書寫時自動補鉛的機械自動鉛筆的製作方法

2023-10-06 12:17:19 2

專利名稱：書寫時自動補鉛的機械自動鉛筆的製作方法
技術領域：
本實用新型總的來說涉及一種機械自動鉛筆，具體地說涉及一種在寫字過程中能自動補鉛的機械自動鉛筆。
普通的推進式鉛筆或自動鉛筆的後部通常設置一個凸出的部分，通過手指按壓它來出鉛。這種鉛筆不太方便，因為每當要向前出鉛時必須重握鉛筆才能送鉛。近來已提出了一種新的鉛筆，當鉛芯由於寫字磨損而與一個穿過鉛芯的鉛芯保護滑套的前端接近平齊時，這時候寫字時滑套和鉛芯會同時與紙面接觸，並且在寫字的壓力下，該滑套相對於鉛芯或鉛筆桿會退縮一個很小的量，並在該壓力消失時，在一個彈簧回復力的作用下該滑套與鉛芯一起伸出，完成一次送鉛操作。歐洲專利申請213275公開了這樣一種自動出鉛的鉛筆。該專利申請被結合到本申請中作為參考文獻。然而，由於這種鉛筆的自動補鉛作用只有在鉛芯與保護滑套的前端接近平齊時發生，因此書寫者在書寫時會感覺到一個更大的阻力，書寫不流暢，而且自動出鉛操作並不可靠，使寫出來的字深淡不均。此外，美國專利4，478，529也提出了一種自動出鉛的自動鉛筆，它並不是在鉛芯接近於與鉛芯保護滑套平齊時才實現自動補鉛的，但也有結構複雜，加工困難等問題。
本實用新型的目的是要提供一種在寫字過程中能自動補鉛的鉛筆。
本實用新型的另一個目的是提供一種結構簡單、易於加工和裝配的自動補鉛式鉛筆。
為了實現本實用新型的自動補鉛的功能，本實用新型的機械自動鉛筆包括有一個單向夾鉛組件，一個對鉛芯施加一定摩擦力的摩擦夾圈，鉛芯穿過所述單向夾鉛組件和摩擦夾圈，摩擦夾圈與所述夾鉛組件之間的一次往復運動會導致一次送鉛操作，本實用新型自動補鉛式鉛筆的特徵在於可在鉛筆桿內滑動的單向夾鉛組件處在一個第一彈簧和一個第二彈簧之間，一起組成一個欠阻尼振動系統，使得夾鉛組件從一個在平衡位置後面的初始位置開始的阻尼自由振動時能使它產生一個超調，即使該夾鉛組件向前移動到超過其原始平衡位置的某個位置，由此實現補鉛操作。所述單向夾鉛組件包括一個鉛芯夾夾緊圓環，它具有一個截頭圓錐形的內表面，一個由對稱二半部分組成的圓柱形鉛芯夾，鉛芯夾二半部分前部外周上有二個放置小鋼珠的凹槽，帶鋼珠的鉛芯夾受到一個彈簧力而使鋼珠被緊靠在所述鉛芯夾夾緊圓環的圓錐形內表面上，由此對鉛芯夾的二半部分產生一個徑向夾緊力，從而形成對鉛芯的單向夾持作用；使鋼珠緊靠在圓錐形內表面上的彈簧力可以是由位於夾鉛組件遷方的第一彈簧產生的；所述鉛芯夾夾緊圓環的外周上可以有幾列例如三列沿圓周均勻分布的鋼珠列，以便通過這些鋼珠與筆桿形成滾動滑動，以減少所述振動系統的阻尼；可以使位於單向夾鉛組件前面的第一彈簧比位於其後的第二彈簧具有更小的彈性；在鉛筆桿內側表面上可以有一個限制夾鉛組件進一步向後滑動的凸臺，從而限制夾鉛組件可能的最大初始位置；所述第二彈簧後面有一個旋在筆桿上的調節環，調整該調節環可以調節鉛芯夾夾緊圓環末端與所說凸臺之間的距離，從而可以調整夾鉛組件可能的最大初始位置，即調整補鉛量；在鉛筆的後部，可以具有一個象普通機械自動鉛筆一樣的用手按壓操縱的送鉛退鉛機構；該送鉛退鉛機構可以包括一個在所述鉛芯夾夾緊圓環後部的一個圓柱環中可以滑動的驅動部件，該驅動部件與該夾緊圓環之間有一個彈簧，當該驅動部件向前移動時，通過該彈簧推動所述夾鉛組件向前滑動，使鉛芯向前送出，當該驅動部件向前移動到一定程度時，接觸並推動所述鉛芯夾的末端，使鉛芯夾相對於該夾緊圓環向前移動，由此鬆開了鋼珠對圓錐形內表面的接觸，使鉛芯夾鬆開對鉛芯的夾持力，從而可以將鉛芯頂回鉛筆中。
本實用新型將物理學上經典的欠阻尼振動系統運用到機械自動鉛筆上，提供了一種結構簡單、零部件少、裝配容易、自動補鉛功能可靠，且能調節補鉛量的自動補鉛式鉛筆。
本實用新型的這些和其它的目的和優點通過
以下結合附圖對本實用新型最佳實施方案的說明將成為顯然。在這些附圖中


圖1是本實用新型自動補鉛式機械自動鉛筆一個具體實施方案的部分縱向剖面圖。
圖2是描述本實用新型自動補鉛原理的一個阻尼振動系統。
圖3是本實用新型自動補鉛式機械自動鉛筆另一個具體實施方案的縱向剖面圖，在該鉛筆後部設置一個用於送鉛退鉛的手動操縱機構。
圖4是本實用新型自動補鉛式機械自動鉛筆的一個橫向剖面圖，顯示了由三列滾珠形成夾緊圓環與鉛筆外殼之間的滾動滑動接觸，以減小摩擦阻尼。
圖5是本實用新型自動補鉛式機械自動鉛筆的一個部分縱向剖面圖，顯示了由位於夾鉛組件前面的第一彈簧使夾鉛組件中的鋼珠與夾緊圓環的圓錐形內表面緊靠。
現在參照附
圖1，本實用新型的鉛筆包括一個總的呈圓柱形的鉛筆外殼1，由一個前段1a和一個後段1b組成，前段和後段可由螺紋旋在一起，前段1a的前端是一個基本呈圓錐形的筆頭部分1c；一個讓鉛芯穿過並對它產生一定摩擦力的摩擦夾圈3被安裝在筆頭部分1c上，或者如圖3所示，該摩擦夾圈3可以被安裝在一個鉛芯保護滑套2上，該鉛芯保護滑套2被放置在筆頭部分1c的相應的槽中；一個可在外殼前段1a中滑動的單向夾鉛組件4，該單向夾鉛組件包括一個鉛芯夾夾緊圓環6，它有一個呈截頭圓錐形的內表面6a，一個由對稱二半部分7a，7b組成的圓柱形鉛芯夾7，鉛芯夾7二半部分的前部外周上各有一個放置鋼珠8的凹槽，鉛芯夾7的末端有一個凸緣7c，在該凸緣7c與鉛芯夾夾緊圓環之間有一個彈簧9，用於將鋼珠8緊靠在所述內表面6a上；當鉛芯夾中的鉛芯受到一個向後退縮的力時，此力使鋼珠更加緊靠內表面6a，結果是鋼珠8對鉛芯夾的二半部分7a，7b產生一個更大的壓緊力，使鉛芯夾更加夾緊鉛芯，鉛芯不能退回去；當鉛芯受到一個向前的拉力時，由於該力趨於使鋼珠8與內表面6a脫開，結果鬆開鋼珠對鉛芯夾的徑向壓緊力，由此鉛芯夾鬆開對鉛芯的夾持力，使鉛芯能從鉛芯夾中向前抽出，因此起到了對鉛芯的單向夾持作用。所述夾鉛組件處於它前面的一個第一彈簧10和後面的一個第二彈簧11之間，鉛筆外殼前段1a內側有一個凸臺1d，該凸臺1d與鉛芯夾夾緊圓環末端6b之間的間隔決定了該夾緊圓環(因而即整個夾鉛組件)可能的最大後退距離，調整一個調節環12可以調整該最大後退距離。
現在參照圖2說明本實用新型自動補鉛的原理圖中彈簧1和2以及質量m和摩擦係數μ組成一個二階振動系統。該系統的微分方程式是m (d2x)/(dt2) ＋μ (dx)/(dt) ＋kx＝0 (1)其中x是質量m沿x方向的位移，k＝k1＋k2，k1，k2分別是彈簧1和2的彈性係數，即對彈簧1和2而言，分別有F1＝k1x，F2＝k2x 方程式(1)可寫成(d2)/(dt2) ＋2δ (dx)/(dt) ＋ω2x＝0其中δ＝ (μ)/(2m) ，ω2＝ (k)/(m)為了使系統有振動存在應滿足o2－ω2＜0 (2)即應滿足k＞ (μ2)/2 。若初始條件為x｜t＝0＝x0， (dx)/(dt) ｜t＝0＝0，則其解為
x(t)＝e－αt〔x0cosβt＋ (αx0)/(β) sinβt〕 (3)或 x(t)＝x0
e－αtcos〔βt＋tg－1(－α)/(β) 〕 (4)
質量m從平衡位置後面x0距離開始的阻尼自由振動第一次超過平衡點到達平衡點前面的最大位移(或稱超調量)約等於x=x0e-2m=x0e-22m(2k-2)---(5)]]>從上式可見k愈大，m愈大，μ愈小則超過平衡點的位移也愈大，例如當k＝1200克／釐米，m＝10克，μ＝30克·釐米／秒時，得出x( (π)/(β) )＝0.66x0實際鉛筆中由彈簧10和11以及單向夾鉛組件組成的阻尼振動系統與圖2所示的系統還有些差別，由於鉛筆使用時是傾斜的，質量m的重量對阻尼自由振蕩會產生附加的影響，但只要選擇足夠的彈簧彈性係數，就會形成一個欠阻尼的振動系統，並會產生一個有超調量的阻尼自由振動，能夠實現寫字時的自動補鉛作用。
圖1的自動送鉛式鉛筆不帶手操縱的送鉛退鉛機構。使用時，從鉛筆外殼前段1a的後端將鉛芯插入鉛芯夾，由於單向夾鉛組件的單向夾鉛作用，可將鉛芯向前推進，直到伸出筆頭2mm左右為止，旋上後段1b。書寫時，由於寫字的壓力對鉛芯A旋加了一個向後的力，如前所述，這個力使鉛芯夾更加夾緊鉛芯，並通過鉛芯夾和鋼珠傳給鉛芯夾夾緊圓環6，使夾緊圓環6在該力作用下克服彈簧11的彈力向後退，直至夾緊圓環的末端6b頂住凸臺1d為止，在寫字過程中，筆對紙面的壓力時有時無，當所述的後退力消失時，如參照圖2時所描述的那樣，夾鉛組件與二個彈簧組成的阻尼振動系統從平衡點後面的這個初始位置開始作有超調的阻尼自由振動，使夾鉛組件從該初始位置向前移動到超過平衡點一個距離的某個位置上，在此期間，夾緊圓環6的向前運動使鋼珠對鉛芯夾產生一個徑向夾緊力，從而使鉛芯夾更加夾緊鉛芯A，所以鉛芯A克服摩擦夾圈的夾力隨夾鉛組件一起向前送出一個距離；當夾鉛組件6從平衡點前方的超調位置向後退時，這時由於鋼珠與夾緊圓環錐形內表面6a趨於脫開，所以鉛芯夾鬆開了對鉛芯A的夾持力，摩擦夾圈夾住了鉛芯，使鉛芯A不能隨夾鉛組件一起後退。由此實現了寫字過程中的自動補鉛作用。欠阻尼自由振動的超調量相當於一次補鉛動作的補鉛量。為了能產生有超調的阻尼振動，必須滿足欠阻件的條件，即式(2)，為此要選擇具有足夠彈性係數的彈簧和減小摩擦阻尼。
調節一個螺紋調節圈12可以調節鉛芯夾夾緊圓環末端6b與凸臺1d之間的距離，該距離最好小於2毫米，小於1毫米更好。該距離即為式(5)中的初始位移量x0，由式(5)可知，調節初始位移量x0可以改變超調量，即調節了每次補鉛操作的補鉛量。
本實用新型的鉛筆也可以在鉛筆的後部設置一個用手操縱的送鉛退鉛機構，如圖3所示，該機構包括一個驅動部件13，該驅動部件可滑動地安裝在鉛芯夾夾緊圓環後部的一個圓柱環6c中，驅動部件13後部是一細長的空芯圓柱體13b，其中可以貯存鉛芯，驅動部件13與鉛芯夾夾緊圓環6之間設置彈簧14，以便當驅動部件向前推動時通過彈簧14先將夾鉛組件4向前推，使鉛芯向前送出，之後由於驅動部件接觸並向前推動鉛芯夾7的末端，使鋼珠與內表面6a脫開，由此鬆開了鉛芯夾對鉛芯的夾持力，可以將鉛芯頂回鉛筆。夾緊圓環6的末端可以有端蓋6d。鉛筆外殼後部的凸起15保證驅動部件的後部13b處於筆桿的中間，為了減小該振動系統的阻尼，該凸起15與空芯圓柱體13b的接觸面應儘量小，同時按壓部件16也只有在按壓時才接觸並壓動驅動部件，以減小摩擦阻尼。
如圖4所示，為了減少鉛芯夾夾緊圓環與鉛筆外殼之間的摩擦阻尼，沿該圓環6的外周上可均勻設置例如3列縱向的滾珠，每列例如由前後二粒滾珠組成，使得夾緊圓環6與外殼前段1a之間的接觸面積顯著減少，並引入滾動的因素減小摩擦力，以減小所述振動系統的阻尼、參照圖5，本實用新型的自動補鉛式機械自動鉛筆可以採用一個彈簧7，它既用作振動系統的第一彈簧，同時又起將夾鉛組件4的鋼珠緊靠在夾緊圓環內表面6a上的作用。
權利要求1.一種機械自動鉛筆，包括一個單向夾鉛組件，一個對鉛芯施加一定摩擦力的摩擦夾圈，鉛芯穿過所述單向夾鉛組件和摩擦夾圈，摩擦夾圈與所述夾鉛組件之間的一次往復運動導致一次送鉛操作，該自動鉛筆的特徵在於所述單向夾鉛組件可在筆桿內滑動，並處於一個在它前面的第一彈簧和一個在它後面的第二彈簧之間，所述夾鉛組件和所述的第一和第二彈簧以及所存在的阻尼一起構成一個欠阻尼振動系統，從而該使單向夾鉛組件從一個在平衡位置後面的初始位置開始的阻尼自由振蕩能使它產生一個超調，即使該夾鉛組件向前移動到超過其平衡位置的某個位置，由此實現補鉛操作。
2.如權利要求1所述的自動鉛筆，其特徵在於所述單向夾鉛組件包括一個鉛芯夾夾緊圓環，它具有一個截頭圓錐形的內表面，一個由對稱二半部分組成的圓柱形鉛芯夾，該鉛芯夾二半部分的前部外周面上有二個放置小球珠的凹槽，帶鋼珠的鉛芯夾受到一個彈簧力而使鋼珠被緊靠在所述鉛芯夾夾緊圓環的所述圓錐形內表面上，由此鋼珠對鉛芯夾的二半部分產生一個徑向夾緊力，從而形成對鉛芯的單向夾持作用。
3.如權利要求2所述的自動鉛筆，其特徵在於使鋼珠靠在所述圓錐形內表面上的彈簧力是由所述第一彈簧產生的。
4.如權利要求2所述的自動鉛筆，其特徵在於所述鉛芯夾後端有一個凸緣，在所述凸緣與所述鉛芯夾夾緊圓環之間有一個彈簧，由它產生一個使鋼珠緊靠在所述圓錐形內表面上的彈簧力。
5.如權利要求1、2、3或4所述的自動鉛筆，其特徵在於所述鉛芯夾夾緊圓環的外周上有多列沿圓周均勻分布的縱向滾珠列，以便只由這些滾珠與鉛筆桿內側面接觸，減少所述振動系統的阻尼。
6.如權利要求1、2、3或4所述的自動鉛筆，其特徵在於鉛筆桿內有一個限制夾鉛組件進一步向後滑動的凸臺，使所述夾鉛組件只能向後滑動一個預定的距離。
7.如權利要求6所述的自動鉛筆，其特徵在於所述第二彈簧的後面有一個螺紋旋在筆桿內的調節環，通過壓縮彈簧來調節所述夾鉛組件能夠向後滑動的預定距離。
8.如權利要求7所述的自動鉛筆，其特徵在於位於單向夾鉛組件前面的第一彈簧比位於其後面的第二彈簧具有更小的彈性。
9.如權利要求7所述的自動鉛筆，其特徵在於該鉛筆的末端有一個用手操縱的送鉛退鉛機構。
10.如權利要求9所述的自動鉛筆，其特徵在於所述的送鉛退鉛機構包括一個在所述鉛芯夾夾緊圓環後部的一個圓柱環中可以滑動的驅動部件，該驅動部件與所述夾緊圓環之間有一個彈簧，當驅動該驅動部件向前移動時，它通過該彈簧推動所述夾鉛組件向前滑動，使鉛芯向前送出，當該驅動部件向前移動到一定範圍時，接觸並推動所述鉛芯夾的末端，使它相對於夾緊圓環向前移動，由此鬆開了鋼珠與所述圓錐形內表面的接觸，使鉛芯夾鬆開對鉛芯的夾持力，從而可以將鉛芯頂回鉛筆。
專利摘要公開了一種在寫字時能自動補鉛的機械自動鉛筆，它利用了物理學中經典的欠阻尼彈簧振動系統，使得該系統從某一初始位置開始產生一個帶超調的阻尼自由振動。所述振動系統由一個單向夾鉛組件和位於它前面和後面的一個第一彈簧和一個第二彈簧及摩擦阻尼構成。適當選擇彈簧的彈性和減少阻尼使其構成一個欠阻尼的振動系統，至使鉛筆在寫字的壓力下先使單向夾鉛組件後退到一個初始位置，然後在該壓力釋放時產生阻尼自由振動使該夾鉛組件產生超調，即向前移動到超過其平衡點的前方位置，從而實現了自動補鉛功能。
文檔編號B43K21/00GK2125503SQ92222790
公開日1992年12月23日 申請日期1992年5月28日 優先權日1992年5月28日
發明者陸興衛 申請人:陸興衛