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擒纵机构:机械之美

发布时间:2015-09-07

刘海涛

  可能现在有了手机等一些数码产品以后,人们对于手表这种事物显得有些陌生了。因为,手表的计时功能已经完全可以由手机取代,而手机又具有手表所没有的n多功能。但现在仍有不少人对手表有着痴迷般的热爱。这其中的原因部分是因为高档的手表是身份和财富的象征,但这不是本文的主题。还有一部分人对手表的热爱在于痴迷手表的机械之美,这主要在于手表动力的心脏:擒纵机构。 

  大家应该都见过有透明表背的手表吧!一眼望去,其中的结构很复杂,这正是手表精确计时的神秘所在。虽然大家都知道是擒纵机构负责手表的走时,但其中的设计准则和几何学原理并非人人都理解。其实,就算大家全部理解,也未必就能自己制作出手表来。而今天大家就对这神秘而强大的擒纵机构管窥蠡测,以感受这机械之美。 

  其实,手表就是一个复杂的沙漏。只不过它可以长久的精确运行,而不像沙漏那样需要不停的添加沙粒。手表的主发条则成了手表工作的动力源泉,只要它能够保持足够的弹性,就能不停地运转。 

  所有的手表,无论有多么复杂,总是依靠六个主要结构来完成运行。如图一所示,位于条盒上的条盒轮驱动中心轮,中心轮驱动三轮,三轮再驱动四轮,四轮最后带动擒纵轮。中心轮每小时转动一周,上面带的自然是分针;四轮每分钟转动一周,上面带的是秒针;时针则是通过中心轮上一个12:1的齿轮来完成显示。 

   

  如果手表只有五个部件(条盒轮、中心轮、三轮、四轮、擒纵轮)的话,发条将在几秒钟内就会全部释放。于是就需要第六个部件——擒纵机构来控制所有齿轮的运行。擒纵机构包括摆轮和擒纵杆,它控制着发条的放松速度。在机械手表工作的过程中,当发条的动力通过四个齿轮传递后,最后来到擒纵轮上。擒纵轮能够以固定的间歇来完成“运动”和“停止”——一个棘爪负责前进,另一个棘爪负责停止。摆轮通过其面上的叉头钉来控制擒纵杆的往返运动。这就是最简单的擒纵原理。 

   

  因此,擒纵杆的运行是整个擒纵机构的核心。图二(来自Omega)描述了擒纵机构的构造和运行。图中的轴点都用黄色表示,红色则代表宝石。图中的14是带有15个足形齿的擒纵轮片,13是同轴的小齿,带动四轮(秒针轮),擒纵杆9的一头带有两个棘爪和棘爪宝石(1112);另一头为小叉,具有两个特殊角度的羊角,中间有一凹槽。 

  摆轮部分主要由三部分构成:摆轮、冲击盘和保险盘。冲击盘上带有叉头钉,在摆轮和冲击盘的带动下,叉头钉会拨动擒纵杆的小叉部分,作往返运动。保险盘上有一新月形结构,形成两个止点。当擒纵杆在擒纵轮的带动下运动时,这两个止点可以防止擒纵杆过度运动,以免再也回不到中心位置。同时,它还能防止在手表被倒拨或受到震动时出现的意外情况。还有一个结构是限位钉,它们位于擒纵杆的两侧,限制擒纵杆的运动。 

  图三则显示了棘爪和擒纵轮之间的关系,大家可以看出,手表精确运行的过程是相当复杂的。擒纵轮足齿、棘爪、棘爪宝石和擒纵杆的每一个角度都是非常精确的设计。棘爪和擒纵轮的运动必须绝对的协调,0.5毫米的误差都将使该结构难以运行。事实是,如果在擒纵轮1000转中出现一次配合失误,那这块手表一天的误差将在几小时。此外,棘爪宝石也并非简单地锁死和释放擒纵轮这么简单。每个棘爪宝石都有一个锁死面和撞击面,通过精确的几何学计算后,才能制造出适合精密运行的手表。这些计算包括各个接触面的角度,锁死面和撞击面的压力,因为任何过大的压力都会造成停摆。如图三所示,出齿的宝石面正好和擒纵轮的足齿面吻合,并对宝石形成一个向上的推力,此力通过擒纵杆作用于摆轮,使其向相反的方向转动。 

   

  这样一先容,擒纵机构的原理也不是那么难。但大家却不得不说擒纵结构是机械设计上的一部杰作。机械手表最通常的摆频为28800/小时,也就是说两个棘爪一天内将运动691200次。所以,在新表第一次保养前的四年中,一块28800摆频的手表将经受5.05亿次的擒纵循环! 

  可见,一块小小的机械手表,简约而不简单,只要给发条以足够的动力,竟可以跑出如此多的循环。而在这如此多次数的运行中,还能保持精准的计时,所以,大家不得不感叹擒纵机构的机械之美。 

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