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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hemmungssystem, welches beispielsweise in einem Messgerät, wie z.B. einer Uhr, verwendet werden kann. Das Hemmungssystem umfasst eine Antriebsachse und mindestens ein Hemmungsrad, welches mindestens einen Impulszahn aufweist. Der mindestens eine Impulszahn ist mit der Antriebsachse über mindestens ein Federelement verbunden und besitzt eine Ausgangsposition, in der er so fixiert ist, dass das Federelement ein Vorspannmoment aufweist.
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Es ist bekannt, dass Gangregler in Ablaufgetrieben und Uhren diversen Kraftschwankungen unterliegen, die ihre Ursachen unter anderem in der Qualität der Antriebsfeder, des Ablaufgetriebes oder der Schmiermittel haben. Diese Kraftschwankungen beeinflussen ursächlich den Isochronismus des Gangreglers und damit die Qualität einer Uhr. Deshalb ist man bemüht den sich während des Impulses bewegenden Antriebsstrang möglichst kurz zu halten um die Anzahl der Störquellen zu minimieren. Zur Lösung dieser Problematik ist aus der
CH 708 043 bekannt, die Zähne des Hemmungsrades auf federnde Elemente zu setzen, die durch die Kraft, die durch den Kraftstrang an das Hemmungsrad übertragen wird, auf ein Energieniveau angehoben werden. Die so gespeicherte Energie wird während der Impulsübertragung teilweise an die Hebeflächen des Ankers abgegeben. Zu dieser Energie kommt aber stets auch die durch die Rotation des Hemmungsrades übertragene Energie hinzu, die bekanntermassen starken Schwankungen unterliegt, so dass die in der
CH 708 043 beschriebene Vorrichtung die Schwankungen zwar etwas abschwächt, aber nicht beseitigen kann, wie im dort zitierten Text auch richtig dargelegt wird. Eine durchaus vergleichbare Vorrichtung zeigt die
US 2717488 , bei der jedoch die Geräuschminimierung einer Hemmung im Fokus steht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt jedoch eine andere Aufgabenstellung zu Grunde. So war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Hemmungssystem mit konstanter Impulsenergie und hohem Wirkungsgrad anzugeben.
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Diese Aufgabe wird bezüglich eines Hemmungssystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines Messgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Hemmungssystem angegeben, welches eine Antriebsachse und mindestens ein Hemmungsrad umfasst, wobei das mindestens eine Hemmungsrad mindestens einen Impulszahn aufweist. Der mindestens eine Impulszahn ist mit der Antriebsachse über mindestens ein Federelement verbunden und besitzt eine Ausgangsposition (oder nimmt vorzugsweise eine Ausgangsposition ein), in der er so fixiert ist, dass das Federelement ein Vorspannmoment aufweist.
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Der Impulszahn bzw. die Impulszähne des Hemmungsrads besitzen jeweils mindestens zwei Positionen, die sie einnehmen können. Eine dieser Positionen ist die Ausgangsposition, in welcher der Impulszahn ein niedriges Energieniveau aufweist und in welcher sich der Impulszahn befindet, solange er nicht auf sein hohes Energieniveau gehoben wird, dort gehalten wird oder er sich in der Phase der Energieübertragung befindet. Eine weitere Position ist z.B. die Spannposition, in welcher der Impulszahn sein hohes Energieniveau aufweist und in welche der Impulszahn während der Drehung des Hemmungsrads (Δα) gebracht wird, ehe er nach seiner Energieabgabe wieder in die Ausgangsposition zurückkehrt. Die Ausgangsposition kann hierbei auch als die Position bezeichnet werden, in der der Impulszahn bzw. das Federelement bei einem Zyklus des Hemmungsrads die geringste Spannung aufweist. Die Spannposition kann wiederum auch als die Position bezeichnet werden, in der der Impulszahn bzw. das Federelement bei einem Zyklus des Hemmungsrads die höchste Spannung aufweist. Die Spannung des Impulszahns bzw. des Federelements ist somit grundsätzlich in der Ausgangsposition niedriger als in der Spannposition.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Impulszahn, während er sich in der Ausgangsposition befindet, ein Vorspannmoment (> 0 Nm) aufweist. Mit anderen Worten ist der Impulszahn in seiner Ausgangsposition bereits mit einem Moment vorgespannt.
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Hierin unterscheidet sich die vorliegende Erfindung maßgeblich von den in der
US 2717488 und der
CH 708 043 beschriebenen Vorrichtungen. Dort werden ebenfalls federnde Impulszähne vorgeschlagen. In der
US 2717488 werden diese jedoch zur Verminderung der Hemmungsgeräusche eingesetzt. Eine Vorspannung der federnden Impulszähne in der Ausgangsposition offenbart die
US 2717488 nicht. Die
CH 708 043 greift eine ähnliche technische Lösung auf, beabsichtigt jedoch eine Force-Constant Hemmung darzustellen, wobei die Impulszähne in ihrer Ausgangsposition bzw. Ruhelage keine Vorspannung aufweisen und das Hemmungsrad über keine gesonderten Ruhezähne verfügt.
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Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung der mindestens eine Impulszahn in seiner Ausgangsposition ein Vorspannmoment aufweist, weist das erfindungsgemäße Hemmungssystem einen im Hemmungsrad integrierten Energiespeicher auf, der den Impuls direkt oder indirekt (z.B. über einen Anker) an eine Unruhe weitergeben kann. Dieser Energiespeicher ist hierbei in jeden einzelnen Impulszahn oder in jede Gruppe aus Impulszähnen des Hemmungsrades integriert.
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Bei der Hemmungsentwicklung stellt die Trägheit der impulsgebenden Elemente eine große Herausforderung dar. Sie bestimmt maßgeblich die Größe der Hemmungsräder und die Frequenz der Unruhe. Bei Schwingungen mit 2,5 Hz aufwärts werden typischerweise mehr als 60 % (meist mehr als 70 %) der Energie für die Beschleunigung der impulsgebenden Elemente verbraucht. Durch die vorliegende Erfindung wird die Trägheit des impulsgebenden Elementes minimiert, wodurch weniger Energie für die Beschleunigung der impulsgebenden Elemente verbraucht wird. Hierdurch kann die Effizienz des Hemmungssystems deutlich erhöht werden.
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Der Wirkungsgrad des Hemmungssystems ergibt sich in grober Näherung aus der Formel:
mit M
A ≥ M
H, wobei
η der Wirkungsgrad,
ML das Vorspannmoment in der Ausgangsposition bzw. das niedrige Moment,
MH das Moment in der Spannposition bzw. das hohe Moment, E1 die kinetische Energie der während des Impulses bewegten Hemmungsteile zu Impulsende, Δα den Drehwinkel des Hemmungsrades je Impuls und
MA das Drehmoment des Hemmungsrads angibt. Für einen korrekten Ablauf ist es erforderlich, dass die Antriebsachse des Hemmungsrades ein höheres Drehmoment
MA abgibt, als zum Spannen des Impulszahns erforderlich ist. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene von 0 Nm verschiedene Vorspannmoment
ML steigt die Effizienz der Hemmung maßgeblich, da mehr von der zum Spannen erforderlichen Energie (Δα · M
A) gespeichert werden kann.
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Minimale Trägheit und ein möglichst hohes Vorspannmoment ML des Impulszahns bzw. der Impulszähne in der Ausgangsposition tragen somit maßgeblich zur hohen Effizienz des erfindungsgemäßen Hemmungssystems bei, wohingegen ohne ein Vorspannen in der Ausgangsposition maximal 50 % der verfügbaren Energie genutzt werden können.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann somit ein Hemmungssystem mit konstanter Impulsenergie und hohem Wirkungsgrad erhalten werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Hemmungssystem mindestens ein ruhegebendes Element aufweist, welches mindestens eine Spannfläche aufweist, die bei einer Drehung des Hemmungsrads den Impulszahn von der Ausgangsposition in eine Spannposition überführt. Vorzugsweise weist das ruhegebende Momente zwei Spannflächen auf.
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Besonders bevorzugt ist es, dass der Impulszahn durch Drehung des Hemmungsrades mit einem Drehmoment, welches größer als das Vorspannmoment des mindestens einen Federelements in der Ausgangsposition des mindestens einen Impulszahns ist, so gegen die mindestens eine Spannfläche gedrückt werden kann, dass er aus der Ausgangsposition heraus in die Spannposition bewegt wird und sich dabei das Vorspannmoment des mindestens einen Federelements erhöht.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine ruhegebende Element als Anker, als Ruhehebel oder als Teil einer Unruhe ausgeführt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der mindestens eine Impulszahn eine Ausgangsposition einnimmt, in der er so fixiert ist, dass das Federelement ein Vorspannmoment aufweist. Dies bedeutet, dass der mindestens eine Impulszahn eine Ausgangsposition besitzt, in der er so fixiert ist, dass das Federelement ein Vorspannmoment aufweist, und diese Ausgangsposition einnimmt. Natürlich ist es hierbei immer noch möglich, dass der Impulszahn aus der Ausgangsposition in eine andere Position, z.B. die Spannposition, bewegt wird.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der mindestens eine Impulszahn bzw. die Impulszähne in jeder Position, die er einnehmen kann bzw. sie einnehmen können, ein (Vorspann-)Moment > 0 aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Hemmungsrad mehrere Impulszähne auf. Hierbei ist es bevorzugt, dass jeder der Impulszähne jeweils über ein Federelement mit der Antriebsachse verbunden ist. Alternativ ist es auch möglich, dass einer, mehrere oder alle der Impulszähne jeweils über ein oder mehrere Federelemente mit der Antriebsachse verbunden sind. Ferner ist es bevorzugt, dass jeder der Impulszähne mit dem jeweiligen Federelement, über das er mit der Antriebsachse verbunden ist, einstückig ausgebildet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hemmungssystems weist das mindestens eine Hemmungsrad mindestens einen Anschlag auf, der den Impulszahn in seiner Ausgangsposition fixiert. Beispielsweise kann der mindestens eine Impulszahn gegen den Anschlag gedrückt sein, um so in seiner vorgespannten Ausgangsposition fixiert zu sein. Vorzugsweise weist das mindestens eine Hemmungsrad genauso viele Anschläge wie Impulszähne auf. Zudem ist es bevorzugt, dass die Anschläge auf dem Ruherad angeordnet sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hemmungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hemmungssystem einen oder mehrere Ruhezähne aufweist. Die Ruhezähne sind vorzugsweise auf dem Hemmungsrad, besonders bevorzugt auf dem Ruherad, angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hemmungssystems ist mindestens ein Hemmungsrad (bzw. das mindestens eine Hemmungsrad) zweiteilig ausgeführt und umfasst als ersten Teil ein Impulsrad, welches den mindestens einen Impulszahn aufweist, und als zweiten Teil ein Ruherad, wobei das Impulsrad und das Ruherad in einer festen Position gegeneinander fixiert sind, und wobei vorzugsweise das Ablaufen des Triebstrangs am Ruherad steuerbar ist bzw. gesteuert wird. Umfasst das Hemmungssystem mehrere Hemmungsräder, können beispielsweise alle Hemmungsräder oder nur ein Teil der Hemmungsräder zweiteilig ausgeführt sein.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hemmungssystems ist mindestens ein Hemmungsrad (bzw. das mindestens eine Hemmungsrad) einteilig und in zwei Ebenen ausgeführt, wobei eine der beiden Ebenen den mindestens einen Impulszahn aufweist, und wobei vorzugsweise das Ablaufen des Triebstrangs am Ruherad steuerbar ist bzw. gesteuert wird. Umfasst das Hemmungssystem mehrere Hemmungsräder, können beispielsweise alle Hemmungsräder oder nur ein Teil der Hemmungsräder einteilig und in zwei Ebenen ausgeführt sein.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Hemmungssystem einen Wirkungsgrad von mehr als 30 %, bevorzugt von mehr als 35 %, aufweist.
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Zudem betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Messgerät, welches das erfindungsgemäße Hemmungssystem umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts umfasst das Messgerät einen Gangregler.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Messgerät ein Zeitmessgerät, insbesondere eine Uhr.
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Dieses Prinzip kann auf die verschiedensten Hemmungstypen angewendet werden:
- Ankerhemmungen:
- Der Impuls wird via Zwischenelement vom Hemmungsrad auf die Unruhe übertragen.
- a.) Es kommt ein Element zum Einsatz, welches Impulsfläche und Spannfläche und ruhegebende Fläche aufweist
- b.) Es kommen zwei Elemente zum Einsatz, eines weist die Impulsfläche und Spannfläche auf, ein weiteres die ruhegebende Fläche.
- Chronometerhemmungen:
- Der Impuls wird direkt vom Hemmungsrad auf die Unruhe übertragen, welche somit die Impulsfläche aufweist.
- a.) Es gibt einen Ruhehebel, der Spannfläche und Ruhefläche aufweist und temporär mit der Unruhe in kontakt steht
- b.) Es gibt einen Spannhebel, der die Spannfläche aufweist und temporär mit der Unruhe im Kontakt steht, außerdem gibt es einen Ruhehebel, der durch die Unruhe oder den Impulszahn betätigt wird.
- Duplexhemmungen:
- Der Impuls wird direkt vom Hemmungsrad auf die Unruhe übertragen, welche somit die Impulsfläche aufweist.
- a.) Spannfläche und Ruhefläche sind ebenfalls Bestandteile der Unruhe
- b.) Spannfläche und Ruhefläche liegen auf einem separatem Element, welches permanent mit der Unruhe in Kontakt steht
- c.) Spannfläche ist Bestandteil der Unruhe, die Ruhefläche lieg auf einem separatem Element, welches permanent mit der Unruhe in Kontakt steht
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Anhand der nachfolgenden Beispiele und Figuren soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen und Parameter zu beschränken.
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Im Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Hemmungssystems anhand der Figuren beispielhaft in einer der „Schweizer Ankerhemmung“ ähnlichen „Konstant-Energie Hemmung“ erörtert.
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In 1 ist zunächst eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hemmungssystems gezeigt. Das Hemmungssystem umfasst hierbei eine Antriebsachse 11 und ein Hemmungsrad, welches mehrere Impulszähne 1, 8 aufweist, wobei die Impulszähne 1, 8 mit der Antriebsachse 11 über Federelemente verbunden sind. Hierbei ist jeder der Impulszähne 1, 8 jeweils über ein Federelement mit der Antriebsachse 11 verbunden. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass einer, mehrere oder alle der Impulszähne über ein oder mehrere Federelemente mit der Antriebsachse verbunden sind. Wie in 1a gezeigt, besitzen die Impulszähne eine Ausgangsposition, die sie einnehmen können, wie beispielhaft am Impulszahn 8 zu sehen ist. In dieser Ausgangsposition ist der Impulszahn so fixiert, dass das Federelement, über welches der Ruhezahn mit der Antriebsachse verbunden ist, ein Vorspannmoment aufweist. Die Impulszähne können jedoch auch eine Spannposition einnehmen, wie beispielhaft am Impulszahn 1 zu sehen ist.
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Das in 1 gezeigte Hemmungsrad ist zweiteilig ausgeführt ist. Es umfasst als ersten Teil ein Impulsrad, welches die Impulszähne 1, 8 aufweist, und als zweiten Teil ein Ruherad, welches Ruhezähne 3, 9 aufweist. In 2a sind beide Teile vor dem Zusammenbau des Hemmungsrads gezeigt. Hier sind die mit den Impulszähnen verbundenen Federelemente in einem entspannten Zustand. In 2b (wie auch in 1) sind die beiden Teile nach dem Zusammenbau und einem Verdrehen der Narben zueinander gezeigt. Das Impulsrad und das Ruherad sind hier in einer festen Position gegeneinander fixiert. Zudem werden die Impulszähne gegen auf dem Ruherad befindliche Anschläge 12, 13 gedrückt, so dass die Impulszähne in der Ausgangsposition fixiert sind, in welcher sie ein Vorspannmoment aufweisen.
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Zudem weist das in 1 gezeigte Hemmungsrad ein ruhegebendes Element 5 auf, wobei dieses als Anker ausgeführt ist. Das ruhegebende Element 5 weist zwei Spannflächen 2, 7 auf, die bei einer Drehung des Hemmungsrads die Impulszähne 1, 8 von der Ausgangsposition in die Spannposition überführen. Hierbei wird der jeweilige Impulszahn 1 durch Drehung des Hemmungsrades mit einem Drehmoment, welches größer als das Vorspannmoment des Federelements in der Ausgangsposition des Impulszahns 1 ist, so gegen die Spannfläche 2 gedrückt, dass er aus der Ausgangsposition heraus in die Spannposition bewegt wird und sich dabei das Vorspannmoment des Federelements erhöht, sowie dies in 1 am Beispiel des Impulszahns 1 gezeigt ist.
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Die 3a bis 6a sowie 3b bis 6b zeigen nun die Funktion des Hemmungssystems während der Drehung des Hemmungsrads durch die Antriebsachse. Die Figuren a und b der gleichen Nummer zeigen dabei das Hemmungssystem jeweils zum gleichen Zeitpunkt aus unterschiedlichen Perspektiven, einmal von vorne und einmal von hinten.
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In den 3a und 3b ist der Impulszahn 1 durch die Spannfläche 2 an der ausgehenden Ankerseite auf ein höheres Moment MH gespannt. Gleichzeitig wird die Antriebsachse 11 des Hemmungsrades durch den Kontakt zwischen dem Ruhezahn 3 und der Ruhefläche 4 arretiert. Hierüber wird die Differenz zwischen dem Antriebsmoment MA und dem Vorspannmoment MH abgestützt.
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Bewegt nun die Unruhe den Anker 5, kommt es zunächst zu der Freigabe des Impulszahns 1, sobald dieser nicht mehr auf der Spannfläche 2 ruht. Nach Freigabe des Impulszahns 1 trifft dieser auf die Hubfläche 6 und treibt den Anker 5 an, wie dies in den 4a und 4b gezeigt wird. Hierbei entspannt sich der Impulszahn 1 von seinem hohen Vorspannniveau MH auf sein niedriges Niveau ML . Gegen Ende oder nach der Energieabgabe ist die Spannfläche 7 durch die Ankerbewegung vor den Impulszahn 8 bewegt worden. Die Ruhefläche 4 gibt nun das Hemmungsrad für das Nachspannen frei, indem sie den Ruhezahn 3 frei gibt.
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Es kommt nun - während die Unruhe ihren Ergänzungsbogen vollzieht - zu einer Bewegung der Antriebsachse 11, bis der Ruhezahn 9 auf die Ruhefläche 10 trifft, wie dies in den 5a und 5b gezeigt wird. Während dieses Vorgangs wird nun der Impulszahn 8 durch die Spannfläche 7 an der Eingangsseite Ankerseite vom Momentenniveau ML auf MH vorgespannt.
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Bewegt nun wiederum die Unruhe den Anker 5, kommt es zur Freigabe des Impulszahns 8, sobald dieser nicht mehr auf der Spannfläche 7 ruht. Nach Freigabe des Impulszahns 8 trifft dieser auf die Hubfläche an der Eingangsseite des Ankers und treibt den Anker 5 an, wie dies in den 6a und 6b gezeigt wird. Hierbei entspannt sich der Impulszahn 8 von seinem hohen Vorspannniveau MH auf sein niedriges Niveau ML . Die Ruhefläche 10 gibt nun den Ruhezahn 9 des Ruherades frei, was das Vorspannen des nächsten Impulszahns auslöst.
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Ab hier wiederholen sich die Abläufe sobald die Unruhe einen weiteren Durchlauf der Ruhelage vollzieht.
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Für einen korrekten Ablauf ist es erforderlich, dass die Antriebsachse 11 des Hemmungsrades ein höheres Drehmoment MA abgibt, als zum Vorspannen des Impulszahns 1, 8 erforderlich ist. Durch ein von 0 Nm verschiedenes niedriges Vorspannmoment ML steigt die Effizienz der Hemmung maßgeblich, da mehr von der zum Spannen erforderlichen Energie (Δα · MA ) gespeichert werden kann. Dies wird auch durch 7 veranschaulicht, welche das Energiediagramm der Hemmung zeigt. Dort wird gezeigt, dass aufgrund des hohen Vorspannniveaus ML der Impulszähne in der Ausgangsposition die Menge an übertragener Energie 14 im Vergleich zur Menge an verlorener Energie 15 sehr hoch ist. Aus dem Diagramm ist somit ohne Weiteres ersichtlich, dass ein möglichst hohes Vorspannmoment ML der Impulszähne in der Ausgangsposition maßgeblich zur Effizienz des erfindungsgemäßen Hemmungssystems beiträgt. Ohne Vorspannung in der Ausgangsposition könnten hingegen maximal 50% der verfügbaren Energie genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 708043 [0002, 0008]
- US 2717488 [0002, 0008]
