關於旋轉式阻力裝置的改進的製作方法
2023-04-24 18:11:06 2
專利名稱：關於旋轉式阻力裝置的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉式阻力裝置，用於在兩個相對轉動的部件之間提供一種具有選定速度/轉矩特性的聯接器。本發明特別適用於電機/攝像機支架、例如搖動頭和傾斜頭(pan and tilt heads)。
利用摩擦或粘性剪切在兩個相對運動的部件之間產生阻力或阻尼的裝置是眾所周知的。利用摩擦的裝置一般包括一個摩擦離合器，該離合器連接於一個部件且在壓力作用下接觸另一相對運動的部件，從而由所產生的滑動接觸耗散能量。阻尼力的值取決於摩擦接觸壓力且因此易於改變。
摩擦阻尼器的轉矩/速度特性可以改變，方法是通過選擇摩擦材料和/或在摩擦表面上供給流體以提供滑動接觸的邊界潤滑，在這種情況下，隨著速度從靜止位置增加到一初始值，阻尼力會增大，然後阻尼力基本上保持與速度無關的恆量。
粘性阻尼器一般包括多個交替連接於每個相對運動部件的插入板，每個板與各相鄰板分隔開一個由粘性流體所充滿的小間隙。各板的相對運動導致流體中產生粘性剪切。所產生的阻尼力趨向於隨著速度基本上呈線性增加，但在靜止時為零。
阻力/阻尼裝置的一個特別重要的用途是用於攝像機、特別是電視攝像機的搖動頭和傾斜頭中。在這樣的用途中，最好當從靜止開始非常慢的攝像機運動時避免「跳動」，因為在接近零速度時轉矩基本上為零。另一方面，對於高於一定速度的越來越快的攝像機運動，最好阻力矩不隨移動攝像機所需施加力的增加成比例地增大。
美國專利US-A-4955568公開了一種攝像機支架搖動頭和升起頭，它包括流體阻力系統或者能阻抗搖動和傾斜運動，它還包括在其傾斜運動範圍內的任何位置支承攝像機處於平衡的平衡系統。每個流體阻力系統包括固定於旋轉軸的阻力板組件和驅軸式安裝在殼體上且圍繞板組件的周邊設置的阻力弓形組件，以便限定容納粘性流體的空間。可以通過使弓形組件朝向或離開板組件樞軸式轉動來調節所產生的阻尼程度，以改變容納粘性流體的空間。在這個系統中，所提供的阻力將隨著阻力系統各部件的相對轉動速度或多或少地呈線性增大，以致在高速下具有大的阻力。
在例如攝像機支架的應用中，其阻尼裝置的目的是為了提高手動操作的平穩性和可控性，因此希望具有以下特性1.阻尼/速度關係的變化率在高速下應趨向於零，以便能夠實現比較快速地運動而不會產生不合理的限制，同時在低速下能提供足夠的阻尼控制。
2.為了在運動開始時和換向過程中精確控制，該裝置應在靜止時提供零阻尼而在低速下提供高的阻尼/速度的變化率。
我們的英國專利UK 9018312.0描述並示出了一種旋轉阻尼器，它包括兩個串聯的抗轉矩的旋轉阻尼裝置，其中一個旋轉阻尼裝置具有輸入、輸出和粘性流體聯接器，以便對輸入與輸出之間的相對轉動提供阻力矩，當輸入和輸出之間的相對速度為零時，該阻力矩為零，而隨著輸入與輸出之間的相對速度的增加，該阻力矩總體呈線性增大。另一個旋轉阻尼裝置具有輸入、輸出和抗轉矩的摩擦聯接器，該聯接器抵抗輸入和輸出之間的相對運動直到一定轉矩，在高於該轉矩時該摩擦聯接器可以基本上恆定的阻力矩打滑。因此，兩個旋轉阻尼裝置一起提供了相結合的速度/轉矩特性，其中由粘性聯接器產生的阻力矩隨著速度升至一定值，在該阻力矩值下導致摩擦聯接器打滑，之後在更高速下由阻尼器提供的阻力矩基本上保持恆定。
然而，如果單獨的摩擦聯接器和粘性聯接器串聯將會導致一種難於裝入有限空間內的複雜裝置。在攝像機支架內阻力裝置可利用的空間通常是有限的，因此非常希望使阻力裝置儘可能緊湊。
本發明提供了一種具有相對轉動部件的旋轉阻力裝置，其中一個轉動部件具有多個沿圓周安裝於其上的小間隔的薄壁撓性環形板，以便提供環形工作面，粘性流體充填各板之間的空隙；另一個轉動部件具有多個弓形元件，該弓形元件具有與環形板交替插入的部分環形工作面，以便在兩部件相對轉動時在各板之間滑動，還具有當隨著兩部分之間的相對速度增加而使弓形板前面的流體壓力升高時使粘性流體從板之間排放的裝置，環形板的撓性可以使板靠近在一起以適應各板之間的粘性流體的損失，由此當部件的相對速度低時在環形板和弓形板的相對工作面間的粘性阻力之間可以改變裝置的阻尼特性，並且隨著各板之間的粘性流體的損失，當各部件的相對轉動速度較高時可以變為相應各板工作面之間的邊界潤滑。
在本發明的一種設置中，使各板之間的粘性流體排放的裝置包括在環形板中位於其工作面外側的一些孔，以使粘性流體在各板之間軸向流動。
更具體而言，所述孔可包括圍繞環形板位於其工作面外側的間隔開的細長弧形縫隙。
在本發明的一種具體設置中，細長弧形縫隙可包括相互錯開的內組弧形縫隙和外組弧形縫隙，以便在內外縫隙的相應端部之間提供撓性梁構件，從而使環形板的工作面部分相對於板的周邊固定部分軸向運動，由此環形板工作面之間的間隙可隨著各板之間的粘性流體量而發生變化。
在關於上述的任一種設置中，弓形元件可具有使元件的工作面產生有限軸向運動的裝置，以便適應環形板工作面的軸向運動。
例如，在弓形板中使其工作面可軸向運動的裝置可包括位於各板工作面外側的內排環形縫隙和外排環形縫隙，使外排環形縫隙相對於內排環形縫隙交錯排列，以便在縫隙的相應端部之間提供梁式構件，該梁式構件可撓曲以使弓形元件的工作面相對於其相應固定部分產生有限的軸向運動。
在上述任一種設置中，環形板可以圍繞其外周邊安裝在所述裝置的一個部件上，而弓形板安裝在環形板內部的所述另一個部件上。
在上述任一種設置中，還提供了調節弓形元件和環形板的工作面之間的交疊的裝置，以改變所提供的阻尼程度。
更具體而言，弓形元件可以成對安裝以便在相應的各對環形板之間接合。
在提供有調節弓形板和環形板工作面之間交疊的裝置以改變所提供阻尼程度的情況下，該調節裝置可包括用以改變每對弓形板之間的間隙的裝置。
更具體而言，阻力裝置的所述另一部件可包括一個轂和一對弓形板支架，該轂具有與環形板軸線同軸的中心軸線，該對弓形板支架可滑動地安裝在轂上以便朝向和遠離中心軸線移動，所述各對弓形板安裝在板支架的外側，還設置了一驅動機構以調節支架間的間隔並由此調節弓形板和環形板的工作面的交疊程度。
在本發明的一個具體實施方案中，用於調節各固定部件之間隔的機構包括兩平行的細長齒條構件，該齒條構件從相應的板支架伸出穿過所述轂，並且還包括一個轉動的齒輪驅動裝置，該齒輪驅動裝置與齒條嚙合以調整其相應位置。
細長的齒條構件可以彼此滑動嚙合，並可以提供消除各齒條構件之間的任何遊隙或齒隙的裝置。
在後一種設置中，消除齒隙的裝置可包括彈簧加載的夾緊裝置，該夾緊裝置作用在轂和其中一個齒條構件之間，從而通過該轂將各齒條構件夾持在一起。
下面是本發明一些具體實施方案的描述，參考附圖，其中
圖1是一種旋轉粘性阻力裝置的平面圖，該裝置控制電視/攝像機支架的搖動/傾斜運動，該裝置包括一個外殼和一個控制機構，該外殼內裝入了粘性聯接器，該控制機構改變由所述阻力裝置提供的阻尼程度；圖2是所述裝置的前視圖，示出圓形外殼和用於改變聯接器阻尼的旋轉控制鈕；圖3是所述裝置的後視圖；圖4是各部件的正視圖，該部件提供阻力裝置的粘性聯接器，它包括用於聯接器定子的許多環形板以及用於轉子的許多成對弓形板，所示弓形板處於最小阻尼位置；圖5是類似於圖4的視圖，示出弓形板處於其最大阻尼位置；圖6是形成粘性聯接器的內、外板及成對內弓形板疊層的一部分的透視圖；圖7是內弓形板的安裝機構的透視圖，該安裝機構用於調節各板的間隔並包括具有底板的外轂和滑動安裝於底板上的板支架；圖8是類似於圖7的視圖，已將底板從轂上拆除；圖9是圖8所示底板的側視圖；圖10是從底板上拆下的那對板支架的透視圖；圖11是處於最大分離位置的那對板支架的透視圖；圖12是類似於圖11的視圖，板支架處於其最小分離位置；圖13是類似於圖11的視圖，示出作用在一個支架上以減小該裝置齒隙的彈簧力的方向；以及圖14和15示出圖1所示裝置的改進形式。
首先參照附圖中的圖1，示出一具體用於電視/攝像機支架上的旋轉式阻力裝置。兩個這樣的裝置設置在攝像機支架上以分別用於支架的阻尼式搖動和傾斜運動。所示的裝置特別適用於控制傾斜運動。
所述裝置包括一個圓形底板1，其一側具有一封閉的圓殼體2，該殼體內裝有粘性流體聯接器3，該聯接器3包括由安裝在該殼體中的間隔開的環形板疊層5構成的定子4和繞軸線7可旋轉地安裝在底板上的轉子6。該轉子上安裝有間隔開的成對弓形板的疊層8，這些弓形板位於定子內部、使之插入定子的環形板之間，這將在後面詳細描述。
成對弓形板的間隙可以調節以改變它們與環形板之間的交疊程度，從而改變由聯接器所提供的粘性阻尼。用於改變各板之間隙的機構9設置於底板相對於粘性聯接器的相對側。該機構9包括安裝在底板上固定轂10中且支承驅動齒輪11的中心軸。轂的一側具有副殼體12，它栓接於殼體11。軸13安裝在殼體中，齒輪14在該殼體中固定於軸上，而該殼體支承在固定於底板上的座內。殼體具有側向槽15，齒輪11從該槽伸出以嚙合齒輪14。軸13的一端從副殼體座伸出，控制旋鈕16安裝在軸的伸出端部。利用軸的轉動來調節弓形板的方式將在下面描述。
下面參考附圖中的圖4至圖6，這些圖更詳細地示出阻力裝置的旋轉粘性聯接器。聯接器的定子包括薄壁環形撓性金屬板20的疊層，該金屬板20在其外周邊由窄的環形間隔板21間隔開。板20具有螺釘孔22，盤21具有相應的螺釘孔23以安裝貫通的螺釘(未示出)，這些螺釘將層疊的板固定在一起並將該層疊的板固定在殼體中。
每個環形板20在板的每一側具有內環形工作面24，在工作面24以外，該板具有環形帶25，在該環形帶上形成有一組內外弧形縫隙26、27。內組縫隙26相對於外組縫隙對稱交錯排列，以便在相鄰的內外縫隙的端部之間形成弧形梁28。梁28可以撓曲以使板的支承工作面24的內環形部分相對於板的固定外周邊沿軸向撓曲。使板產生撓曲的目的將在下面描述。
聯接器30的轉子包括一對弓形板支架31、32，每個支架支承許多薄壁撓性弓形板33，這些板33由窄間隔板34間隔開。弓形板和間隔板利用螺釘固定到支架上，安裝螺釘的孔以標號35示出。
弓形板33交替插入定子的環形板20之間並具有外環形工作面36以與環形板的工作面24接合。
每個弓形板都具有位於工作面36和板固定部分之間的部分環形帶37，在該部分環形帶中形成有成排的內外縫隙38、39。內縫隙相對於外縫隙對稱交錯排列以便在各縫隙的相應端部之間形成等長度的環形梁40。這種設置使得每個板的外部分相對於其固定部分以類似於上述環形板的撓曲方式沿軸向撓曲。
殼體2內充滿粘性流體以滲入環形板20之間的間隙，以便當轉子在定子中轉動時，在弓形板33和環形板20的相鄰工作面之間形成流體薄膜。所提供的粘性阻力將由弓形板與環形板的交疊程度決定，並且交疊程度可以在圖4所示的最小板接合位置和圖5所示的最大板接合位置之間改變，在最小板接合位置中只有弓形板的頂端交疊，而在最大板接合位置中弓形板的整個工作面都與環形板的工作面接合。弓形板的截面可以朝向其外邊緣逐漸減小以便於當板在最小和最大插入位置間移動時插入各環形板之間。
可以理解，當轉子在定子內旋轉時，在環形板20之間在弓形板的前面將在粘性流體中產生壓力，而在弓形板的後面產生相應的壓力降。弓形板前面的壓力升高將能迫使流體通過縫隙26、27流向疊層的端部，在該端部在疊層和殼體2的側壁之間產生了空穴。在弓形板尾端的後面產生的壓力降導致各板被拉在一起，這是上述環形板中的撓性帶25和弓形板中的類似撓性帶37所允許的。隨著轉子速度增加，越來越多的粘性流體從各板之間噴出直到粘性流體在弓形板和環形板的工作面之間只提供邊界潤滑。在此階段，由聯接器提供的阻力特性從線性特性變為恆阻力，在線性特性中當弓形板和環形板的工作面之間存在一完整的粘性層時，阻尼隨速度成比例地增加，而在恆阻尼下，只在各板的工作面之間存在邊界潤滑。
聯接器轉子中採用的安裝機構用於調整各對弓形板的間隙，下面結合圖9至13對其進行描述。該機構包括外轂，該外轂具有一環形壁41，在該環形壁內安裝了一個總體呈圓柱形的底盤42。板支架31、32滑動式地安裝在底盤內以便相互移近和遠離，如圖10所示，每個板支架具有一從支架背面伸出穿過轂而與另一支架成滑動配合的細長支杆。支杆的鄰接面形成有齒條，齒條彼此相對設置並與軸13上的公共齒輪嚙合。軸13由旋鈕16轉動來通過齒條44在圖12和13所示的最大和最小分離位置之間調整兩支架31、32的間隔。
為了消除支架之間的遊隙，利用彈簧加載杆50將兩支架壓在一起，該杆50在一側具有斜面，該斜面壓靠在位於一個支架的支杆的外側的相應斜面上。杆的另一側壓靠在底盤的相鄰內壁上。另一支架的支杆也具有一壓靠在底盤相鄰斜面上的斜面。彈簧加載杆的作用是為了將支架夾持在一起以消除任何遊隙或齒隙。支承在彈簧上的杆50具有由圖13中箭頭所示的孔，以容納安裝在殼體1底板上的用以接合杆50的彈簧加載螺旋調節器51、52。通過調節螺旋調節器52可以調節彈簧壓力以消除支架中的任何磨損。
可以理解，可以在不脫離本發明範圍的條件下對上述實施方案作出許多改變。例如，所述裝置的控制轉子可以保持靜止，而定子相對於轉子轉動。可以採用這種設置以控制攝像機支架的搖動運動，並且可為機構的控制旋鈕設置錐齒輪驅動機構，從而控制搖動和傾斜的旋鈕可以在攝像機支架上相互並排設置。
而且，環形板和/或弓形板的工作面的阻尼特性可以通過對這些表面進行表面處理/塗層而以邊界潤滑方式得以改進。例如，表面可塗覆一層幹潤滑劑，如聚四氟乙烯(P.T.F.E.)。
優選的是，旋轉式阻力裝置的腔可與大氣密封以防止粘性流體從裝置流失。然而，沒有完全充滿流體的經密封的阻力裝置會由於在相鄰板之間出現了氣泡，減小了交疊板的有效工作面積而導致阻力輸出的損失。
克服這一問題的一種方法是將阻力板浸入粘性流體的密封容積中，初始時將該密封流體排空空氣以確保沒有空氣存在。然而，這一特性的密封裝置需要一種裝置來適應粘性流體隨溫度變化而產生的容積變化。
在本發明的一個具體實施方案中，適應粘性流體隨溫度變化的裝置包括一個浸入粘性流體中且在一個或多個位置通向阻力裝置外部大氣的薄壁氣囊。氣囊的柔性足以在無需貯存足夠能量的條件下改變容積來使粘性流體的壓力發生顯著的變化。
參照圖14，示出圖1所示旋轉阻力裝置的密封型式，它設有薄壁氣囊以適應粘性流體溫度的變化。所述裝置的底板1具有中心圓形凸環形板5並將其固定在端蓋和環之間。
螺釘還將環形板71固定在所述裝置的外殼內。該板的一側和定子環68的相對面上分別形成有部分圓形截面的凹槽72、73以在其間容納一環形薄壁氣囊74，該氣囊經一個或多個孔口通向大氣。
在圖15所示的裝置中，氣囊採取連接於T形件75的薄壁管的形式，T形件通過定子密封環77壁上的孔口76通向大氣，以防止粘性流體進入T形件和氣囊。
權利要求
1.一種具有相對轉動部件的旋轉式阻力裝置，其中一個轉動部件具有多個沿周邊安裝於其上的具有小間隔的薄壁撓性環形板，以提供環形工作面，粘性流體充滿各板之間的空隙，另一個轉動部件具有與環形板交替插入的多個弓形件，弓形件具有局部環形工作面，以便隨著兩部件的相對轉動而在各板之間滑動，該旋轉阻力裝置還具有當弓形板前面的流體壓力隨著兩部件之間的相對速度增大而升高時使粘性流體排放的裝置，環形板的撓性使各板能緊靠在一起以適應粘性流體從各板之間的流失，由此該裝置的阻尼特性在兩部件的低相對速度下可以在環形板和弓形板的相對工作面間的粘性阻力之間產生變化，並且隨著粘性流體從各板之間的流失，在兩部件的較高相對轉速下可以在相應板的工作面之間變為邊界潤滑。
2.一種如權利要求1所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，使粘性流體從各板之間排放的裝置包括位於環形板上在其工作面外側的一些孔，以便粘性流體沿軸向在各板之間流動。
3.一種如權利要求2所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，所述孔包括圍繞環形板在其工作面外側間隔開的細長弧形縫隙。
4.一種如權利要求3所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，細長的弧形縫隙包括彼此相對錯開的內組和外組弧形縫隙，以便在內組和外組縫隙的相應端部之間形成撓性梁式構件，從而使環形板的工作面部分相對於板的周邊固定部分軸向移動而沒有相對轉動，由此各環形板之工作面之間的間隙可以隨著各板之間的粘性流體量而發生變化。
5.一種如前述權利要求中任一項所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，弓形元件具有使其工作面可有限地軸向運動以適應環形板工作面之軸向運動的裝置。
6.一種如權利要求5所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，弓形板中使其工作面產生軸向運動的裝置包括位於板工作面外側的內排和外排環形縫隙，外排縫隙相對於內排縫隙交錯排列以便在縫隙的相應端部之間形成梁式構件，該梁式構件可以撓曲變形以使弓形件的工作面相對於其相應固定部分產生有限的軸向運動。
7.一種如前述權利要求中任一項所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，環形板圍繞其外周邊安裝在所述裝置的所述一個部件上，而弓形板安裝在環形板內部的所述另一個部件上。
8.一種如前述任一項權利要求所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，設置了裝置以調節弓形板和環形板的工作面之間的交疊，以便改變所提供的阻力程度。
9.一種如權利要求8所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，弓形板成對安裝，且每一對弓形板接合在兩個相鄰的環形板之間。
10.一種如權利要求9所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，用於調節弓形板和環形板的工作面之間交疊的裝置包括用於調節每一對弓形板之間隔的裝置。
11.一種如權利要求10所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，所述另一部件包括一個轂和一對弓形板支架，該轂的中心軸線與環形板的軸線同軸，該弓形板支架滑動式地安裝在該轂上以便朝向中心軸線和離開中心軸線運動，所述成對弓形板安裝在板支架的外側，還設置了一個驅動機構以調節支架的間隔並由此調節弓形板和環形板的工作面的交疊程度。
12.一種如權利要求11所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，用於調節支承件間隔的機構包括從相應板支架伸出穿過轂的平行細長齒條件和與齒條嚙合以調節其相應位置的轉動式齒輪驅動機構。
13.一種如權利要求11或12所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，設有裝置以消除各部件和板支架之間的遊隙。
14.一種如權利要求13所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，消除齒隙裝置包括一作用在轂和其中一個齒條件之間的彈簧加載的夾緊裝置，以便將各齒條件通過該轂夾持在一起。
15.一種如前述任一項權利要求所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，環形板和/或弓形板的工作面具有表面處理/塗層，以改善其邊界潤滑形式下的阻力特性。
16.一種如權利要求15所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，工作面具有P.T.F.E.塗層。
17.一種如前述任一項權利要求所述的旋轉式阻力裝置，其特徵在於，密封裝置設置在兩個相對轉動的部件之間以封閉含有環形板和弓形板的空間，以便防止所述粘性流體的流失，並且一個柔性壁的氣囊安裝在此空間內且通向大氣，以適應隨著溫度變化粘性流體產生的膨脹和收縮。
全文摘要
本公開內容涉及一種具有相對轉動部件的旋轉式阻力裝置,其中一個轉動部件(4)具有沿周邊安裝於其上的小間隔的薄壁撓性環形板(20)的疊層(5)以提供環形工作面,且粘性流體充滿各板之間的間隙,另一個轉動部件(6)具有弓形板(33)的疊層(8),弓形板與環形板交替插入且具有部分環形工作面,從而隨著各部件的相對轉動而在各板之間滑動。環形板中的縫隙(26,27)使得當弓形板前面的流體壓力隨各部件間的相對速度增加而升高時粘性流體從各板之間排放。環形板的撓性使得各板靠近在一起以適應粘性流體從各板之間的流失,由此該裝置的阻尼特性在各部件的低相對速度下可以在環形板和弓形板的相對工作面間的粘性阻力之間產生變化,並且隨著粘性流體從各板之間的流失,在各部件的較高的相對轉速下可以在相應板的工作面之間變為邊界潤滑。
文檔編號F16M11/06GK1201512SQ9619816
公開日1998年12月9日 申請日期1996年9月20日 優先權日1995年9月20日
發明者R·A·林賽, R·A·沙耶 申請人:維泰克公開有限公司