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影响摆杆机构运动周期的因素及措施 |
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作者：陈文华 柴新 |
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摘要：讨论了影响音乐节拍器摆杆运动周期的主要因素，提出了减少周期误差、提高节拍准确性的措施。
关键词：摆杆机构；运动周期；影响因素；措施
1前言
近年来，随着音乐、乐器爱好者的增加，对乐器演奏的配套产品——音乐节拍器的需求也增大，市场前景看好，其机芯的主要技术指标如下：
(1) 节拍：40～208拍／min、39级；
(2) 节拍误差：≤±3%／min；
(3) 走时：＞12min；
(4) 摆幅：＞±30°；
(5) 偏摆：＜5°。
上述要求中最主要的是“节拍”和“节拍误差”两项。对“节拍误差”还有一个具体要求：39级节拍的误差应同步。就是说如果一只机芯在“40节拍”档上快1%（即实测：40.4节拍），那么在其他38级节拍档上最好也快1%（如在“208节拍”档实测：210.8节拍）。由于音乐节拍器工作时节拍的快慢和误差的大小完全取决于摆杆的运动周期，因此找出影响摆杆运动周期的主要因素，采取相应的措施以减少运动周期的误差就显得非常重要。
1 摆杆运动周期
摆杆系统的结构,如图1所示。
图1
1.1摆杆的运动
音乐节拍器采用发条作为动力源，通过二级齿轮增速传动将力矩传递到推动轮，由推动轮上的推动柱推动摆杆上的被动柱，使摆获得推动力向左、右摆动。
1.2节拍的调节
在摆杆的背面有39条刻线。调节器可在杆上上、下移动，调节器上有一定位弹簧片，簧片头部能卡住杆上每一条刻线，卡住不同的刻线则摆杆就以不同的节拍摆动。调节器上移时节拍数减少，下移时则增大。
1.3摆杆运动周期
虽然音乐节拍器中摆杆是受周期性的作用而运动的，但由于发条通过齿轮施加到摆杆上周期性的作用实际上受摆杆运动所控制，即摆每摆动一个来回就释放推动轮动作一次，使发条以脉冲的形式供给能量推动摆杆运动。因此，摆杆的运动实际上为自激振动[1]。
自振动的振动频率基本取决于（或接近于）系统的固有频率[2]，所以在分析音乐节拍器摆杆运动周期时可按自由振动考虑，并略去阻尼的影响。
如图1所示，设摆杆系统的重量为mg，绕定轴O转动的转动惯量为J，重心C到O点的距离为l，φ为摆杆的转角，摆杆的振幅为Φ，则摆杆运动的微分方程为：
由文献[2]可知，摆杆的振动周期为：
经积分后上式可化为
式中
由式(2)可知，摆杆运动周期还受到系统振幅的影响，振幅Φ越大，其周期也越大，而对于自激振动来讲，其振幅的大小又取决于系统的参数，例如外力的大小、摆杆的质量、转动惯量、重心位置等等。因此式(2)只能作为分析摆杆运动周期的参考公式，用以进行定性分析。
从以上理论分析推导结果可知影响摆杆运动周期的主要因素为：(1) 传动力矩；(2) 摆杆系统的质量；(3) 调节器、配重的位置。
2影响摆杆运动周期主要因素的分析
2.1传动力矩
2.1.1发条力矩
发条应有足够的力矩，并要求发条在工作时的瞬时力矩输出波动小，以减小由于摆杆摆幅变化而引起运动周期的变化。节拍器发条工作圈数约为8圈，在工作圈数内要求发条工作力矩落差小，即发条输出力矩稳定。采用钟表发条加工工艺及质量控制基本能达到要求。
2.1.2齿轮传动
齿轮传动要求灵活、传递力矩平稳、传动效率高，并且对制造误差不敏感。采用仪表圆弧齿形、选用合理的齿形参数和加工工艺能满足齿轮传动的要求。
2.1.3推动轮与摆杆（擒纵机构）的啮合位置
推动轮与摆杆的啮合位置（包括深浅、左右、前后位置和推动角）将直接影响推动摆杆运动的力矩大小，即对摆杆运动周期有直接的影响。
2.2摆杆系统的质量
2.2.1调节器的质量
经分析和试验可知：调节器质量误差在慢节拍位置对节拍的影响较大，在快节拍位置对节拍的影响较小。例如在“40节拍”位置上，调节器质量误差0.02～0.03就会产生1个节拍数的变化。
2.2.2杆的质量
经分析和试验可知：杆的质量变化对摆杆运动周期即节拍影响较大，特别是在快节拍位置。
2.2.3配重的质量
在配重的位置准确的前提下，其质量变化对慢节拍影响较大，但可通过增减其质量的方法来达到节拍要求。
2.3调节器、配重的位置
2.3.1杆各刻度离转轴中心的位置
因每一刻度对应一个节拍数，刻线位置的误差必然会影响节拍大小。以刻线39～38为例：高度差Δh39～38=1mm、节拍数差ΔP39～38=42-40=2，若刻线位置误差为0.1mm，那么节拍误差为0.2。
2.3.2调节器定位位置
如果摆杆刻线位置误差达到设计要求，但调节器定位有误差也会引起节拍误差，情况如2.3.1节所分析。
2.3.3配重位置
配重位置有误差，在达到节拍要求的情况下，其转动惯量会起变化，那么摆杆系统的转动惯量也会起变化，这样会影响节拍误差的同步和摆杆摆动时的摆幅。
综上所述在生产中影响摆杆运动周期的主要因素为：(1) 推动轮与摆杆的合位置；(2) 调节器、杆的质量；(3) 调节器、配重的位置。
3措施
(1) 严格控制推动轮与摆杆的啮合位置误差。检时采用专用卡板或量棒测量。
(2) 因调节器部件由调节座、簧片、铆钉组成，所以主要应控制调节座的质量，使之达到一定误差要求范围以内。对杆的质量可通过控制杆材料的厚度误差达到要求。
(3) 要使调节器工作位置准确须通过二方面做到：①在加工杆上刻线时定位要准，误差要尽可能小；②调节器簧片起定位作用的头部尺寸及形状要达到设计要求。
对配重位置，只要压铸配重的模具位置准确一般就能达到要求。
作者单位：浙江大学(杭州 310027)陈文华
山东烟台东方电子系统研究所(山东烟台 264000)柴新
参考文献
1南京工学院等.理论力学（下册）.北京：人民教育出版社，1979.
2程耀东.机械振动学（非线性系统、弹性体）.杭州：浙江大学出版社，1990.(end)
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(1/7/2007) |
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