簧的作用起辅助作用。实际上，在静止状态下，由顶杆/复位弹簧作用在槌组件上所产生的转矩可以使之接近零值，以使静止状态下的转矩是后档状态下的转矩的一定百分数。该百分数的范围可以是0至60％。下面进一步说明机械装置的操作和特性。当键的演奏端38′可以从图7所示的全压下位置移动至如图6所示的在全压下位置和静止位置之间的大约一半路程时，在顶杆44′和联动杠杆41′的重力和顶杆/复位弹簧54的弹簧力的作用下，顶杆和联动杠杆随支轴40′向下移动，而后档59′与后档组件57′脱离。弹簧力和由图7中箭头A′所示的作用线所示的作用线所提供的杠杆臂相结合，对槌组件施加一个在敲击方向上的转矩。可调节的槌返回弹簧和可调节的顶杆/复位弹簧被设计和调节，使顶杆/复位弹簧所施加的转矩与槌返回弹簧58′在返回方向上所施加的转矩大致相等。其结果，当顶杆端43′被顶杆/复位弹簧移动而与槌托45′重接合时，槌组件实际上保持不动。当顶杆移动时，顶杆/复位弹簧对顶杆中心和槌中心的有效杠杆臂是变化的，对顶杆起作用的杠杆臂长度增大而对槌组件起作用的杠杆臂长度则减小。其结果，如果键能够继续移向静止位置，则重接合继续，而槌组件返回其静止位置。然而，当机械装置处于图8所示状态时，当键演奏端不超过到其静止位置的一半路程，顶杆和槌托之间的接合可有效地进行，并且立即重击是可能的。在这里，所述的机械装置的工作情况和图2所示实施方案中的相同。但是，图9A、9B、9C和9D中所示的顶杆/复位弹簧的安装细节，使弹簧的作用更有效。

这些图所示的顶杆/复位弹簧的主要优点在于，对于机械装置的各零件的给定几何形状，将弹簧的作用线进行定向以调节有效的杠杆臂，因此弹簧力的效果得以增强。

图9A所示为安装于图2的处于静止位置的实施方案中的顶杆/复位弹簧，采用导座55′和56′，但其有图6的处于静止位置的实施方案中的伸长部73。在图9A中，导座55′和56′还分别包括有针栓74和75及毡垫圈76和77。当偏移如图所示那样，弹簧扭曲以使弹簧承靠在其两端部的周边上，以致作用线A偏移至一个方向，相对于图6它可被看作是有损于弹簧将顶杆重接合及增强作用在槌组件上的弹簧效果的能力。

在图9B中，弹簧54′铰接在伸长部73上。弹簧钢丝被沿着径向横过弹簧端部、并垂直于弹簧的纵向轴线。将弹簧啮合在伸长部端部的槽孔内。由于一端铰接，偏移可明显比图9A所示构造中的偏移小，并且作用线更接近槌中心(图6)。因此，顶杆端和槌托组件之间的分开力较小，从而动力损失运动也较小。

图9C和9D适用于图8。参照图8可以看到，具有如9C所示的作用线A的偏移，弹簧力对槌中心的有效杠杆臂稍许减小，在进行比较时，如图9D所示那样，弹簧端与伸长部73的铰接，实际上消除了偏移度，并且弹簧力对槌中心的有效杠杆臂被加大了，即作用线被远离槌中心(见图8)。

可以进行配置以将弹簧的两端进行铰接。但是，将两端铰接将增加稳定性和调节能力方面的复杂性，它们被认为要超过任何可予见的优点。

机械装置从几何学方面进行设计，以便当机械装置处于如图8所示的关键的重接合位置时，由于采用各种弹簧连接技术，使弹簧力的方向的调整最佳。

随着本发明描述到这个程度，下面可以用更好的观点来讨论最接近的先有技术，以说明本发明的优点和效果。

关于美国专利1,301,908，说明书中叙述了机械装置及其各种零件的作用，但没有清楚说明该发明在钢琴的演奏特性方面想要达到什么效果。该发明中图4(本说明书中的图3)所示的实施方案比起该发明中的其它实施方案，与本发明的机械装置更为相似。该实施方案和本发明的装置的主要区别在于该发明装置中的弹簧J2的作用力方向，当顶杆F与槌托G接合时，是通过顶杆中心64(标号为本说明书所加)的一侧(在该图中的左侧)，而当顶杆脱离接合并且槌处在敲击位置范围内，则通过顶杆中心的另一侧。在第一个情况下，弹簧J2帮助顶杆弹簧K，在另一个情况则与之对抗。可以认为，这种作用将试图延缓槌的返回和顶杆的重接合，同样也试图降低复位性的速率和增加动力损失运动，它们都与本发明的目的相违背。

美国专利788,482公开一种竖式机械装置，想要在复位性方面与大钢琴的机械装置相匹敌。其中，传统的顶杆弹簧被取消，其功能由作用在顶杆的槌接触端和后档组件之间的弹簧来完成。然而，该弹簧的作用线始终如一地靠近槌中心，因此，和本机械装置的相当的弹簧不同，它不起与槌返回弹簧的作用力相对抗、以利于顶杆和槌托的重接合的作用。

美于美国专利1,000,762，其图5和图2分别翻板在本说明书中作为图4A和图4B。该专利的目的包括获得以较轻的触模来敲击音符的能力，以及保证可靠地复位和达到比以往更快的运动速度。该专利认为，这些目的是靠增加弹簧11(本发明书图4A中所加标号)和弹性垫(cushion)21(见图4B)来实现的。当槌快与琴弦接触时，弹性垫21与返回弹簧7(见图4B)接触，实际上是对槌移动至琴弦的最后行程部分增大弹簧7的弹簧变形率。这试图使槌更快返回。

弹簧11在13a处施加力，与弹簧7和垫21的作用相反，并且起到顶杆的弹性伸长部的作用，试图沿着敲击方向推动槌。弹簧11的端部14(见图4B)试图在间隙允许之下尽快将顶杆和槌托重接合。在弹簧7或弹簧11上没有调节装置。传统的顶杆弹簧(见图4B、未标号)被保留下来。从以上观察的考虑中可以认为，美国1,000,762专利的机械装置可以实现较轻的触模，并且有很好的复位特性，但是由于严重的动力损失运动，获得并保持槌返回弹簧7、弹簧11及顶杆弹簧所需要的力的关系是非常困难的，因此花费很大。本发明的目的它是不能完成的，这可以部分解释该专利还未听说已获得商业上的成功的原因。

相反，可以理解，本发明是能够实现其目的的。其复位性是在键已经移动从其压下位置至其静止位置的不到一半距离时，使键可以重奏，它的实现是因为槌的返回在后档位上被顶杆/复位弹簧的力和顶杆的凸轮作用所对抗，直至顶杆与槌托重接合为止。键具有可与大钢琴机械装置的键相比的惯性，增大惯性的配重有助于尽量减小或消除动力损失运动。本发明功能目的是靠增加很少的机械复杂程度来实现的、即增加两个调节螺丝，并将传统的顶杆返回弹簧代之以顶杆/复位弹簧。新增加的调节特性使其比传统的机械装置可以调节和更容易调节。弹簧的坚固性增加了调节的简易性和扩大了耐久调节的保证。

虽然这里所描述的是本发明的最佳实施方案，普通技术人员可以理解，所述的那些其它实施方案和改进都可能属于本发明的范围之内，本发明只受附加的权利要求书的限制。

Claims (4)

1.一种竖式钢琴的机械装置，所述钢琴具有琴座结构，所述机械装置包括多个键-槌机构并具有静止位置，所述各键-槌机构包括：

具有演奏端(37)、工作端(65)的键(38)，固定到所述琴座结构并在所述演奏端(37)和所述工作端(65)之间支承所述键(38)的第一支轴(39)，至少一个安装在所述演奏端(37)和所述第一支轴(39)之间的重物(61)，以及在所述工作端(65)和所述第一支轴(39)之间固定到所述键(38)上的第二支轴(40)；

具有联动杠杆中心(42)、顶杆中心(53)的联动杠杆(41)，带有趾(50)和接合端(43)并铰接在所述顶杆中心(53)上的顶杆(44)，后档铁丝(60)，以及由所述后档铁丝(60)固定到所述联动杠杆(41)上的后档接木(59)，所述联动杠杆(41)在所述杠杆中心(42)与所述琴座结构铰接，并由所述第二支轴(40)支承；

具有槌托(45)、后档组件(57)、槌柄(63)以及槌头(48)的槌组件(46)，所述槌托(45)在槌中心(47)上与所述琴座结构铰接；

所述钢琴具有至少一根固定至所述琴座上的琴弦(49)，其位置应能被所述槌头(48)所敲击；

固定至所述琴座结构上的定位扣(51)；

槌返回弹簧(58)，它支承在所述琴座结构和所述槌组件(46)之间，它产生第一力并在距所述槌中心(47)一个杠杆臂距离处与所述槌组件(46)接合，使所述第一力在所述槌组件(46)上产生一个在将所述槌头(48)移离所述至少一根琴弦(49)的方向上的第一转矩；

所述第一转矩的数值等于所述槌组件(46)在所述槌柄(63)基本上水平时，由其重力绕所述槌中心(47)所产生的转矩的25％至150％；

所述至少一个重物(61)，由于所述重物(61)上的重力，通过所述联动杠杆(41)和所述第一支轴(39)、由所述顶杆(44)的所述接合端(43)在距所述槌中心(47)一个杠杆臂的距离上施加在所述槌组件(46)上，在所述槌组件(46)上产生一个与所述第一扭矩反向的第二扭矩；

产生第二力的复位弹簧(54)，它具有第一和第二端，其方向配置将上述顶杆的槌托接合端与上述槌托强制接合，上述接合在上述槌托上产生第三力，所述端支承在所述槌组件(46)上的第一点(56)和所述顶杆(44)上的第二点(57)之间，所述第一点(56)和第二点(57)具有一结构，所述结构确定所述第三力的作用线，所述作用力的方向配置使所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)强制接合，所述作用线的方向配置还对所述第三力提供一个绕所述槌中心(47)的杠杆臂距离，使所述第三力在所述槌组件(46)上产生第三转矩，所述第三转矩也与所述第一转矩反向；

所述槌托(45)具有一定形状，使所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)接合时产生凸轮作用，从而在所述槌托(45)上距所述槌中心(47)一个杠杆臂距离处产生第四力，使所述第四力在所述槌组件上产生第四转矩，所述第四转矩也与所述第一转矩反向；

所述第二力的大小，在所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)相接合时，应使所述第二、第三以及第四转矩之和小于所述第一转矩，使所述第一转矩通过所述槌托(45)、所述联动杠杆(41)及所述第一支轴(39)产生净返回力，使所述键(38)的所述演奏端(37)向所述静止位置强制返回；

所述结构和所述形状，在所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)脱离接合时，应使所述第二、第三及第四转矩之和大于所述第一转矩，使得在所述槌头(48)到达所述静止位置之前使所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)发生重接合，并使所述槌组件(46)挡靠在处于所述静位置的所述顶杆(44)上；

由此，当所述键(38)的所述演奏端(37)在演奏后被松开时，所述后档接木(59)开始移离所述后档组件(57)，使所述槌头(48)可以向所述静止位置返回，于是，所述第一、第二、第三和第四转矩作用在所述槌组件(46)上，使得在所述槌头(48)到达所述静止位置之前使所述顶杆(44)与所述槌托(45)发生重接合，如果所述键(38)的所述演奏端(37)再次被压下，所述重接合使重奏能够进行，所述重接合还减小所述第三和第四转矩，使所述第二转矩能够将所述顶杆(44)的所述接合端(43)与所述槌托(45)强制接触，并使所述第一转矩由于所述净返回力能够将所述机械装置置于所述静止位置，所述重接合还确保所述槌组件(46)挡靠在所述顶杆(44)上。

2.根据权利要求1所述的机械装置，其特征在于还包括调节所述第一转矩的数值的装置(72)。

3.根据权利要求1所述的机械装置，其特征在于还包括调节所述第三转矩的数值的装置(67)。

4.根据权利要求1所述的机械装置，其特征在于从所述键(38)的所述演奏端(37)到第一支轴(39)的距离比从所述工作端(65)到第一支轴(39)的距离长。

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