机械手表机芯:摆轮游丝系统工作原理深入「图解」

2020-08-21 23:26机械手表机芯

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,即时间=振动周期×振动次数。

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而振动系统在机械手表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最后停止不动,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

摆轮部件包括摆轮、摆轴和双圆盘部件,如图1-8所示。

摆轮部件图

图1-8 摆轮部件

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,因此钟表设计师必须着力将影响摆轮的因素消除或者降至最低。在这些因素中,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,摆轮的形状也是被特别设计的,这些都是为了利于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,比如温度自补偿螺钉摆轮、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,因为它还有个特别的结构是无卡度摆轮游丝系统,这个将在后文给大家做详细的解析。

D位置是双圆盘部件,包括了双圆盘和镶嵌在它上面的圆盘钉,此部件起到了特殊作用。E位置是镶嵌在双圆盘的圆盘钉。

游丝部件

游丝部件包括游丝和三角内桩,见图1-9。

陀飞轮游丝图

图1-9 游丝部件

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,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,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,故应用比较少。

C位置是游丝,其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将调节机械手表走时精度的快慢针部件(下文即将讲到)与固定游丝最外端的外桩更好地配合在一起。

调速组件

调速组件包括游丝部件和摆轮部件,见图1-10。

手表调速组件

图1-10 调速组件

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。以游丝从内桩的初端与游丝外端曲线的第一个打弯处连线,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。

摆夹板组件

摆夹板组件包括摆夹板、防震器组件、快慢针部件和外桩环部件,见图1-11。

手表摆夹板组件图

图1-11 摆夹板组件

A位置是摆夹板,其上被刻上了正负号和刻度,用于标识调整快慢针的快慢方向,具体的工作原理将在后文介绍。

B位置是防震器,被镶嵌在摆夹板上作为摆轴的上支承,同时也起到了保护摆轴轴尖的作用。

C位置是快慢针部件,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,作用是阻挡住游丝使其在震荡的过程中不会脱离出来,也就是控制了游丝的轴向运动; 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,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。此处的开口是为了游丝最外端通过胶粘合的地方。D位置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一致。

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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。我们可以形象地把它比作人的心脏,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了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,相信未来的机械表会有更多的惊喜出现。

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