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经典陀飞轮

2014-06-07  wwwijhyt...

本期我将要为大家讲解的是机械手表的陀飞轮装置,所谓陀飞轮(Tourbillon)是指机械表中的“旋转擒纵调速机构”。Tourbillon有“漩涡”斜之意,它是音译与意译相结合,源自法国数学家笛卡儿用来形容行星绕太阳公转的名词,而知名哲学家、百科全书编纂D'Alembert更进一步把它解释为重物围着单一轴心运转之意,陀飞轮是机械表机心内的核心部位,是机械表计时基础的来源。


经典陀飞轮


从左至右图:宝玑经典的宝玑式陀飞轮腕表;宝玑表的宝玑式陀飞轮的分解图;宝玑于1801年申请专利时在申请书里所附的陀飞轮装置图

 

    1801年6月26日,亚伯拉罕.路易.宝玑大师从巴黎专利局获得一项为期十年的新型时计擒纵机构专利,他对于陀飞轮的解释是:“我的这项发明可以抵消摆轮处于不同位置的地球引力产生的误差……”,这应该是陀飞轮诞生的理由,通俗地讲:陀飞轮能有效补偿摆轮的重力作用、游丝的偏心运动、游丝的方位角等产生的位置误差,这种装置的特点是摆轮游丝系统和擒纵机构在自身运行的同时还能够一起作360度旋转,最大限度地减少了由于地球引力所导致的钟表位置误差从而提高了计时精度。


经典陀飞轮

宝玑表宝玑式陀飞轮

    作为最经典的第一代宝玑式陀飞轮历经多次变革之后,如今我们所看到的是属于现代版的宝玑式陀飞轮,那么最具有代表性的应该是宝玑表推出的此类陀飞轮了,根据宝玑表宝玑式陀飞轮的分解图,我们可以看到现代版宝玑式陀飞轮的基本框架轮廓,此陀飞轮包括的零部件:

    首先是K型擒纵叉、擒纵轮与摆轮游丝系统组成的转角式调速机构,此调速组件的这三个部分为了满足此类型陀飞轮整体设计的需要,尤其是摆轮游丝系统的中心设置,那么就必须将擒纵机构在它的周围布局,这样才出现了K型擒纵叉,也就是所谓的K马,这是宝玑式陀飞轮设计的关键所在,也是最大的难点;

    其次是三层夹板部件,上层夹板部件被设置了上防震器组件作为摆轴的上支承,此外游丝的最外端也是被固定在此夹板上,中层夹板部件包含了擒纵叉和擒纵轮的上支承宝石,而摆轮游丝系统所在的位置是中层夹板与上层甲板的间隔空间里,两层夹板则通过三个夹板柱来支撑,并且使用螺钉将两层夹板固定为一体,特别需要注意的是中层夹板上被设置了三个带有开口的配重块被螺钉固定,这就是宝玑陀飞轮的一个重要的设计理念,那就是陀飞轮转动起来的动平衡,由于整体框架的重心偏移导致的不稳定状态需要通过可以被调节的配重块来补偿重心偏移的动平衡,使陀飞轮可以近似地以相对平衡的状态运转,这样更有利于机心的等时性误差。最后一个是下层夹板,此夹板相比于前面两块夹板要小一些,但是它是一个双层结构,此夹板将与中层夹板直接通过螺钉固定为一体,此外作为擒纵叉下支承和擒纵轮下支承的宝石以及被镶嵌的夹板与中层夹板或者下层夹板相配合后被螺钉固定;


经典陀飞轮

 

    此为2012年宝玑最新推出的陀飞轮腕表,该表款极具复古风格。腕表运用了芝麻链动力系统,此系统原先应用于怀表中,而宝玑将它植入手表中,并利用它的动力输入平稳的特性确保陀飞轮获得稳定的动力输入。而本款陀飞轮表最值得关注的是宝玑最新创新设计的陀飞轮机构,尤其是它的防震功能于2012年取得了发明专利,它的创新点是突破了传统陀飞轮在受到一定外界冲力下会导致框架变形,齿轮系以及调速机构不能正常工作甚至停表这个弊端,宝玑采用了一套可控制的防震装置实现了陀飞轮具备抵抗来自外界一定冲力的能力!

    最后,用于调节快慢的快慢针部件与作为陀飞轮框架的上支承架相配合被设置在上层夹板上,而作为陀飞轮整体框架的下支承架以及用于给陀飞轮输送动力的齿轴一并被固定在下层夹板上。这样一个宝玑式陀飞轮就完成了它的整体框架的组合,只是根据不同品牌的设计理念的差异,此类陀飞轮在一些细节上更能体现品牌的韵味,尤其是瑞士经典品牌更是如此,瑞士的老大家族品牌百达翡丽的后置宝玑式陀飞轮经久不衰,始终如一的延续着它的经典,还有江诗丹顿也是这样,它的马耳他十字标志的宝玑式陀飞轮上层夹板让人们记忆犹存,难以忘怀,看看它的陀飞轮结构图,我们可以发现其实整体的组成部分与宝玑表的基本上是没有差别的。


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海鸥最新无卡度陀飞轮手表,使用的就是海鸥同轴式飞行陀飞轮

海鸥表同轴式飞行陀飞轮

    飞行陀飞轮是由德国制表业发源地——格拉苏蒂的制表师Alfred Helwig汉威于1922年发明的,所谓飞行陀飞轮(Fling Tourbillon)就是将宝玑式陀飞轮中的飞轮固定支架构件去掉,从外观看上去整个旋转框架是悬浮起来的,飞行陀飞轮相对于宝玑式陀飞轮有其自身的优点,那就是由于飞行陀飞轮去掉了飞轮固定支架使得飞轮旋转框架完全显露出来,这样可以提高陀飞轮在运转时的新奇感以及动态表现力,在摆轮自转的同时能够清楚地看到擒纵轮与摆轮围绕着一个轨道作360度的旋转。国表品牌海鸥的同轴式飞行陀飞轮可以说是这个类型的代表作,在此陀飞轮中融合了两项专利技术,那么我就以专利为基础为大家讲解海鸥此款陀飞轮的创新结构。


经典陀飞轮
“一种机械手表的擒纵机构”的专利获得天津市专利金奖证书

 

    首先是海鸥表于2006年开始策划研发,历时两年的时间设计的同轴式飞行陀飞轮结构基本趋向成熟,尤其是为此项目而特别设计开发的“特殊擒纵机构”更是获得了国家发明专利“一种机械手表的擒纵机构200710057795.x”,而后于2011年又获得了天津市的专利金奖。海鸥表的这项“特殊的擒纵机构”巧妙地利用了现有的杠杆式擒纵机构的成熟设计与制造工艺,使得研发到成品的时间大大缩短,促使海鸥表的同轴式飞行陀飞轮以最短的时间投放到市场当中并且取得了不错的效果。


经典陀飞轮

    海鸥表的特殊擒纵机构中 “K型擒纵叉” 的最重要创新点是双层K型擒纵叉结构,它是将普通杠杆式擒纵机构内的擒纵叉分解为两个部分,再将它们结合为一个整体,其方法就是通过采用双重定位即定心与定向使擒纵叉体与叉瓦体准确定位,并且采用叉垫片有效防止叉瓦体和叉体的相互干涉,这样设计的好处是使叠加设置的擒纵叉减小了擒纵机构占用的平面空间,更宜于陀飞轮特殊的平面布置,尤其重要的是它虽然整体被改变了,但是双圆盘、擒纵叉和擒纵轮三者之间的相对关系是没有改变的,也就是说这种设计理念不需要重新设计新型的擒纵机构来满足陀飞轮特殊要求,并且借鉴了传统擒纵机构的技术特点为加工制造带来了方便,其中的3个关键点是:


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1. 双圆盘、擒纵叉和擒纵轮的旋转轴心连线所形成的夹角可根据实际需要进行自主设计,最佳方案是选用近90度设计;


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2. 擒纵叉体的两臂夹角依据擒纵机构的平面布局设计结果来确定它的设计角度;


经典陀飞轮

3. 负责控制双层擒纵叉体轴向尺寸的叉垫片的厚度可根据擒纵机构的轴向设计需要来确定。


经典陀飞轮

    其次是海鸥表于同年在研发成功同轴式飞行陀飞轮必须使用的“特殊擒纵机构”之后,更进一步自主设计研发了已经获得国家实用新型专利的“手表同轴式旋转擒纵调速机构200720096902.5”,它的最重要创新点就是(见海鸥同轴式陀飞轮的分解图)将秒齿轴上的秒齿轴套a嵌入秒轮轴套b内并与秒轮片压合为一体,同时秒轮片与支撑陀飞轮旋转框架的宝石轴承固定为一体,并固定在夹板上,从而通过宝石轴承来控制陀飞轮旋转框架的径向与轴向的间隙。这部分结构突破了国内外原有飞行式陀飞轮旋转框架的下支承普遍采用球轴承来控制陀飞轮旋转框架的径向与轴向的间隙,究其原因在于球轴承存在有相邻滚动体将直接接触,且相对摩擦速度是表面速度的两倍,发热和磨损都比较大,而且点蚀,塑性变形,磨粒磨损,粘着磨损这几种失效方式会影响其使用寿命等缺点,这样会直接影响陀飞轮的正常运转,导致缩短机械手表的计时精度降低甚至于停表。本飞行式陀飞轮旋转框架的下支承采用宝石轴承,它的材料是人造刚玉,它的机械性能好,硬度高,摩擦系数小,热膨胀系数小以及化学性能稳定,耐热冲击,绝缘性能好,使它与陀飞轮的支撑轴相互间的摩擦阻力减小,从而减少了能量的损失,可以保证陀飞轮整体框架更加长久灵活的转动,更加确保了陀飞轮上搭载的擒纵调速机构获得更多的机械能完成正常的运转。

 

结语

    通过前文我对两个品牌两个类型的陀飞轮结构的讲解,大家应该对陀飞轮的基本概念以及宝玑式陀飞轮与飞行式陀飞轮之间的结构差别有了一定的认识,其中宝玑表推出的宝玑式陀飞轮是最经典陀飞轮代表,而海鸥表推出的同轴式飞行陀飞轮也是属于同类陀飞轮中的经典之作,特别是它拥有自主知识产权,非常难得!

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