CN105319939B - 用于钟表的擒纵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种擒纵系统(1)。该系统包括装配有叉头和杆的锚式擒纵叉(7)，该叉头用于与安装在圆盘(5)上的销协作，该杆包括用于接纳叉瓦(21)的臂以便与至少一个擒纵轮(23)协作。该擒纵系统的一部分由至少部分非晶态的金属合金制成。

Description

用于钟表的擒纵系统
本申请是申请号为201180031085.4(PCT/EP2011/060511)的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2011年6月22日，名称为“用于钟表的擒纵系统”。
技术领域
本发明涉及一种擒纵系统。该擒纵系统包括装配有(munie)叉头和杆的锚式擒纵叉，该叉头用于与安装在圆盘上的销协作，该杆包括用于接纳叉瓦的臂以便与至少一个擒纵轮协作。
本发明的技术领域是精密机械技术领域，且更具体地是制表领域。
背景技术
钟表包括向零件且尤其是齿轮系提供能量的能量源，例如发条盒。这些齿轮系经由擒纵轮与擒纵系统协作。擒纵轮的转动由擒纵系统的锚式擒纵叉调节，擒纵系统的冲击由游丝摆轮提供。该擒纵系统包括安装成在一轴线上枢转的锚式擒纵叉。该锚式擒纵叉包括杆，该杆在第一端装配有叉头，该叉头用于与安装在圆盘上的销协作，该杆在第二端装配有臂，该臂用于接纳叉瓦以便与擒纵轮协作。在其工作期间，锚式擒纵叉以这样的方式在其轴线上枢转：即，使得臂的叉瓦与擒纵轮的齿接触，以便控制轮系的转动。
目前，擒纵机构的效率较低。事实上，擒纵系统的操作包括摩擦、承受撞击并且承受形成轮且尤其是锚式擒纵叉的材料中的能量耗散。所使用的一种材料例如是15P或20AP钢。这些材料是晶体材料。由晶体材料制成的构件的一个缺点是：当施加高应力时，它们的机械强度低。事实上，每种材料由其杨氏模量E表征，杨氏模量也称作弹性模量(通常用GPa表示)，表征它的抗变形能力。每种材料还由其弹性极限σe表征(通常用GPa表示)，弹性极限表示超过其材料就发生塑性变形的应力。因此，对于给定的尺寸，可以通过建立它们的弹性极限与它们的杨氏模量的比值σe/E来比较材料，所述比值代表每种材料的弹性变形。因此，该比值越大，材料的弹性变形的极限越高。典型地，对于例如Cu-Be合金，杨氏模量E等于130GPa，弹性极限σe等于1GPa，因此σe/E的比值为约0.007，即，很小的比值。因此，由晶体金属或晶体合金制成的零件具有有限的弹性变形能力。
此外，在撞击期间，擒纵机构的效率与其能量恢复系数(facteur derestitutionde l'énergie)相关联，其中，这些撞击是在擒纵轮和锚式擒纵叉的叉瓦之间的撞击以及在圆盘的销和叉口之间的撞击。
在锚式擒纵叉或擒纵轮运动期间所累积的动能取决于转动惯量，转动惯量是质量和回转半径(因此也是尺寸)的函数。
由于能够弹性存储的最大能量计算为弹性极限σe的平方和杨氏模量E之间的比值，所以晶体金属的低弹性极限导致低能量存储能力。15P或20AP钢的密度高，因此锚式擒纵叉和擒纵轮的质量大。因此，转动惯量高，在锚式擒纵叉和擒纵轮的运动期间所累积的动能很大。
然而，由于晶体金属不能存储大量能量，所以在擒纵轮的升程(levée)/齿的撞击期间以及在圆盘的销和叉口之间的撞击期间产生能量损失。
因此，在钟表工作期间，由发条盒输出的能量的很大部分损失，因此降低了其能量储备。
此外，制表业传统上使用调质处理碳、硫和铅钢，这种钢具有良好的机械加工性和非常良好的机械性能，但是是磁性的。无磁性的替代材料很稀有，并且通常更难以加工，且具有不良的机械性能。
从专利文献EP 1 696 153已知由非晶态金属制成的尤其是用于钟表的精密齿轮系。该文献涉及通过互锁彼此协作的齿轮系。这意味着，在彼此协作的两个齿轮系的情况下，每个齿轮系的齿进入另一齿轮系的齿之间的空间。因此，存在齿推动和滑动以导致齿轮系转动的过程。该滑动过程涉及具有既硬度大又强度高并且具有非常光滑的表面的材料，以防止导致效率下降和过早磨损的摩擦。
由于擒纵轮不按照相同的原理工作，所以擒纵轮与经典的齿轮系不同。事实上，该擒纵轮由发条驱动且其转动由擒纵系统控制，该擒纵系统利用游丝摆轮、锚式擒纵叉和叉瓦顺序释放和停止所述擒纵轮的转动。因此，在释放和冲击阶段之后，擒纵轮的齿重重地靠在锚式擒纵叉的叉瓦的锁面上。这些沉重撞击随着每次冲击重复，与齿轮系相比，这些沉重撞击在擒纵轮上产生非常不同的应力。
因此，该擒纵轮必须由具有高弹性极限的材料制成，以防止在这些重复的撞击期间发生任何塑性变形。此外，在冲击阶段，当擒纵轮的齿位于锚式擒纵叉的冲面上时，擒纵轮必须将最大量的能量传递到锚式擒纵叉上，以便锚式擒纵叉可将能量返回到摆轮上。因此，重要的是，用于擒纵轮的材料具有尽可能高的能量恢复系数，以降低能量损失并因此提高系统的效率。
因此，应当理解，试图构造具有提高的效率的擒纵轮的本领域技术人员没有动机使用涉及经典的齿轮系的文献，其中，经典的齿轮系所使用材料的所希望的性能与擒纵轮所希望的性能不同。
发明内容
本发明的目的是，通过提出一种更易于形成的具有更高效率的擒纵系统来克服现有技术的缺点。
在此基础上，本发明涉及前述擒纵系统，其特征在于，该擒纵系统的至少一部分由至少部分非晶态的金属合金制成。
本发明的第一个优点是，使擒纵系统具有比当前擒纵机构更好的能量恢复系数。事实上，非晶态金属的特征在于，在其成形期间，形成这些非晶态材料的原子不会像晶体材料那样按照特定结构排列。因此，即使晶体材料的杨氏模量E和非晶态金属的杨氏模量是基本上相同的，但是它们的弹性极限σe是不同的。非晶态金属的特点因此是：其弹性极限σeA比晶体金属的弹性极限σeC高两倍或三倍。提高弹性极限σe，以使σe/E比值增大，从而使得超过其材料就无法返回到初始形态的应力极限提高，且最重要的是，使得可被存储和弹性恢复的最大能量增加。
本发明的另一优点是，使得能够非常容易实现成型，以允许以更高精度制造具有复杂形状的零件。事实上，非晶态金属具有如下的特殊特征：在每种合金特有的给定温度范围[Tg-Tx]内，非晶态金属可以软化但仍然保持非晶态一段时间(Tx：结晶温度，Tg：玻璃化转变温度)。因此，可以在较低的压应力和相当低的温度下使它们成型，因此允许使用比机加工和拉延操作更简化的工艺。在通过模制成型的情况下，由于在温度范围[Tg-Tx]内合金的粘度作为温度的函数急剧下降且因此合金适应凹腔(négatif)的所有细节，所以使用这种材料附加地使得能够以高精度重复制造极小的几何形状。应当理解，凹腔是指在空腔中具有与期望构件的轮廓互补的轮廓的模具。从而，这使得容易以精确的方式形成复杂的设计。
该擒纵系统的有利实施例是从属权利要求的主题。
在第一有利实施例中，锚式擒纵叉由至少部分非晶态的金属合金制成。
在第一有利实施例的变型中，只有锚式擒纵叉的一部分——例如叉头——由至少部分非晶态的金属合金制成。
在第二有利实施例中，锚式擒纵叉的叉瓦由至少部分非晶态的金属合金制成。
在第三有利实施例中，锚式擒纵叉的叉瓦和锚式擒纵叉形成一个并且相同的零件。
在另一有利实施例中，擒纵轮由至少部分非晶态的金属合金制成。
在另一有利实施例中，圆盘由至少部分非晶态的金属合金制成。
在另一有利实施例中，所述擒纵系统的至少一部分包括凹槽，以便降低该部分的转动惯量。
在另一有利实施例中，所述凹槽是贯通的。
在另一有利实施例中，所述擒纵系统的至少一部分包括变窄区域，以便降低该部分的转动惯量。
在另一有利实施例中，所述锚式擒纵叉、所述擒纵轮和所述圆盘由至少部分非晶态的金属合金制成。
在另一有利实施例中，材料是完全非晶态的。
在另一有利实施例中，材料是纯金属的。
在另一有利实施例中，所述金属合金是无磁性的。
附图说明
从下面对附图所示的仅经由非限制性示例给出的本发明的至少一个实施例的详细说明中，可以更清楚地发现根据本发明的擒纵系统的目的、优点和特征，其中：
图1和图2示意性地示出根据本发明的用于钟表的擒纵系统。
具体实施方式
图1和图2示出具有谐振器3——即，游丝摆轮——的擒纵系统1。通常，谐振器3在安装在摆轮轴线上的圆盘5的协助下与擒纵系统1协作。擒纵系统1包括由突出的主面(见图1)形成的瑞士锚式擒纵叉7。瑞士锚式擒纵叉7主要由连接叉头11和臂13的杆9形成。叉头11包括两个面向彼此的喇叭口(corne)15，在该喇叭口15下方安装有叉头钉17，该叉头钉17分别与固定在摆轮轴线的所述圆盘5上的销和所述圆盘5的底部协作。
在两个臂13之间，杆9接纳心轴19，心轴19用于将锚式擒纵叉可转动地安装在机芯的桥夹板和底板之间。最后，叉瓦21装配在各个臂13上，叉瓦21用于通过擒纵轮23的齿25与擒纵轮23接触。作为示例，叉瓦可由人造红宝石形成。当然，本发明还可用于例如在制表业中的同轴式擒纵机构。
根据本发明，擒纵系统1的至少一个部件——即，圆盘5或锚式擒纵叉7或擒纵轮23——优选由至少部分非晶态的金属合金制成。该金属合金可包含贵金属元素，例如金、铂、钯、铼、钌、铑、银、铱或者锇。至少部分非晶态的金属合金应当理解为是指该材料能够至少部分凝固成非晶相。
当然，应当理解，在特定构型中，擒纵系统1的所有部件由至少部分非晶态的金属合金制成。然而，这些部件可以由不同的非晶态材料制成。此外，金属合金或金属可以是完全非晶态的。
也可设想，仅有锚式擒纵叉7的一部分——例如叉头11——由至少部分非晶态的金属合金制成。
此外，可以设想，该至少部分非晶态的金属合金是无磁性的，以便所述擒纵系统1对于外部磁性干扰不敏感。
非晶态金属合金的优点源于这样的事实：在其形成期间，形成这些非晶态材料的原子不会像晶体材料那样按照特定结构排列。因此，即使晶体材料的杨氏模量E和非晶态金属的杨氏模量是基本上相同的，但是它们的弹性极限是不同的。非晶态金属的特点因此是：其弹性极限σeA比晶体金属的弹性极限σeC高基本上两倍。因此，较高的弹性极限σe意味着，与由晶体金属制成的相同零件相比，由非晶态金属合金或非晶态金属制成的零件在更高的应力下塑性变形。
在驱动阶段，擒纵系统1的能量损失与锚式擒纵叉7的叉瓦21和擒纵轮23的齿25之间的摩擦相关；在落下阶段，其能量损失与圆盘5的销和叉口之间的撞击以及在擒纵轮23的齿25和锚式擒纵叉7的叉瓦21之间的撞击相关。
在落下阶段与擒纵轮23的齿25和锚式擒纵叉7的叉瓦21之间的撞击相关的能量损失取决于动能。在擒纵系统1的工作期间所积累的动能取决于转动惯量。该转动惯量是质量和回转半径的函数。在擒纵轮的情况下，擒纵轮23的直径越大或质量越大，所述轮23的转动惯量将增加越大。转动惯量的增加导致所述擒纵轮23的动能增加。因此，当在落下阶段擒纵轮23的齿25和锚式擒纵叉7的叉瓦21之间产生撞击时，所积累的动能损耗，而不是被传递。因此，降低轮23的动能是降低这些能量损失的解决方案。因此，减小所述擒纵轮23的质量或者直径导致转动惯量减小，并因此导致所述擒纵轮23的动能减小。
因此，用于制造这种零件的材料的重要特征是将比强度最大化，比强度定义为弹性极限与密度的比值。在晶体合金的情况下，最大的比强度是大约200-250MPa*cm3/g。相比之下，非晶态合金的比强度是大约300-400MPa*cm3/g。
因此，对于给定的零件几何形状和给定的必须的机械强度，可以使用比满足相同标准的晶体合金具有更低密度的非晶态合金。因此，降低了系统的转动惯量，并改善了其操作。
另一解决方案是通过去除材料来降低零件的质量，去除的材料优选在对转动惯量贡献最大的区域，即，在距离零件的转动轴线最远的部分。例如，可以形成凹槽29，无论是贯通的还是非贯通的，并且/或者局部减小零件的厚度27。选择比晶体合金具有更高机械强度的非晶态合金，以补偿材料的这种减少。由于非晶态合金的有利的比强度，非晶态合金的密度可选择为等于或甚至稍微小于晶体合金的密度，并因此降低系统1的转动惯量。
第三种可能性是减小擒纵系统1的元件、例如锚式擒纵叉7或擒纵轮23或圆盘5的尺寸。通过选择比用于当前尺寸的晶体合金具有更高的机械强度的非晶态合金，尺寸和质量的减小不会造成擒纵系统1的机械强度减小。然而，由于非晶态合金比晶体合金具有更高的比强度，所以所选择的非晶态合金的密度可等于或小于用于标准零件的晶体合金的密度，并因此可减小系统1的转动惯量以及空间需求。
优选选择减小由非晶态金属或非晶态金属合金制成的擒纵系统1的部件的质量。这使得能够保持与由晶体材料制成的擒纵系统1相同的空间需求，并因此使得能够在具有更好的应力抵抗能力的同时保持标准的尺寸。
为形成由非晶态金属制成的这种擒纵系统，使用非晶态金属的特性使其成形是有利的。事实上，非晶态金属允许极易实现成型，使得能以更高的精度制造具有复杂形状的零件。这是因为非晶态金属的特殊特征：在每种合金特有的给定温度范围[Tg-Tx](例如，对于Zr41.24Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5合金，Tg＝350℃，Tx＝460℃)内，非晶态金属可以软化但仍然保持非晶态一段时间。因此，可以用较低的应力在中等温度下使它们成型，从而允许使用简单的工艺，例如热成形。此外，由于在温度范围[Tg-Tx]内合金的粘度作为温度的函数急剧下降且因此合金适应凹腔的所有细节，所以使用这种材料使得能够以高精度重复制造极小的几何形状。例如，对于基于铂的材料，在约300℃下发生成型，在该温度下，其粘度达到103Pa·s，应力为1MPa，而不是在温度Tg下的粘度1012Pa·s。模具的使用具有制造三维的高精度零件的优点，切割或冲压不允许制造三维的高精度零件。
所使用的工艺是非晶态预制件的热成形。该预制件通过在熔炉内熔化用于形成非晶态合金的金属元素获得。一旦这些元素熔化，就将它们铸造成半成品的形式，然后快速冷却，以便保持至少部分非晶态的状态。一旦预制件制成，就实施热成形，以便获得最终零件。通过在其玻璃化转变温度Tg和其结晶温度Tx之间的温度范围内按压预先确定的时间以保持完全或部分非晶态结构，来实施上述热成形。这样做的目的是保持非晶态金属的弹性性能特征。
典型地，对于合金Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5和440℃的温度，按压时间不应超过120秒。因此，热成形允许保持预制件的至少部分非晶态的初始状态。因此，擒纵系统的元件的最终成形的各步骤是：
a)将擒纵系统1的元件的具有凹腔的模具加热到所选择的温度，
b)将非晶态金属预制件插在热模具之间，
c)向模具施加闭合力，以便在非晶态金属预制件上复制模具的几何形状，
d)等待所选择的最大时间，
e)打开模具，
f)将擒纵系统的元件迅速冷却至Tg以下，以便材料保持其至少部分非晶态的状态，以及
g)从模具移除擒纵系统1的元件。
因此，易于成型、所获得的零件的精度高以及重复再现性非常好这些特征对于获得可变厚度和凹槽是非常有用的。易于成型还允许容易地形成复杂零件，例如擒纵系统1的具有销的圆盘5。
此外，复杂零件易于成型的可能性尤其允许产生复杂的设计。这还可以用于擒纵轮的齿的成型和锚式擒纵叉的成型，以便改善擒纵轮和锚式擒纵叉之间的协作。
应当理解，可以对上述讨论的本发明的各个实施例进行对本领域技术人员来说显而易见的各种改变和/或改进和/或组合，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。
当然，应当理解，擒纵系统的元件可通过铸造或注射形成。该工艺在于在具有最终零件的形状的模具内铸造通过将金属元素熔化获得的合金。一旦模具已被填充，就将其迅速冷却至低于Tg的温度，以防止合金结晶，并因此获得由非晶态或部分非晶态的金属制成的系统1。
当然，也可以设想，锚式擒纵叉7的叉瓦21由非晶态金属或非晶态合金制成。这些叉瓦21可与所述锚式擒纵叉一体制成，或在锚式擒纵叉7制成之后模制在其上。因此，可以设想，叉瓦21和锚式擒纵叉7由彼此不同的非晶态金属或非晶态合金制成。

Claims (17)

1.一种包括锚式擒纵叉(7)的擒纵系统，该锚式擒纵叉(7)装配有叉头(11)和杆(9)，该叉头(11)用于与安装在圆盘(5)上的销协作，该杆(9)包括用于接纳叉瓦(21)的臂(13)以便与至少一个擒纵轮(23)协作，其特征在于，所述擒纵系统的至少一部分由至少部分非晶态的金属合金制成，所述至少部分非晶态的金属合金的杨氏模量等于晶体金属的杨氏模量，并且弹性极限比晶体金属的弹性极限高两倍。
2.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)由至少部分非晶态的金属合金制成。
3.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)由至少部分非晶态的金属合金制成。
4.根据权利要求2所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)由至少部分非晶态的金属合金制成。
5.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)和所述锚式擒纵叉(7)形成同一个零件。
6.根据权利要求2所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)和所述锚式擒纵叉(7)形成同一个零件。
7.根据权利要求3所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)和所述锚式擒纵叉(7)形成同一个零件。
8.根据权利要求4所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)的所述叉瓦(21)和所述锚式擒纵叉(7)形成同一个零件。
9.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述擒纵轮(23)由至少部分非晶态的金属合金制成。
10.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述圆盘(5)由至少部分非晶态的金属合金制成。
11.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述擒纵系统的至少一部分包括凹槽(29)，以便降低该部分的转动惯量。
12.根据权利要求11所述的擒纵系统，其特征在于，所述凹槽是贯通的。
13.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述擒纵系统的至少一部分包括变窄区域(27)，以便降低该部分的转动惯量。
14.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述锚式擒纵叉(7)、所述擒纵轮(23)和所述圆盘(5)由至少部分非晶态的金属合金制成。
15.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述金属合金是完全非晶态的。
16.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述金属是纯金属的。
17.根据权利要求1所述的擒纵系统，其特征在于，所述金属合金是无磁性的。
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