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机械钟表机构工作原理

2014-04-20  梦泽赤子

机械钟表机构
mechanism of mechanical watch and clock

      机械钟表中,利用带簧(发条)恢复变形所放出的能量或利用重物下降的重力作能源,以机械振动系统为时间基准,实现计量时间和时段的机械机构。机械钟表机构有多种类型,但一般都由原动系、传动系、擒纵调速系、上条拨针系和指针系组成,工作原理基本相同(图1[机械钟表工作原理]
 
机械钟表工作原理
 
)。此外,日历手表中还包括日历(或双历)机构,自动手表中还包括自动上条机构。

 原动系 储存和传递工作能量的机构。分为重锤原动系和弹簧原动系两类。
 重锤原动系 利用重锤的重力作能源。多用于简易挂钟(图2 [简易挂钟传动示意]简易挂钟传动示意
)和落地摆钟。重锤原动系结构简单,力矩稳定,但当上升重锤时,传动系与原动系脱开,钟表机构停止工作。
 弹簧原动系 利用卷成螺线形的带簧(发条)恢复变形所放出的能量作能源。带簧一端与轴连接,另一端与一个不动的零件或发条盒的壳体连接。弹簧原动系用作携带式钟表的能源,也用于摆钟上。弹簧原动系有带固定条盒式、不带条盒式和带活动条盒式等3种类型。
 传动系 将原动系的能量传给擒纵调速系的一组传动齿轮。通常由一系列轮片和齿轴组成
 
(图3[ 机械手表传动示意]
 
 机械手表传动示意
),
 
         在主传动中轮片是主动齿轮,齿轴是从动齿轮。传动比按照以下公式进行计算:
   i=Z
/Z
式中Z
为主动齿轮齿数,Z
为从动齿轮齿数。对于有秒针装置的钟表,其中心轮的轮片到秒轮的齿轴的传动比必须等于60。钟表传动系的齿形绝大多数是专门设计的(见钟表齿形)。
 传动系可按“二轮”(时轮和分轮)在表机芯的平面配置分为两类:①中心二轮式,二轮在表机芯的中央。它又包括直接传动式、秒簧式、短秒针和无秒针式、双三轮式。②偏二轮式,二轮不在表机芯中央。它又包括头轮传出式、二轮传出式、三轮传出式。
 直接传动式是经常采用的传动系之一(图3[ 机械手表传动示意]
)。在这种传动方式中,分轮上部有一凹槽,分轮依靠摩擦与中心轮管相配合;走针机构的运动由中心轮来带动。
 擒纵调速系 由擒纵机构和振动系统构成。按振动系统的特点可分为两类:①有固有振动周期擒纵调速系。它具有可以独立进行振动的、有稳定周期的振动系统。手表、闹钟中的走时系统的擒纵调速系属于此类。②无固有振动周期擒纵调速系(图4 [无固有振动周期擒纵调速系]无固有振动周期擒纵调速系
)。它没有能够独立进行振动的振动系统。这种调速系中的所谓振动系统的往复振动,完全依靠擒纵机构的往复运动。机械闹钟中的闹时系统的擒纵调速系属于此类。这种调速系精度要求不高,结构简单,工作可靠,抗外界干扰能力强,在机械式定时器和钟表引信中大量采用。
 擒纵机构 联系传动系和振动系统的一种机构。其作用是把原动系的能量传递给振动系统,以维持振动系统的等幅振动;并把振动系统的振动次数传给指针机构,达到计量时间之目的。擒纵机构种类很多,按其与振动系统联系的程度可分为两类。①非自由式擒纵机构:擒纵机构和振动系统经常保持运动上的联系。它包括直进式、后退式和工字轮式擒纵机构等。②自由式擒纵机构:只有在释放和传冲阶段,擒纵机构和振动系统才保持运动上的联系,其余阶段振动系统处于自由运动状态。它包括有销钉式、叉瓦式和天文钟式擒纵机构等。
①后退式擒纵机构(图5[后退式擒纵机构]后退式擒纵机构
):广泛用于低精度摆钟。它的叉瓦锁面和冲面是同一平面(工作面);进瓦的工作面是一圆柱面,其圆心与擒纵叉的转动中心不重合;出瓦的工作面是一平面。叉瓦和擒纵叉作成一体。传冲后,叉瓦工作面将迫使擒纵轮后退一个角度。
②叉瓦式擒纵机构(图6[叉瓦式擒纵机构]叉瓦式擒纵机构
):应用最广的擒纵机构之一。工作时,擒纵轮由传动系取得能量,通过擒纵轮齿和叉瓦(进瓦或出瓦)的作用转变为冲量传送给擒纵叉
 
 
  轮系传动原理,顾名思义,就是齿轮间能量传递和反馈的机械原理。机械表的运转过程,本质就是擒纵控制轮系传动,轮系传递能量,最终体现为指针指示时间。

    之前也谈到了轮系传动系统的各轮系部件和功能,将这些部件的功能整合在一起,就形成了完整的轮系传动。

    如下图:

1.表冠旋转(一般都是顺时针),带动立轮旋转,立轮带动小钢轮旋转,小钢轮带动大钢轮,大钢轮的轴心是连接发条的,大钢轮旋转会拧紧发条,实现上链。其中发条的一端连接大钢轮,另一端连接条盒轮,为了防止发条释放能量,棘爪会扣住大钢轮,防止其逆向旋转。

2.当上好发条后,棘爪扣住大钢轮,从而固定住发条前端,发条膨胀会挤压末端,从而推动条盒轮旋转,条盒轮的旋转标志着发条能量开始向外传输。

3.条盒轮旋转首先带动中心轮旋转,中心轮带动三轮(过轮),三轮带动四轮(秒轮),四轮带动擒纵轮,擒纵轮受到擒纵系统的控制,实现规律性旋转(详见擒纵系统工作原理),然后将规律性反馈给四轮,四轮反馈给三轮,三轮控制分轮,分轮控制时轮,最终实现指针旋转。

规律性其实就是时间,4赫兹的腕表,表示摆轮每秒来回转动四次,擒纵轮每秒会走过四个齿数。

    当然,指针走动的频率也并不是这么简单的传递就能实现的,还需要齿轮齿的数量进行配合,这个在之后会有相关介绍。

    从更加简单和直观的角度去看,轮系能量传动的核心部分在于发条盒、中心轮、三轮、四轮、擒纵轮、摆轮。它们互相传动、互相影响,将连续的能量传递分割成有规律性的传递,时间就是这样“产生”的。

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