CN1201512A - 关于旋转式阻力装置的改进 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及一种具有相对转动部件的旋转式阻力装置,其中一个转动部件(4)具有沿周边安装于其上的小间隔的薄壁挠性环形板(20)的叠层(5)以提供环形工作面,且粘性流体充满各板之间的间隙,另一个转动部件(6)具有弓形板(33)的叠层(8),弓形板与环形板交替插入且具有部分环形工作面,从而随着各部件的相对转动而在各板之间滑动。环形板中的缝隙(26,27)使得当弓形板前面的流体压力随各部件间的相对速度增加而升高时粘性流体从各板之间排放。环形板的挠性使得各板靠近在一起以适应粘性流体从各板之间的流失,由此该装置的阻尼特性在各部件的低相对速度下可以在环形板和弓形板的相对工作面间的粘性阻力之间产生变化,并且随着粘性流体从各板之间的流失,在各部件的较高的相对转速下可以在相应板的工作面之间变为边界润滑。

Description

关于旋转式阻力装置的改进

本发明涉及一种旋转式阻力装置，用于在两个相对转动的部件之间提供一种具有选定速度/转矩特性的联接器。本发明特别适用于电机/摄像机支架、例如摇动头和倾斜头(pan and tilt heads)。

利用摩擦或粘性剪切在两个相对运动的部件之间产生阻力或阻尼的装置是众所周知的。利用摩擦的装置一般包括一个摩擦离合器，该离合器连接于一个部件且在压力作用下接触另一相对运动的部件，从而由所产生的滑动接触耗散能量。阻尼力的值取决于摩擦接触压力且因此易于改变。

摩擦阻尼器的转矩/速度特性可以改变，方法是通过选择摩擦材料和/或在摩擦表面上供给流体以提供滑动接触的边界润滑，在这种情况下，随着速度从静止位置增加到一初始值，阻尼力会增大，然后阻尼力基本上保持与速度无关的恒量。

粘性阻尼器一般包括多个交替连接于每个相对运动部件的插入板，每个板与各相邻板分隔开一个由粘性流体所充满的小间隙。各板的相对运动导致流体中产生粘性剪切。所产生的阻尼力趋向于随着速度基本上呈线性增加，但在静止时为零。

阻力/阻尼装置的一个特别重要的用途是用于摄像机、特别是电视摄像机的摇动头和倾斜头中。在这样的用途中，最好当从静止开始非常慢的摄像机运动时避免“跳动”，因为在接近零速度时转矩基本上为零。另一方面，对于高于一定速度的越来越快的摄像机运动，最好阻力矩不随移动摄像机所需施加力的增加成比例地增大。

美国专利US-A-4955568公开了一种摄像机支架摇动头和升起头，它包括流体阻力系统或者能阻抗摇动和倾斜运动，它还包括在其倾斜运动范围内的任何位置支承摄像机处于平衡的平衡系统。每个流体阻力系统包括固定于旋转轴的阻力板组件和驱轴式安装在壳体上且围绕板组件的周边设置的阻力弓形组件，以便限定容纳粘性流体的空间。可以通过使弓形组件朝向或离开板组件枢轴式转动来调节所产生的阻尼程度，以改变容纳粘性流体的空间。在这个系统中，所提供的阻力将随着阻力系统各部件的相对转动速度或多或少地呈线性增大，以致在高速下具有大的阻力。

在例如摄像机支架的应用中，其阻尼装置的目的是为了提高手动操作的平稳性和可控性，因此希望具有以下特性：

1.阻尼/速度关系的变化率在高速下应趋向于零，以便能够实现比较快速地运动而不会产生不合理的限制，同时在低速下能提供足够的阻尼控制。

2.为了在运动开始时和换向过程中精确控制，该装置应在静止时提供零阻尼而在低速下提供高的阻尼/速度的变化率。

我们的英国专利UK 9018312.0描述并示出了一种旋转阻尼器，它包括两个串联的抗转矩的旋转阻尼装置，其中一个旋转阻尼装置具有输入、输出和粘性流体联接器，以便对输入与输出之间的相对转动提供阻力矩，当输入和输出之间的相对速度为零时，该阻力矩为零，而随着输入与输出之间的相对速度的增加，该阻力矩总体呈线性增大。另一个旋转阻尼装置具有输入、输出和抗转矩的摩擦联接器，该联接器抵抗输入和输出之间的相对运动直到一定转矩，在高于该转矩时该摩擦联接器可以基本上恒定的阻力矩打滑。因此，两个旋转阻尼装置一起提供了相结合的速度/转矩特性，其中由粘性联接器产生的阻力矩随着速度升至一定值，在该阻力矩值下导致摩擦联接器打滑，之后在更高速下由阻尼器提供的阻力矩基本上保持恒定。

然而，如果单独的摩擦联接器和粘性联接器串联将会导致一种难于装入有限空间内的复杂装置。在摄像机支架内阻力装置可利用的空间通常是有限的，因此非常希望使阻力装置尽可能紧凑。

本发明提供了一种具有相对转动部件的旋转阻力装置，其中一个转动部件具有多个沿圆周安装于其上的小间隔的薄壁挠性环形板，以便提供环形工作面，粘性流体充填各板之间的空隙；另一个转动部件具有多个弓形元件，该弓形元件具有与环形板交替插入的部分环形工作面，以便在两部件相对转动时在各板之间滑动，还具有当随着两部分之间的相对速度增加而使弓形板前面的流体压力升高时使粘性流体从板之间排放的装置，环形板的挠性可以使板靠近在一起以适应各板之间的粘性流体的损失，由此当部件的相对速度低时在环形板和弓形板的相对工作面间的粘性阻力之间可以改变装置的阻尼特性，并且随着各板之间的粘性流体的损失，当各部件的相对转动速度较高时可以变为相应各板工作面之间的边界润滑。

在本发明的一种设置中，使各板之间的粘性流体排放的装置包括在环形板中位于其工作面外侧的一些孔，以使粘性流体在各板之间轴向流动。

更具体而言，所述孔可包括围绕环形板位于其工作面外侧的间隔开的细长弧形缝隙。

在本发明的一种具体设置中，细长弧形缝隙可包括相互错开的内组弧形缝隙和外组弧形缝隙，以便在内外缝隙的相应端部之间提供挠性梁构件，从而使环形板的工作面部分相对于板的周边固定部分轴向运动，由此环形板工作面之间的间隙可随着各板之间的粘性流体量而发生变化。

在关于上述的任一种设置中，弓形元件可具有使元件的工作面产生有限轴向运动的装置，以便适应环形板工作面的轴向运动。

例如，在弓形板中使其工作面可轴向运动的装置可包括位于各板工作面外侧的内排环形缝隙和外排环形缝隙，使外排环形缝隙相对于内排环形缝隙交错排列，以便在缝隙的相应端部之间提供梁式构件，该梁式构件可挠曲以使弓形元件的工作面相对于其相应固定部分产生有限的轴向运动。

在上述任一种设置中，环形板可以围绕其外周边安装在所述装置的一个部件上，而弓形板安装在环形板内部的所述另一个部件上。

在上述任一种设置中，还提供了调节弓形元件和环形板的工作面之间的交叠的装置，以改变所提供的阻尼程度。

更具体而言，弓形元件可以成对安装以便在相应的各对环形板之间接合。

在提供有调节弓形板和环形板工作面之间交叠的装置以改变所提供阻尼程度的情况下，该调节装置可包括用以改变每对弓形板之间的间隙的装置。

更具体而言，阻力装置的所述另一部件可包括一个毂和一对弓形板支架，该毂具有与环形板轴线同轴的中心轴线，该对弓形板支架可滑动地安装在毂上以便朝向和远离中心轴线移动，所述各对弓形板安装在板支架的外侧，还设置了一驱动机构以调节支架间的间隔并由此调节弓形板和环形板的工作面的交叠程度。

在本发明的一个具体实施方案中，用于调节各固定部件之间隔的机构包括两平行的细长齿条构件，该齿条构件从相应的板支架伸出穿过所述毂，并且还包括一个转动的齿轮驱动装置，该齿轮驱动装置与齿条啮合以调整其相应位置。

细长的齿条构件可以彼此滑动啮合，并可以提供消除各齿条构件之间的任何游隙或齿隙的装置。

在后一种设置中，消除齿隙的装置可包括弹簧加载的夹紧装置，该夹紧装置作用在毂和其中一个齿条构件之间，从而通过该毂将各齿条构件夹持在一起。

下面是本发明一些具体实施方案的描述，参考附图，其中：

图1是一种旋转粘性阻力装置的平面图，该装置控制电视/摄像机支架的摇动/倾斜运动，该装置包括一个外壳和一个控制机构，该外壳内装入了粘性联接器，该控制机构改变由所述阻力装置提供的阻尼程度；

图2是所述装置的前视图，示出圆形外壳和用于改变联接器阻尼的旋转控制钮；

图3是所述装置的后视图；

图4是各部件的正视图，该部件提供阻力装置的粘性联接器，它包括用于联接器定子的许多环形板以及用于转子的许多成对弓形板，所示弓形板处于最小阻尼位置；

图5是类似于图4的视图，示出弓形板处于其最大阻尼位置；

图6是形成粘性联接器的内、外板及成对内弓形板叠层的一部分的透视图；

图7是内弓形板的安装机构的透视图，该安装机构用于调节各板的间隔并包括具有底板的外毂和滑动安装于底板上的板支架；

图8是类似于图7的视图，已将底板从毂上拆除；

图9是图8所示底板的侧视图；

图10是从底板上拆下的那对板支架的透视图；

图11是处于最大分离位置的那对板支架的透视图；

图12是类似于图11的视图，板支架处于其最小分离位置；

图13是类似于图11的视图，示出作用在一个支架上以减小该装置齿隙的弹簧力的方向；以及

图14和15示出图1所示装置的改进形式。

首先参照附图中的图1，示出一具体用于电视/摄像机支架上的旋转式阻力装置。两个这样的装置设置在摄像机支架上以分别用于支架的阻尼式摇动和倾斜运动。所示的装置特别适用于控制倾斜运动。

所述装置包括一个圆形底板1，其一侧具有一封闭的圆壳体2，该壳体内装有粘性流体联接器3，该联接器3包括由安装在该壳体中的间隔开的环形板叠层5构成的定子4和绕轴线7可旋转地安装在底板上的转子6。该转子上安装有间隔开的成对弓形板的叠层8，这些弓形板位于定子内部、使之插入定子的环形板之间，这将在后面详细描述。

成对弓形板的间隙可以调节以改变它们与环形板之间的交叠程度，从而改变由联接器所提供的粘性阻尼。用于改变各板之间隙的机构9设置于底板相对于粘性联接器的相对侧。该机构9包括安装在底板上固定毂10中且支承驱动齿轮11的中心轴。毂的一侧具有副壳体12，它栓接于壳体11。轴13安装在壳体中，齿轮14在该壳体中固定于轴上，而该壳体支承在固定于底板上的座内。壳体具有侧向槽15，齿轮11从该槽伸出以啮合齿轮14。轴13的一端从副壳体座伸出，控制旋钮16安装在轴的伸出端部。利用轴的转动来调节弓形板的方式将在下面描述。

下面参考附图中的图4至图6，这些图更详细地示出阻力装置的旋转粘性联接器。联接器的定子包括薄壁环形挠性金属板20的叠层，该金属板20在其外周边由窄的环形间隔板21间隔开。板20具有螺钉孔22，盘21具有相应的螺钉孔23以安装贯通的螺钉(未示出)，这些螺钉将层叠的板固定在一起并将该层叠的板固定在壳体中。

每个环形板20在板的每一侧具有内环形工作面24，在工作面24以外，该板具有环形带25，在该环形带上形成有一组内外弧形缝隙26、27。内组缝隙26相对于外组缝隙对称交错排列，以便在相邻的内外缝隙的端部之间形成弧形梁28。梁28可以挠曲以使板的支承工作面24的内环形部分相对于板的固定外周边沿轴向挠曲。使板产生挠曲的目的将在下面描述。

联接器30的转子包括一对弓形板支架31、32，每个支架支承许多薄壁挠性弓形板33，这些板33由窄间隔板34间隔开。弓形板和间隔板利用螺钉固定到支架上，安装螺钉的孔以标号35示出。

弓形板33交替插入定子的环形板20之间并具有外环形工作面36以与环形板的工作面24接合。

每个弓形板都具有位于工作面36和板固定部分之间的部分环形带37，在该部分环形带中形成有成排的内外缝隙38、39。内缝隙相对于外缝隙对称交错排列以便在各缝隙的相应端部之间形成等长度的环形梁40。这种设置使得每个板的外部分相对于其固定部分以类似于上述环形板的挠曲方式沿轴向挠曲。

壳体2内充满粘性流体以渗入环形板20之间的间隙，以便当转子在定子中转动时，在弓形板33和环形板20的相邻工作面之间形成流体薄膜。所提供的粘性阻力将由弓形板与环形板的交叠程度决定，并且交叠程度可以在图4所示的最小板接合位置和图5所示的最大板接合位置之间改变，在最小板接合位置中只有弓形板的顶端交叠，而在最大板接合位置中弓形板的整个工作面都与环形板的工作面接合。弓形板的截面可以朝向其外边缘逐渐减小以便于当板在最小和最大插入位置间移动时插入各环形板之间。

可以理解，当转子在定子内旋转时，在环形板20之间在弓形板的前面将在粘性流体中产生压力，而在弓形板的后面产生相应的压力降。弓形板前面的压力升高将能迫使流体通过缝隙26、27流向叠层的端部，在该端部在叠层和壳体2的侧壁之间产生了空穴。在弓形板尾端的后面产生的压力降导致各板被拉在一起，这是上述环形板中的挠性带25和弓形板中的类似挠性带37所允许的。随着转子速度增加，越来越多的粘性流体从各板之间喷出直到粘性流体在弓形板和环形板的工作面之间只提供边界润滑。在此阶段，由联接器提供的阻力特性从线性特性变为恒阻力，在线性特性中当弓形板和环形板的工作面之间存在一完整的粘性层时，阻尼随速度成比例地增加，而在恒阻尼下，只在各板的工作面之间存在边界润滑。

联接器转子中采用的安装机构用于调整各对弓形板的间隙，下面结合图9至13对其进行描述。该机构包括外毂，该外毂具有一环形壁41，在该环形壁内安装了一个总体呈圆柱形的底盘42。板支架31、32滑动式地安装在底盘内以便相互移近和远离，如图10所示，每个板支架具有一从支架背面伸出穿过毂而与另一支架成滑动配合的细长支杆。支杆的邻接面形成有齿条，齿条彼此相对设置并与轴13上的公共齿轮啮合。轴13由旋钮16转动来通过齿条44在图12和13所示的最大和最小分离位置之间调整两支架31、32的间隔。

为了消除支架之间的游隙，利用弹簧加载杆50将两支架压在一起，该杆50在一侧具有斜面，该斜面压靠在位于一个支架的支杆的外侧的相应斜面上。杆的另一侧压靠在底盘的相邻内壁上。另一支架的支杆也具有一压靠在底盘相邻斜面上的斜面。弹簧加载杆的作用是为了将支架夹持在一起以消除任何游隙或齿隙。支承在弹簧上的杆50具有由图13中箭头所示的孔，以容纳安装在壳体1底板上的用以接合杆50的弹簧加载螺旋调节器51、52。通过调节螺旋调节器52可以调节弹簧压力以消除支架中的任何磨损。

可以理解，可以在不脱离本发明范围的条件下对上述实施方案作出许多改变。例如，所述装置的控制转子可以保持静止，而定子相对于转子转动。可以采用这种设置以控制摄像机支架的摇动运动，并且可为机构的控制旋钮设置锥齿轮驱动机构，从而控制摇动和倾斜的旋钮可以在摄像机支架上相互并排设置。

而且，环形板和/或弓形板的工作面的阻尼特性可以通过对这些表面进行表面处理/涂层而以边界润滑方式得以改进。例如，表面可涂覆一层干润滑剂，如聚四氟乙烯(P.T.F.E.)。

优选的是，旋转式阻力装置的腔可与大气密封以防止粘性流体从装置流失。然而，没有完全充满流体的经密封的阻力装置会由于在相邻板之间出现了气泡，减小了交叠板的有效工作面积而导致阻力输出的损失。

克服这一问题的一种方法是将阻力板浸入粘性流体的密封容积中，初始时将该密封流体排空空气以确保没有空气存在。然而，这一特性的密封装置需要一种装置来适应粘性流体随温度变化而产生的容积变化。

在本发明的一个具体实施方案中，适应粘性流体随温度变化的装置包括一个浸入粘性流体中且在一个或多个位置通向阻力装置外部大气的薄壁气囊。气囊的柔性足以在无需贮存足够能量的条件下改变容积来使粘性流体的压力发生显著的变化。

参照图14，示出图1所示旋转阻力装置的密封型式，它设有薄壁气囊以适应粘性流体温度的变化。所述装置的底板1具有中心圆形凸环形板5并将其固定在端盖和环之间。

螺钉还将环形板71固定在所述装置的外壳内。该板的一侧和定子环68的相对面上分别形成有部分圆形截面的凹槽72、73以在其间容纳一环形薄壁气囊74，该气囊经一个或多个孔口通向大气。

在图15所示的装置中，气囊采取连接于T形件75的薄壁管的形式，T形件通过定子密封环77壁上的孔口76通向大气，以防止粘性流体进入T形件和气囊。

Claims (17)

1.一种具有相对转动部件的旋转式阻力装置，其中一个转动部件具有多个沿周边安装于其上的具有小间隔的薄壁挠性环形板，以提供环形工作面，粘性流体充满各板之间的空隙，另一个转动部件具有与环形板交替插入的多个弓形件，弓形件具有局部环形工作面，以便随着两部件的相对转动而在各板之间滑动，该旋转阻力装置还具有当弓形板前面的流体压力随着两部件之间的相对速度增大而升高时使粘性流体排放的装置，环形板的挠性使各板能紧靠在一起以适应粘性流体从各板之间的流失，由此该装置的阻尼特性在两部件的低相对速度下可以在环形板和弓形板的相对工作面间的粘性阻力之间产生变化，并且随着粘性流体从各板之间的流失，在两部件的较高相对转速下可以在相应板的工作面之间变为边界润滑。

2.一种如权利要求1所述的旋转式阻力装置，其特征在于，使粘性流体从各板之间排放的装置包括位于环形板上在其工作面外侧的一些孔，以便粘性流体沿轴向在各板之间流动。

3.一种如权利要求2所述的旋转式阻力装置，其特征在于，所述孔包括围绕环形板在其工作面外侧间隔开的细长弧形缝隙。

4.一种如权利要求3所述的旋转式阻力装置，其特征在于，细长的弧形缝隙包括彼此相对错开的内组和外组弧形缝隙，以便在内组和外组缝隙的相应端部之间形成挠性梁式构件，从而使环形板的工作面部分相对于板的周边固定部分轴向移动而没有相对转动，由此各环形板之工作面之间的间隙可以随着各板之间的粘性流体量而发生变化。

5.一种如前述权利要求中任一项所述的旋转式阻力装置，其特征在于，弓形元件具有使其工作面可有限地轴向运动以适应环形板工作面之轴向运动的装置。

6.一种如权利要求5所述的旋转式阻力装置，其特征在于，弓形板中使其工作面产生轴向运动的装置包括位于板工作面外侧的内排和外排环形缝隙，外排缝隙相对于内排缝隙交错排列以便在缝隙的相应端部之间形成梁式构件，该梁式构件可以挠曲变形以使弓形件的工作面相对于其相应固定部分产生有限的轴向运动。

7.一种如前述权利要求中任一项所述的旋转式阻力装置，其特征在于，环形板围绕其外周边安装在所述装置的所述一个部件上，而弓形板安装在环形板内部的所述另一个部件上。

8.一种如前述任一项权利要求所述的旋转式阻力装置，其特征在于，设置了装置以调节弓形板和环形板的工作面之间的交叠，以便改变所提供的阻力程度。

9.一种如权利要求8所述的旋转式阻力装置，其特征在于，弓形板成对安装，且每一对弓形板接合在两个相邻的环形板之间。

10.一种如权利要求9所述的旋转式阻力装置，其特征在于，用于调节弓形板和环形板的工作面之间交叠的装置包括用于调节每一对弓形板之间隔的装置。

11.一种如权利要求10所述的旋转式阻力装置，其特征在于，所述另一部件包括一个毂和一对弓形板支架，该毂的中心轴线与环形板的轴线同轴，该弓形板支架滑动式地安装在该毂上以便朝向中心轴线和离开中心轴线运动，所述成对弓形板安装在板支架的外侧，还设置了一个驱动机构以调节支架的间隔并由此调节弓形板和环形板的工作面的交叠程度。

12.一种如权利要求11所述的旋转式阻力装置，其特征在于，用于调节支承件间隔的机构包括从相应板支架伸出穿过毂的平行细长齿条件和与齿条啮合以调节其相应位置的转动式齿轮驱动机构。

13.一种如权利要求11或12所述的旋转式阻力装置，其特征在于，设有装置以消除各部件和板支架之间的游隙。

14.一种如权利要求13所述的旋转式阻力装置，其特征在于，消除齿隙装置包括一作用在毂和其中一个齿条件之间的弹簧加载的夹紧装置，以便将各齿条件通过该毂夹持在一起。

15.一种如前述任一项权利要求所述的旋转式阻力装置，其特征在于，环形板和/或弓形板的工作面具有表面处理/涂层，以改善其边界润滑形式下的阻力特性。

16.一种如权利要求15所述的旋转式阻力装置，其特征在于，工作面具有P.T.F.E.涂层。

17.一种如前述任一项权利要求所述的旋转式阻力装置，其特征在于，密封装置设置在两个相对转动的部件之间以封闭含有环形板和弓形板的空间，以便防止所述粘性流体的流失，并且一个柔性壁的气囊安装在此空间内且通向大气，以适应随着温度变化粘性流体产生的膨胀和收缩。

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