机械钟表机构工作原理

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]

 

 

）。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]

）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]

 

）,

 

         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]

）。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]）: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]）: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。