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机械手表的摆轮游丝系统

来源: 作者: 浏览:- 发布日期:2016-11-01 09:10:00 【

摆轮游丝系统是机械手表的核心部分,其作用是计时的基准。机械手表属于振动计时仪器,它的基本工作原理是利用一个周期恒定的、持续振动的振动系统,振动系统的振动周期乘以被测过程内的振动次数,就得到该过程经历的时间,时间=振动周期×振动次数,而振动系统在机械手里就是我们常见到的摆轮游丝系统。摆轮游丝系统持续不断地振动,并且准确地计算出其振动次数,就可以计算出所经过的时间。但是摆轮游丝系统在外界因素的影响下,摆动的幅度将逐渐衰减甚至后面停止不动,为了使其不衰减地持续振动就必须定期地给摆轮游丝系统补充能量。机械手表中的能量来自于原动系统,同时通过机芯内部的主传动系统将能量周期性地补充给摆轮游丝系统,并且这个过程是通过擒纵机构实现的。

振动周期

     以机械手表中振动频率为每小时21600次,振动周期为1/3秒的摆轮游丝系统为例,假设擒纵轮片为20个齿,摆轮游丝系统每振动一次,擒纵轮片便会转过1个齿,那么擒纵轮旋转一周所需要的时间为(1/3)*20=(20/3)秒,由于擒纵齿轴与擒纵轮片是铆合在一起的,擒纵齿轴旋转一周所需要的时间是20/3秒,再设定秒轮片与擒纵齿轴啮合,二者的传动比为90/10,因此秒轮旋转一周所需要的时间为(20/3)*(90/10)=60秒。此外,现有的机械手表比较常见的摆轮游丝系统的振动频率还有每小时28800次,振动周期为1/4秒,有兴趣的朋友可以根据上面的思路计算出秒轮的速度。

摆轮部件

      它包括了摆轮、摆轴和双圆盘部件,A位置是与摆夹板镶嵌的防震器组件内宝石轴承相配合的摆轴轴尖;B位置是与基板镶嵌的防震器组件内宝石轴承相配合的摆轴轴尖;C位置是摆轮,它是此系统里最为重要的部分,自从机械手表诞生以来出现了很多种类的摆轮,由于摆轮将直接影响机械表的走时精度,因此钟表设计师都必须挖空心思将影响摆轮的因素消除或者降至最低,尤其是环境的影响最为突出,这也就导致制作摆轮的材料必须采用钟表历经几百年来所总结出的特殊材质,此外它的形状也是被特别设计的,这些都是为了摆轮在机芯中抵抗来自于外在的影响其正常运动的不利因素,比如温度补偿摆轮、自我补偿游丝摆轮、铍青铜合金摆轮与可变转动惯量摆轮,其中可变转动惯量摆轮是个比较特殊的摆轮,为了它还有个特别的结构是无卡度摆轮游丝系统,这个我将在后面给大家做详细的解析;D位置是双圆盘部件,它包括了双圆盘和镶嵌在它上面的圆盘钉,此部件起到的特殊作用我已经在上一期“机械手表的擒纵机构”中做了说明;

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(附图-摆轮部件)

游丝部件

    它包括了游丝和三角内桩,A位置是与摆轴相配合固定的内桩中心孔;B位置是与游丝内端配合在一起的三角内桩的侧翼的开口,它的深度与宽度正好与游丝相配合,而所谓的三角内桩就是根据它的形状得来的名字,也是目前被应用最广的内桩,此外还有一种内桩是圆形的,顾名思义被称作圆内桩,由于它相比于三角内桩具有不能完美贴合游丝内端的缺点,应用的比较少;C位置是游丝,它的形状是阿基米德螺旋线,也可以称作涡旋线;D位置是游丝的外端曲线,它不是涡旋线的一部分,而是被特殊设计的一段具有几段折线的弧状曲线,此设计的目的就是为了与下面即将说到的调节机械手表走时精度的快慢针部件与固定游丝最外端的外桩可以更好的配合在一起;

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附图-游丝部件)

调速组件

     它包括了游丝部件和摆轮部件,A位置是游丝部件上的内桩与摆轮部件的摆轴固定为一体;B位置是摆轮,此摆轮外缘被设置了多个螺钉属于花型摆轮;C位置与D位置在前面已经谈到了它们的作用,而将它们组合在一起就是需要一个固定的设计角度了,在计时书里被称作卷进角,此角度是以游丝从内桩的初端与游丝外端曲线的第一个打弯初连线,以及它与外桩所在位置的连线的夹角就是游丝的卷进角,此外圆盘钉的位置与外桩的位置夹角也是被设计好的,它决定了摆轮游丝系统左右两个振动周期的一致性;

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(附图-调速组件)

摆夹板组件

     它包括了摆夹板、防震器组件、快慢针部件和外桩环部件,A位置是摆夹板,它的上面被刻上了正负号和刻度其作用就是标识调整快慢针的快慢方向的,具体的工作原理将在后面介绍;B位置是防震器,它是被镶嵌在摆夹板上作为摆轴的上支承,同时也是起到了保护摆轴轴尖的作用;C位置是快慢针部件,它包括了快慢针以及镶嵌在端部的外夹和两根较细的内夹,其中外夹的尾部有个凸出部分,它的作用是为了阻挡住游丝在震荡的过程中不会脱离出来,也就是控制了游丝的轴向,而两个内夹中间所形成的缝隙是留给游丝的,使得游丝在里面可以荡框,也就是限制了游丝的径向运动;D位置是外桩部件,它包括了外桩环以及镶嵌在端部的外桩管,还有通过螺钉固定的带有开口的外桩,此开口就是为了游丝最外端通过胶粘合的地方,这个外桩部件的设置就是为了调整游丝外端曲线的位置,从而保证了游丝的中心与摆轴的中心同轴,使得整体的振动周期左右摆动所用时间尽可能的一致。

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(附图-摆夹板组件)

无卡度摆轮游丝系统

    摆轮游丝系统在机械表中的重要性相当于心脏对于人的重要性一样,而无卡度摆轮游丝系统对于机械表来说更是高端装备,也就是说“高贵的心脏”。

理论背景

     根据机械表的计时原理,振动周期与游丝的工作长度和摆轮转动惯量成正比,即随着游丝的工作长度和摆轮转动惯量的数值变大,振动周期将随之变大,也就是说振动周期将变小,手表会走慢,反之则结论相反。如果佩戴者需要调校手表的精度,实质是将走快或者走慢的摆轮游丝系统的振动频率,调校到标准频率。

有卡度PK无卡度

     “有卡度”是通过快慢针调校装置来改变游丝的有效长度,从而达到改变摆轮游丝系统振动频率进而调校手表的走时误差。它存在的缺陷是游丝被快慢针装置所控制,由于重力等外在与内在因素的影响,导致等时性误差的产生,直接影响了手表的走时精度。

     “无卡度”是取消了有卡度结构中的快慢针调校装置,并且通过调校摆轮外缘螺钉的进与出或者调节偏心砝码的偏心量,改变摆轮转动惯量从而改变摆轮游丝系统的振动周期,进而调校手表的走时误差。它的优势在于取消了有卡度结构里影响手表计时精度的快慢针装置,克服了快慢针对于手表带来的等时性误差,可以让表的走时精度进一步提升。

可调校摆轮类型

1.螺钉摆通常是在摆轮边缘设置螺钉或者是螺母(摆轮外缘或者内缘),通过改变它们的离摆轮中心的位置远和近,从而改变摆轮的转动惯量。

2.砝码摆是在摆轮靠近外缘的平面上设置可以转动的砝码,一般砝码是半圆形的,通过转动砝码的位置和砝码非圆性的偏心效应,从而改变摆轮的转动惯量。这两类摆轮的核心是可以被调校的螺钉或者砝码,而它们都必须具备一个要素—制作材料选用密度高的金属,原因是是通过小的转角而得到较大的惯量改变,选用K金、白金或铂金等重金属最为理想。

螺钉摆PK砝码摆

     劳力士1957年发明的螺钉摆专利技术(参考专利号GB 840056A),其技术特征是:1.由摆轮1和一对可调节的螺钉2以及其它不可调节的螺钉组成;2.可调节螺钉2螺钉帽2a和螺纹2c两部分构成,其中螺钉帽2a的形状为花瓣形2b,此设计意图是花形螺钉帽可以与专用调节工具5的花形孔6相互配合实现调节螺钉2;3.此工具的操作方法比较简单,只要根据前文所说的原理以所需要调整的机械手表的快慢来决定是将螺钉旋出一些距离还是旋入一些距离。

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附图-1957年劳力士螺钉摆专利

     百达翡丽1951年发明的砝码摆专利技术(参考专利号CH280067A),其技术特征是1.摆轮1的外缘2承载了八个可以调校的砝码5为主体;2.砝码为字母U形状(包括了外缘3和开口6)以中心轴4为旋转轴。

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附图-1951年百达翡丽砝码摆专利

     通过两个品牌所设计的可调校摆轮对比,我们可以发现螺钉摆的优势在于制作难度相对来说简单一些,而砝码摆的优势是调校难度相对简单。

作者点评:作为机械表的核心部位,摆轮游丝系统在动力的驱动下,以额定的频率振动。我想把它比作人的心脏很形象,通过其不停地振动,从而达到了将精密机械转变成计时用工具。随着时代的变迁,摆轮和游丝都在不断地进化,尤其是新材料的涌现更是推动调速系统在技术方面的突破。硅游丝已经诞生了十年有余,而硅摆轮于近几年也被成功研发出来。这些成果都是依托现代科技而实现的,我们能够感觉到未来的机械表会有更多的惊喜出现。