БАЛАНСНАЯ ПРУЖИНА, ЗАКРЕПЛЯЕМАЯ УПРУГОЙ ШАЙБОЙ
BALANCED SPRING FASTENED WITH ELASTIC WASHER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к балансной пружине, упруго фиксируемой шайбой. Более конкретно, настоящее изобретение относится к втулке, предназначенной для фиксации балансной пружины на оси путем упругого зажима шайбой.
Уровень техники
В Европейском патенте № 2916177 на имя заявителя раскрыта втулка без использования клея или пайки. Указанная втулка предпочтительно позволяет избежать смещения точки крепления при одевании втулки на ось, расположить центр тяжести в геометрическом центре ленты, а также ограничить разрушение материала при зажиме шайбой поверхности втулки.
Однако при применении критерия пластичности Мизеса было обнаружено, что втулка испытывает значительные изменения напряжений в направлении вдоль многоугольной ленты. Действительно, в точках контакта с осью возникают высокие напряжения, сопровождаемые напряжениями изгиба в вершинах указанного многоугольника.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в устранении всех или части вышеуказанных недостатков путем создания втулки, сохраняющей преимущества устройства согласно Европейской патентной заявке № 2916177, а также создающей меньше контактов и напряжений изгиба в ленте, в частности, в точках контакта и в вершинах указанного многоугольника.
Соответственно, объектом изобретения является балансная пружина, содержащая спиральную пружину, образованную лентой, обмотанной вокруг себя несколькими витками, и втулку, содержащую ленту, образующую по существу треугольник и содержащую в каждой из вершин указанного треугольника выступ, радиально выступающий в сторону внутреннего витка пружины, причем точка крепления пружины к втулке расположена на одном из выступов указанного треугольника, являющегося симметричным относительно оси, проходящей через центр втулки и указанную точку крепления, отличающаяся тем, что лента между каждыми из вершин указанного треугольника образована первым и вторым удлиненными участками практически постоянной ширины и третьим участком, расположенным между первым и вторым участками, который имеет увеличенную ширину по сравнению с шириной первого и второго участков и предназначен для посадки на ось для смещения областей упругой деформации на первый и второй участки.
К удивлению, путем смещения областей упругой деформации на участки между точками контакта с осью и вершинами многоугольника втулки удалось уменьшить контактные напряжения на 70% и напряжения изгиба на 40% по сравнению с величинами напряжений, наблюдавшихся в пружине, показанной на фиг. 9 Европейской патентной заявки № 2916177. Таким образом, очевидно, что внутренние напряжения во втулке намного ниже. Кроме того, при посадке на ось стало возможным лучше уравновесить контактные напряжения при сохранении минимального усилия затяжки на оси.
Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления изобретения:
- первый и второй участки имеют одинаковую ширину;
- длина третьего участка составляет от 20% до 50% общей длины трех участков;
- ширина третьего участка составляет от 140% до 300% ширины первого и второго участков;
- третий участок является утолщенным и радиально выступает к центру втулки;
- третий участок является утолщенным и радиально выступает в сторону внутреннего витка пружины;
- третий участок является утолщенным и радиально выступает как в сторону центра втулки, так и в сторону внутреннего витка пружины;
- пружина выполнена из кремния.
Кроме того, объектом настоящего изобретения является также резонатор для часов, характеризующийся тем, что он содержит ось с установленными на ней балансом и балансной пружиной согласно любому из предыдущих вариантов.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже его подробным описанием, приводимым в качестве неограничивающего примера, со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан узел согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 и 3 – первый вариант выполнения втулки согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 – второй вариант осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 – третий вариант осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к балансной пружине, упруго фиксируемой шайбой. Более конкретно, настоящее изобретение относится к втулке, предназначенной для фиксации балансной пружины на оси путем упругого зажима шайбой.
Такая сборочная система раскрыта в Европейских патентных заявках №№ 2860591 и 2860592 на имя заявителя, и она включена в виде ссылки в настоящую заявку. Данная сборочная система обеспечивает большую свободу в выборе используемых материалов. Таким образом, она является особенно подходящей для детали, материал которой не имеет приемлемой зоны пластичности, т.е. зона пластичности которого очень ограничена, с элементом, выполненным из материала другого типа.
В области часового дела такой тип сборки, обеспечивающий большую свободу в выборе используемых материалов, следовательно, должен найти себе применение вследствие увеличивающегося использования материалов с очень ограниченной зоной пластичности, таких как материалы на основе кремния, например легированный или нелегированный монокристаллический (или поликристаллический) кремний, диоксид кремния, такой как кварц или кремнезем, монокристаллический или поликристаллический корунд или, в более общем плане, окись алюминия, нитрид кремния и карбид кремния.
Пример сборочной единицы такого типа показан на фиг. 1. Резонатор 101 часов содержит ось 103 с установленными на ней балансом 105 и балансной пружиной 107, в качестве которой успешно может использоваться балансная пружина 1, 21, 41, описанная в настоящей заявке. В примере, изображенном на фиг. 1, втулка балансной пружины 107 упруго надета на ось 103 между шайбой 109 и заплечиком 111 оси 103. Как указано в Европейских патентных заявках №№ 2860591 и 2860592, шайба 109 упруго зажимает, в основном своей периферийной частью, втулку балансной пружины 107.
Втулка, показанная на фиг. 9 Европейского патента 2916177, содержит ленту 67, образующую треугольник и предназначенную для данного типа сборочной единицы, раскрываемого в Европейских патентных заявках №№ 2860591 и 2860592. Ширина ленты 67 между вершинами указанного треугольника является непостоянной. Более конкретно, ширина ленты 67 между каждыми из вершин указанного треугольника изменяется от максимальной в точках зажима, постепенно уменьшаясь в направлении к вершинам на двух сторонах треугольника, а на третьей стороне имеется четвертый выступ, что позволяет расположить центр тяжести конструкции в геометрическом центре ленты.
При применении критерия пластичности Мизеса было выяснено, что во втулке 65 по Европейской патентной заявке № 2916177 наблюдаются большие изменения напряжений по длине ленты 67 при сжатии диаметра на 6 мкм. Действительно, контактные напряжения в точках контакта с осью составляли от 300 до 450 МПа, а напряжения изгиба составляли от 500 до 600 МПа в вершинах треугольника и были практически равны нулю на участках между указанными точками контакта и указанными вершинами. Хотя такие максимальные значения напряжений сами по себе не являются неблагоприятными для большинства материалов, используемых в часовом деле, тем не менее, втулка подвергается значительным изменениям напряжений по длине ленты. Вот почему задачей настоящего изобретения является ограничение изменений напряжений по длине ленты, в частности, в точках контакта.
К удивлению, было обнаружено, что путем простого изменения геометрии сторон втулки можно добиться значительного уменьшения контактных напряжений в точках контакта с осью и ограничить максимальные напряжения изгиба по длине ленты, в то же самое время обеспечив сохранение других преимуществ изобретения, предлагаемого Европейской заявкой № 2916177, и сохранив минимальное усилие затяжки оси.
I
Таким образом, балансная пружина 1, 21, 41 согласно настоящему изобретению содержит спиральную пружину 3, содержащую ленту, обмотанную вокруг себя несколькими витками, и втулку 5, 25, 45, содержащую ленту 7, 27, 47, образующую по существу треугольник. В каждой из вершин указанного треугольника данная лента 7, 27, 47 содержит выступ 2, 4, 8, 22, 24, 28, 42, 44, 48, выступающий в радиальном направлении в сторону внутреннего витка S пружины 3. Наконец, точка крепления пружины 3 к втулке 5, 25, 45 расположена на одном из выступов 2, 22, 42 указанного треугольника, симметричного относительно оси, проходящей через центр C втулки и указанную точку крепления. Центр C также можно определить как центр окружности, вписанной в треугольник втулки 5, 25, 45.
1
2
3
Настоящим изобретением предлагается изменить геометрию сторон втулки 5, 25, 45, т.е. участков ленты 7, 27, 47 между вершинами треугольника, путем смещения областей упругости, т.е. гибких областей, на участки между точками P, P, P контакта с осью A и вершинами указанного треугольника втулки 5, 25, 45.
1x
2x
3x
4x
5x
1x
2x
1x
2x
1x
2x
Таким образом, согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы между каждыми из вершин указанного треугольника лента 7, 27, 47 была сформирована из первого и второго участков Z, Z практически постоянной ширины, а также третьего участка Z, Z, Z между первым и вторым участками Z, Z, который имеет увеличенную ширину по сравнению с шириной первого и второго участков Z, Z и предназначен для посадки на ось A, обеспечивая смещение точки приложения сил упругой деформации на первый и второй участки Z, Z ленты 7, 27, 47.
1
2
3
После повторного применения критерия пластичности Мизеса, к удивлению, было обнаружено, что втулка 5, 25, 45 согласно настоящему изобретению подвержена меньшим изменениям напряжений по длине ленты 7, 27, 47 по сравнению с изменениями напряжений во втулке по Европейской патентной заявке № 2916177. Действительно, для аналогичного желаемого сжатия диаметра на 6 мкм контактные напряжения в точках P, P, P контакта с осью A составляли всего около 100 МПа, а напряжения изгиба по длине ленты 7, 27, 47 не превышали 400 МПа.
2
1x
2x
3x
4x
5x
Вероятно, наиболее удивительным является то, что контактные напряжения в точке P контакта также уменьшились, хотя четвертый выступ 6, 26, 46 можно рассматривать также как утолщенную часть ленты 7, 27, 47 на одной из сторон втулки 5, 25, 45. Таким образом, становится ясно, что геометрия трех указанных участков Z, Z, Z, Z, Z на каждой из сторон должна быть практически одинаковой и иметь определенную форму, чтобы напряжения изгиба и контактные напряжения во втулке 5, 25, 45 были как можно ниже, а также лучше сбалансированы.
1x
2x
13
23
1x
2x
13
23
1x
2x
3x
4x
5x
1x
2x
3x
4x
5x
3x
4x
5x
1x
2x
1x
2x
Для достижения указанного результата для первого и второго участков Z, Z были приняты практически одинаковые длины L, L, L, L, высоты и ширины W, W, W, W. Кроме того, было выяснено, что длина третьего участка Z, Z, Z величиной от 20% до 50% от общей длины трех участков Z, Z, Z, Z, Z и ширина третьего участка Z, Z, Z величиной от 140% до 300% ширины W, W первого и второго участков Z, Z дают возможность сохранить вышеупомянутые преимущества.
3x
4x
5x
51
52
53
51
52
53
1
2
3
Ниже представлены три варианта осуществления предлагаемого изобретения, с одинаковой высотой и изменяющимися длиной и шириной третьего участка Z, Z, Z. Итак, согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 5, балансная пружина 4 содержит втулку 45 с лентой 47, содержащей три утолщенные области Z, Z, Z, каждая из которых выступает в радиальном направлении к центру C втулки 45. Можно заметить, что каждый третий участок Z, Z, Z имеет практически плоскую поверхность в месте расположения точки P, P, P контакта с осью A.
1x
2x
51
52
53
1x
2x
5x
51
52
53
1x
2x
1x
2x
1
2
3
1x
2x
51
52
53
Первый и второй участки Z, Z всех сторон ленты 47 образуют прямые прямоугольные призмы, которые являются одинаковыми и обеспечивают одинаковые характеристики упругости. В показанном на фиг. 5 первом варианте осуществления изобретения длина третьего участка Z, Z, Z практически равна 20% от общей длины трех участков Z, Z, Z, а ширина третьего участка Z, Z, Z практически равна 143% ширины W, W первого и второго участков Z, Z. Можно заметить также, что между областями практически постоянной ширины на практически плоской поверхности в точках P, P, P контакта с осью A и первым и вторым участками Z, Z ширина третьего участка Z, Z, Z уменьшается по радиусу, т.е. постепенно.
52
Наконец, из чертежа видно, что для расположения центра тяжести втулки 45 в геометрическом центре C втулки 45 на третьем участке Z стороны, расположенной напротив выступа 42, имеется четвертый выступ 46, выступающий в радиальном направлении в сторону внутреннего витка.
41
42
43
41
42
43
1
2
3
1x
2x
Согласно второму варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 4, балансная пружина 21 включает в себя втулку 25 с лентой 27, содержащей три утолщенных третьих участка Z, Z, Z, выступающих в радиальном направлении к внутреннему витку пружины. Можно заметить, что каждый третий участок Z, Z, Z содержит для точки P, P, P контакта с осью A практически плоскую поверхность, являющуюся продолжением первого и второго участков Z, Z.
1x
2x
41
42
43
1x
2x
4x
41
42
43
1x
2x
1x
2x
1
2
3
1x
2x
41
42
43
Первый и второй участки Z, Z всех сторон ленты 27 образуют прямые прямоугольные призмы, которые являются одинаковыми и обеспечивают одинаковые характеристики упругости. В показанном на фиг. 4 втором варианте осуществления изобретения длина третьего участка Z, Z, Z практически равна 42% от общей длины трех участков Z, Z, Z, а ширина третьего участка Z, Z, Z практически равна 267% ширины W, W первого и второго участков Z, Z. Можно заметить также, что между областями практически постоянной ширины на практически плоской поверхности в точках P, P, P контакта с осью A и первым и вторым участками Z, Z, ширина третьего участка Z, Z, Z уменьшается по радиусу, т.е. постепенно.
42
Наконец, из чертежа видно, что на третьем участке Z стороны, расположенной напротив выступа 22, имеется четвертый выступ 26, выступающий в радиальном направлении в сторону внутреннего витка и служащий для того, чтобы центр тяжести втулки 25 располагался в геометрическом центре C втулки 25. Кроме того, можно заметить, что четвертый выступ 26 во втором варианте осуществления изобретения является более объемным, чем аналогичный выступ 46 в первом варианте осуществления изобретения.
31
32
33
I
31
32
33
1
2
3
Согласно третьему варианту осуществления изобретения, представленному на фиг. 2 и 3, балансная пружина 1 включает в себя втулку 5 с лентой 7, содержащей три утолщенных участка Z, Z, Z, каждый из которых радиально выступает как в сторону центра C втулки 5, так и в сторону внутреннего витка S пружины 3. Таким образом, третий вариант осуществления изобретения можно считать комбинацией первого и второго вариантов осуществления изобретения. Однако в третьем варианте осуществления изобретения видно, что каждый третий участок Z, Z, Z имеет практически выпуклую поверхность в точке P, P, P контакта с осью A.
1x
2x
31
32
33
1x
2x
3x
31
32
33
1x
2x
1x
2x
I
1
2
3
1x
2x
31
32
33
Первый и второй участки Z, Z всех сторон ленты 7 образуют прямые прямоугольные призмы, которые являются одинаковыми и обеспечивают одинаковые характеристики упругости. В показанном на фиг. 2 и 3 третьем варианте осуществления изобретения длина третьего участка Z, Z, Z практически равна 38% от общей длины трех участков Z, Z, Z, а ширина третьего участка Z, Z, Z практически равна 167% ширины W, W первого и второго участков Z, Z. Более конкретно, увеличение толщины в сторону центра C втулки 5 составляет 50%, а увеличение толщины в сторону внутреннего витка S пружины 3 составляет 117%. Можно заметить также, что между областями максимальной ширины в точках P, P, P контакта с осью A и первым и вторым участками Z, Z ширина третьего участка Z, Z, Z уменьшается по двум различным радиусам, т.е. постепенно, на внутренней и наружной поверхностях каждой стороны треугольника.
32
I
Наконец, из чертежа видно, что на третьем участке Z стороны, расположенной напротив выступа 2, имеется четвертый выступ 6, радиально выступающий в сторону внутреннего витка S и служащий для того, чтобы центр тяжести втулки 5 располагался в геометрическом центре C втулки 5.
1
2
3
1
2
3
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами осуществления, но может быть выполнено и в других вариантах и модификациях, которые будут очевидны для специалистов в данной области. В частности, три рассмотренных варианта осуществления изобретения могут комбинироваться друг с другом в пределах объема изобретения. Так, например, поверхности в точках P, P, P контакта с осью A в первом и третьем вариантах могут быть заменены друг на друга. Таким образом, ясно, что в пределах объема изобретения поверхности в точках P, P, P контакта могут быть плоскими, выпуклыми или вогнутыми.
Кроме того, втулка 5, 25, 45 согласно настоящему изобретению не ограничивается лентой в форме треугольника 7, 27, 47. В настоящем изобретении могут использоваться также многоугольники и других типов.
Балансная пружина 1, 21, 41 может изготовляться с использованием нескольких материалов. Так, в качестве неограничивающего примера, на базовый материал, такой как кремний, может полностью или частично наноситься покрытие, состоящее из термокомпенсированного слоя и/или слоя, стойкого и непроницаемого для влаги, чтобы сделать балансную пружину 1, 21, 41 менее чувствительной к климатическим условиям.
I
Наконец, с целью улучшения хронометрии резонатора, в котором используется данная пружина, балансная пружина 1, 21, 41 может также содержать внутренний виток S, форма которого выполнена по типу кривой Гроссмана, и частично утолщенный внешний виток.