专利名称：直线力传动装置和或与其相关的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及力的传动装置并且特别适用于，尽管不只限于直线力传动装置，该装置适合用于支撑由诸如柱体或力臂的可直线伸缩部件携带的载荷。
在电影摄影学和电视领域中，普通的做法是为摄影机提供一个活动机架，它具有一个有两个或更多连接级的可竖直伸缩的支柱并带有气压支杆用来在摄影机的整个行程中，至少部分地平衡摄影机对支柱的载荷。某些装置上具有夹持器，以便在任意需要的竖直调整位置将支柱锁定，以防止当摄像机没有被操作者支撑时而出现上下移动。然而锁定摄像机位置的额外操作是不希望有的，而且一直存在一种需求，在摄像机整个行程中，支柱可在任意调整位置上固定并可在无人照顾的情况下保持在此位置，从而无需锁定装置。应当理解，当气压支杆延伸时，支杆中的压缩气体体积增大而压力下降，从而从支杆可获得的力就减小。为使支杆中的压力损失达到最小，设计了一种装置，其中支杆与一个单独的压缩气体罐相连，气体罐足够大以确保由支杆延伸引起的体积变化相对于支杆和气体罐的总体积较小，这样气体压力的减小就相对较小，因而所施加力的衰减就相对较小。该装置的缺点在于必需在机架上安装一个相对笨重的气体罐。在要求装置越来越紧凑的需求条件下，这就变得很不利。
在进一步的结构中，支杆的推杆在其长度方向上呈锥形并通过一个可径向伸缩的垫圈进行工作，这样推杆影响的区域随着垫圈的膨胀和收缩而增大和减小。结果，推杆气体压力所作用的区域就增大和减小，推杆产生的力也同样增减。然而很难制造一种适应锥形推杆的垫圈，特别是适于长期可靠地使用。而且，尽管这种装置可以满足两级支柱，但要为三级或四级支柱提供能适应所需锥度角的有效密封，垫圈的设计和材料都将是个大问题。因此，急需找到一种解决该问题的替代方法。
本发明提供了一种用于向活动部件施力的直线传动装置，它包括一可伸缩的气动支杆，用于提供随支杆延伸而变化的力。当支杆完全收缩时力达到最大值，当支杆完全延伸时力达到最小值，还包括用于将由气动支杆产生的力传递给一部件的装置，该部件的机械利益随支杆延伸而增加并随支杆收缩而减小，以对支杆产生的变化力进行补偿，从而在支杆整个延伸/收缩过程中向部件施加大致恒定的力，力的传递装置包括一个变半径的平面驱动轮，装在支杆上进行旋转，一个绕着轮延伸的柔性传动零件，它与轮圆周的一部分正传动连接，该零件的一端与距驱动轮一定距离的一个单独的锚座相连，另一端适于向所述活动部件施力，这样的设计使得在支杆运动的整个范围内驱动轮最多旋转半圈，而且轮子的变半径对支杆变化的推力进行了补偿，以向活动部件施加基本恒定的力。
在根据本发明的一个装置中，驱动轮可以是圆形并可相对于其几何中心做偏心转动，以形成变半径的圆周，所述柔性零件与该圆周啮合。
在另一替代的优选装置中，整个轮子的半径是变化的，这样工作速度的轴向分量与支杆速度之比等于支杆力与平衡所需载荷力之比。
在上述任一装置中，柔性传动零件可以是链子，而变半径驱动轮为齿形链轮，链子与其啮合。
根据上述任一装置，本发明还提供了一个可直线伸缩部件，用于支撑具有直线传动装置的载荷，以便在部件延伸/收缩的整个过程中提供基本恒定的力以支撑其上的载荷。
例如，伸缩部件可以有多个相互连接级以便一起伸缩，所述直线传动装置作用于伸缩部件，使其随着传动装置的气动支杆的伸缩而伸缩。
在后一装置中，直线传动装置的柔性传动零件可以与伸缩部件的其中一级相连，以将力从气动支杆传向伸缩部件。
可伸缩部件可以是垂直支柱的形式，包括多级，支柱的底部级固定在基座上，一个第一移动级支承着所述轮子，支柱的一个上部级用于支撑有效负载，所述气动支杆安装在基座上，而柔性传动零件一端锚接在基座上，另一端锚接在所述上部级上，以便以基本恒定的力作用在支柱上，使支柱进行伸缩，并在其整个延伸/收缩范围内保持支撑有效负载的支柱的平衡。
在后一情况下，所述多个传动装置可以围绕伸缩部件上轴线相间设置。
优选地，绕该部件纵向轴线相间设置三个变传动比传动装置。
在一对或每一对相应级之间可以设置一个或多个一对一传动连接，这样各级的延伸和收缩相互保持一致。
更确切地说，一个或每一个一对一传动连接可以包括一个安装用于向一级的上端旋转的轮子，以及一个柔性零件，其一端与下面一级的下端相连，它延伸绕过滑轮并向下与上面一级的下端处的锚座相连，以在多级之间传递运动。
下面是对本发明一些具体实施例的描述，参见附图，其中
图1是根据本发明的竖直工作直线传动装置在收缩情况下的示意图；图2是与图1相似的视图，它表示直线传动装置的延伸情况；图3是体现根据图1和2制造的直线传动装置的，支撑着电视或电影摄影机的多级可伸缩支柱的正视图；图4是体现本发明的直线力传动装置的，支撑着电视或电影摄影机的可竖直伸缩支柱原型的透视图；图5是图4的支柱下部的详细视图；图6是图5的支柱上部的详细视图；图7是与图4相似的视图，它表示支柱的最终形式；图8是直线传动装置的受力示意图；图9表示直线传动装置的链轮的改进形式。
首先参照附图中的图1和2，其中表示出了用于支撑电影或电视摄影机的多级可伸缩支柱所使用的竖直工作直线传动装置。代表着多级支柱及其摄影机有效负载的重量的载荷在数字10处表示，大致用11表示的竖直延伸的气动支杆安装在基座12上。气动支杆包括气缸13，活塞14以及在气缸上端伸出端壁16的活塞连杆15。气缸的下端与未示出的压缩气体密封罐相连。
从气缸端部伸出的活塞连杆15的端部带有一又架18，其上装有一枢销19。一个大致为圆形的盘体20在稍稍偏离其几何中心处安装到枢销上，以便在偏移中心和盘体圆周21之间产生变化的旋转半径，其目的将在下面说明。
代表可伸缩支柱及其摄像机有效负载的向下力的重量10由系链22悬挂，系链延伸绕过盘体20连接到基座上气缸11附近的锚座23上。
应当理解，当气动支杆11竖直延伸以使支柱竖直延伸时，气缸13中的气体压力将从最大值向最小值下降，当气动支杆如图1所示完全收缩时气体压力达到最大值，当气动支杆如图2所示完全延伸时气体压力达到最小值。当支杆延伸时，支杆中的气体压力将随着气缸剩余气体体积膨胀而下降，从而使支杆产生的力下降。
支杆向重量10施加的有效力由盘体20在系链与盘体啮合处的有效半径决定。当支杆如图2所示完全收缩时，盘体被设计成提供最大半径，由尺寸24表示，以在支杆和重量之间提供最小机械利益。随着支杆11延伸，盘体20的有效半径20下降(由盘体偏心回转导致)至最小，此时支杆如图2中的25所示完全延伸，从而提供最大机械利益。适当选择盘体尺寸，以使其在支杆的完全延伸和完全收缩位置之间提供小于半圈的转动。
如上所示，盘体20为大致圆形，也就是说它具有与偏心圆很近似的曲线轮廓，但实际所使用的沿盘体周长延伸的轮廓是经数学方法得出的，以便为支杆产生的变化力提供真实补偿从而产生恒定的力。因而，随着支杆延伸由气动支杆产生的力的变小就被作用在系链处的盘体有效半径的减少所产生的机械利益完全补偿，同样地，由支杆产生的力随其收缩而增加被作用于系链处的盘体有效半径的增加所补偿。结果，在支杆整个的延伸/收缩范围内，作用于重量10的净力值基本恒定。
将该装置应用于支撑诸如电视或电影摄影机之类的有效负载的竖直延伸支柱，并用来支撑支柱和摄像机的重量时，在支柱的整个运动范围内就可获得基本恒定的力。因而，摄像机可以设置在任意所需高度并始终可以很好地由气动支杆和盘体/系链传动进行平衡。
现在参见附图中的图3，其中以侧视图示出了电视或电影摄影机机架的多级可伸缩支柱，总体用30表示。该支柱在其下端具有基座31，上端有安装板29，适于安放并支撑摄影机。支柱包括安装在基座31上的最下固定级32以及四个伸缩级33，34，35和36，平台32与最上级36相连。每一级都通过它下面一级中的上下两对轴承组进行支撑，轴承组用37和38表示，在32，33，34，35中每一级周围都均布着三组或四组这样的轴承组，用来接收并支撑各自上面的一级。
在最上级36和其下一级35之间，沿支柱在间隔位置有三个或四个一对一的链/链轮传动连接。每个传动连接包括一个齿形链轮40，可旋转地安装在级35上，链41一端与级36下端相连，并向上延伸绕过链轮40再向下至级34下端的锚座(未示出)。因而，当摄影机的操作者按需要升高或降低平台32时。上部级36将与平台32一起运动并将相应的运动传递给下面一级35。同样地，在级35和其下的二级34和33之间也存在三个或四个一对一的链轮和链传动连接，而且相同的部件用相同的参考数字表示。
在级34，33和32之间也有三个或四个链轮/链传动连接，但这时它们是基于图1和2所示装置的原理的改进型。链轮用42表示并在42处安装到级33的上部。链轮周边轮廓是用来如前所述地在链轮的周边提供变化的半径。链43一端固定在锚座44处而与级34的下端相连，另一端在基座31底部与锚座45相连。气压支杆46不是如图1和2那样直接作用于支撑链轮的枢销上，而是链轮46作用于级33上，但出于实际考虑，设计功能与图1和2相同。因而，随着支杆延伸而将级33撑出固定级32，链轮42的变化轮廓增加了机械利益以补偿随着支杆延伸其推杆而在支杆内出现的气压下降，这样支杆就可以施加基本恒定的力。
将下部级33提起就通过各级之间所安装的一对一的传动连接将上面的各级34，35，36一起提起，这样支柱就能做为一个整体进行伸缩。通过在支柱整个伸缩范围内有效地提供支撑支柱的恒定的力，平台可以在运动过程中被操作者移动到任何位置，而且即使无人照看，它也会保持在其原来位置而不会向上或向下移动。
图4，5，6表示出了体现上述原理的原型支柱。主要的区别在于支柱截面大致为三角形，并且具有三个外部气动支杆50而不是一个单独的中心支杆，并在每一对级之间具有三组链/链轮传动连接。偏心链轮由42表示，其传动链用43表示。
图7是图4至6中以原型形式表示的支柱的最终形式的透视图，而且相同部件用相同的参考数字表示。
在前述说明中曾指出，盘体的实际轮廓与偏心圆的轮廓十分相似，但是实际所使用的轮廓是由数学方法得出的，用以对由支杆施加的变化力进行补偿以产生恒定的输出。现在参考附图中的图8对数学分析进行总结。
为达到支柱在其整个移动范围内能保持平衡，在恒载荷点处能量变化的速率必须等于推杆能量变化的速率。
以下将使用下列术语F＝恒定平衡力
VF＝载荷速度的轴向分量R＝冲压力VR＝冲压速度a和b是链轮与链接触点的瞬时半径。
因而对于连续平衡，F×VF＝R×VR。
因此，VFVR≡RF]]>
是a和b的函数。
已知，这样就可确定a和b。
可以假设“a”值，因此可以计算出“b”值，即盘体或链轮轮廓的变化半径。
图9示出了具有以上述方法产生的轮廓的链轮40。
权利要求
1.一种用于向一活动部件施力的直线传动装置，它包括一可伸缩气动支杆，用于提供随支杆延伸而从最大值向最小值变化的力，当支杆完全收缩时力达到最大值，当支杆完全伸展时力达到最小值，还包括用于将气动支杆产生的力向一部件传递的装置，该部件的机械利益随支杆延伸而增加并随其收缩而降低，用来补偿由支杆产生的变化力，从而在支杆整个延伸/收缩范围内向部件施加基本恒定的力，力的传递装置包括一安装在支杆上进行旋转的具有变化半径的平面驱动轮以及在该轮周边延伸并与其一部分具有正传动连接的一个柔性传动零件，该零件一端与一距驱动轮有一段距离的单独的锚座相连，另一端用于向所述活动部件施力，该设计使得在支杆整个运动过程中，驱动轮最多旋转大约半圈，而且轮的变化半径可补偿支杆推力的变化，以便向活动部件施加基本恒定的力。
2.一种如权利要求1所述的直线传动装置，其中轮子为圆形并被安装用来相对于其几何中心做偏心旋转，以形成有变化半径的圆周，所述柔性零件与该圆周啮合。
3.一种如权利要求2所述的直线传动装置，其中轮子的半径围绕轮子而变化，使得载荷速度轴向分量与支杆速度之比等于支杆力与平衡所需载荷力之比。
4.一种如权利要求1至3中任一所述的直线传动装置，其中的柔性传动零件是链，具有变化半径的驱动轮是与链啮合的齿形链轮。
5.一种可直线伸缩的部件，用于支撑具有如任一前述权利要求所述直线传动装置的载荷，以便在该部件整个延伸/收缩范围内提供一基本恒定的力，以支撑其上的载荷。
6.一种如权利要求5所述的可直线伸缩部件，包括一伸缩部件，它具有多个相互连接并一起伸缩的级，所述直线传动装置作用于伸缩部件上，以使该部件随着传动装置气动支杆伸缩而进行伸缩。
7.一种如权利要求6所述的可直线伸缩部件，其中直线传动装置的柔性传动零件与伸缩部件的其中一级相连，用来将力从气动支杆向伸缩部件传递。
8.一种如权利要求7所述的可直线伸缩部件，为竖直支柱的形式，包括多级，支柱的底部一级固定在基座上，第一活动级用于支承所述轮子，支柱的上部一级用于支承有效负载，所述气动支杆安装在基座上，柔性传动零件一端与基座锚接，另一端与所述上部级相连，以使支柱延伸和收缩时有基本恒定的力作用于其上，以便在其整个延伸/收缩范围内使支撑有效负载的支柱保持平衡。
9.一种如权利要求8所述的可直线伸缩部件，其中所述多个传动装置绕伸缩部件轴线相间设置。
10.一种如权利要求9所述的可直线伸缩部件，其中三个变速比传动装置绕伸缩部件纵向轴线相间设置。
11.一种如权利要求6至10所述的可直线伸缩部件，其中在一对或每一对级之间装有一个或多个一对一的传动连接，以便各级相互之间一起延伸和收缩。
12.一种如权利要求11所述的可直线伸缩部件，其中的一个或每一个一对一的传动连接包括一个安装用来向一级上端旋转的轮子以及一个柔性零件，其一端与下面一级的下端锚接，并延伸绕过滑轮再向下与上面一级的下端处的锚座相连，用以在相应各级之间传递运动。
全文摘要
该公开内容涉及一种用于支撑电影或电视摄影机的多级可伸缩支柱的竖直工作直线传动装置。一个代表着由多级支柱和摄像机产生的重量的载荷用10表示,竖直延伸气动支杆用11表示,基座用12表示。支杆的活塞连杆15支承着在偏离其几何中心位置安装到枢销上的可转动盘体,用来在偏移中心和盘体周边21之间提供变化的转动半径。一系链22延伸绕过盘体并在一端与基座上的锚座23相连,另一端支撑着载荷10。由支杆向重量10施加的有效力由盘体20在其与系链啮合处的有效半径决定。变化的半径设计用来补偿气动支杆11在延伸时产生的逐渐减小的力,以便对载荷10施加恒定的力,这样后者便在其整个运动范围内保持失衡。
文档编号F16M11/20GK1184527SQ9619396
公开日1998年6月10日 申请日期1996年3月28日 优先权日1995年3月28日
发明者R·A·林赛 申请人:维泰克公开有限公司