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【机械史记】一文全解机械表发展史,结构与原理

机械工程师2018-05-25 14:15:01


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   钟和表是精密的计时仪器。现代钟表的原动力有机械力和电力两种。机械钟表是一种用重锤或弹簧的释放能量为动力,推动一系列齿轮运转,借擒纵调速器调节轮系转速,以指针指示时刻和计量时间的计时器。钟和表通常是以内机的大小来区别的。按国际传统区分,机心直径超过50毫米、厚度超过12毫米的为钟;直径37~50毫米、厚度4~6毫米者,称为怀表;直径37毫米以下者,则为手表。直径不大于20毫米或机心面积不大于314平方毫米者,称为女表。手表是人类所发明的最小、最坚固、最精密的机械之一。

  

钟表的发展简史


    公元1300年以前,人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如,日晷是利用日影的方位计时;漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。东汉张衡制造漏水转浑天仪,用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来,漏壶滴水推动浑象均匀地旋转,一天刚好转一周,这是最早出现的机械钟。北宋元三年(1088)苏颂和韩公廉等创制水运仪象台(见),已运用了擒纵机构。


 


      1350年,意大利的E.丹蒂制造出第一台结构简单的机械打点塔钟,日差为15~30分,指示机构只有时针。1500~1510年,德国的P.亨莱恩首先用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮擒纵机构(图1 [冕状轮擒纵机构])的小型机械钟。图2 [16世纪下叶德国制冕状轮擒纵机构计时器]为早期的可携带的轻便计时器。


图1 [冕状轮擒纵机构] 


      1582年前后,意大利的伽利略发明了重力摆。


      1657年,荷兰的首先把重力摆引入机械钟,从而创立了摆钟。


      1660年英国的R.胡克发明,并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构。


      1673年,惠更斯又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上。


      1675年,英国的W.克莱门特用叉瓦装置制成最简单的锚式擒纵机构,这种机构一直沿用在简便摆锤式挂钟中。


      1695年,英国的T.汤姆平发明工字轮擒纵机构。


      1715年,英国的G.格雷厄姆又发明静止式擒纵机构,弥补了后退式擒纵机构的不足,为发展精密机械钟表打下了基础。


      1765年,英国的T.马奇发明自由锚式擒纵机构,即现代叉瓦式擒纵机构的前身。


      1728~1759年,英国的J.哈里森制造出高精度的标准航海钟。1775~1780年,英国的J.阿诺德创造出精密表用擒纵机构。 


      18~19世纪,钟表制造业已逐步实现工业化生产,并达到相当高的水平。20世纪,随着电子工业的迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字显示式石英电子钟表相继问世,石英钟表的日差已小于 0.5秒。钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期。 


钟表的分类


    钟表的应用范围很广,品种甚多,可按振动原理、结构和用途特点分类。


  

      ① 按振动原理:可分为利用频率较低的机械振动的钟表,如摆钟、摆轮钟等;利用频率较高的电磁振荡和石英振荡的钟表,如同步电钟、石英钟表等。


      ② 按结构特点:可分为机械式的,如机械闹钟、自动、日历、双历、打簧等机械手表;电机械式的,如电摆钟、电摆轮钟表等;电子式的,如摆轮电子钟表、音叉电子钟表、指针式和数字显示式石英电子钟表。


      ③ 按用途特点:可分为指示时刻用的钟表,又分为生活用的技术用两类。属于生活用的有手表怀表闹钟、摆钟、挂钟、塔钟、子母钟等。属于技术用的有原子钟、天文钟、航海钟、坦克钟、考勤钟、航空钟表、潜水表等;测量时段用的,如秒表、体育钟、信号钟等;控制时段用的,如程序钟、定时器等。  


机械钟表的结构和工作原理


     首先看一个视频来大概了解一下钟表的结构:




      机械钟表有多种结构形式,但其工作原理基本相同。图3[机械钟表工作原理图]为机械钟表工作原理图,图4[机械手表结构图]为机械手表结构图。钟表主要由原动系、传动系、擒纵调速器、指针系和上条拨针系等部分组成。机械钟表用发条作为动力的原动系,经过一组齿轮组成的传动系来推动擒纵调速器工作,再由擒纵调速器反过来控制传动系的转速。传动系在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构。传动系的转速受控于擒纵调速器,所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻。上条拨针系是上紧发条或拨动指针的机件。此外,还有一些附加机构可增加钟表的功能,如自动上条机构、日历(双历)机构、闹时装置、月相指示和测量时段机构等。


图3[机械钟表工作原理图]


      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


原动系


    储存和传递工作能量的机构。通常由条盒轮、条盒盖、条轴、发条和发条外钩组成。发条在自由状态时是一个螺旋形或 S形的弹簧。它的内端有一个小孔,套在条轴的钩上。它的外端通过发条外钩,钩在条盒轮的内壁上。上条时,通过上条拨针系使条轴旋转将发条卷紧在条轴上。发条的弹性作用使条盒轮转动,从而驱动传动系。

   

传动系


   将原动系的能量传至擒纵调速器的一组传动齿轮。它是由二轮(中心轮)、三轮(过轮)、四轮(秒轮)和擒纵轮齿轴组成。其中,轮片是主动齿轮,齿轴是从动齿轮。传动比的计算公式是

传动比=主动轮转速/从动轮转速


      对于有秒针装置的钟表,其二轮的轮片到四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根据理论摆线的原理,经过修正而制作的修正摆线齿形。


  

擒纵调速器

    

    由擒纵机构和振动系统两部分组成。它依靠振动系统(摆轮游丝或摆)的周期性振动,使擒纵机构保持精确和规律性的间歇运动,从而取得调速作用。


      擒纵调速器的种类很多,主要分类如下。



      叉瓦式擒纵机构是应用最广的一种擒纵机构(图5[叉瓦式擒纵机构示意图])。 它由擒纵轮、擒纵叉、双圆盘和限位钉等组成。它的作用是把原动系的能量传递给振动系统,以便维持振动系统作等幅振动,并把振动系统的振动次数传递给指示机构,达到计量时间的目的。叉瓦式擒纵机构的能量传递作用是由以下两部分动作相互配合来完成的:①擒纵轮由传动系取得的能量,通过轮齿和叉瓦的作用转变为冲量传送给擒纵叉,在传递过程中主要有5个动作(图6[叉瓦式擒纵机构的能量传递过程]),即锁接、释放、冲击、垂落和牵引。②通过擒纵叉的叉口和双圆盘的圆盘钉相互传递冲量,工作过程有释放和冲击两个动作。


振动系统



    由摆轮、摆轴、游丝、活动外桩环、快慢针等组成(图7 [振动系统])。游丝的内外端分别固定在摆轴和摆夹板上。摆轮受外力偏离其平衡位置开始摆动时,游丝便被扭转而产生位能,通常称为恢复力矩。擒纵机构完成前述两部分动作的过程,也就是振动系统完成半个振动周期的过程。后者在游丝位能的作用下,还会进行反方向摆动而完成另半个振动周期,这就是机械钟表在运转时擒纵调速器不断和重复循环工作的原理。


上条拨针系



    上条拨针系的作用是上条和拨针(图8[上条拨针机构示意图])。它由柄头、柄轴、 立轮、离合轮、离合杆、离合杆簧、拉档、压簧、拨针轮、跨轮、时轮、分轮、大钢轮、小钢轮、棘爪、棘爪簧等组成。上条和拨针都是通过柄头部件来实现的。上条时,立轮和离合轮处于啮合状态,当转动柄头时,离合轮带动立轮,立轮又经小钢轮和大钢轮,使条轴卷紧发条。棘爪则阻止大钢轮逆转。拨针时,拉出柄头,拉档在拉档轴上旋转并推动离合杆,使离合轮与立轮脱开,与拨针轮啮合。此时转动柄头便拨针轮通过跨轮带动时轮和分轮,达到校正时针和分针的目的。


附加装置  包括自动上条机构和日历(双历)机构。


       ① 自动上条机构:带有自动上条机构的手表称为自动手表。图9 [自动上条机构平面图]为自动机构的一种。它是由重锤、重锤支承、偏心轴、滚珠、自动摇板、棘轮、棘爪以及自动上夹板等构成。当手表戴在手腕时,随着人臂的随机活动,自动锤在惯性力和静力矩的作用下自动地上紧发条。自动上条机构大致可分为摆动式单向或双向上条和旋转式单向或双向上条两大类。前者称为半自动,后者称为全自动。人们对自动手表的单向和双向上条性能曾有过不同的看法,一般认为单向上条自动机构性能较好。



      ② 日历(双历)机构:带有日历(双历)机构的手表称为日历(双历)手表。图10[日历机构平面图]为日历机构的一种。它由日历环、日历定位杆、日历定位杆簧、拨日轮、日跨轮部件、拨头和日历盖片等构成,并设有拨动机构或快拨机构,供日期调校之用。它的基本工作原理是由走针轮系带动一个拨日轮,拨日轮与时轮之间的传动比必需是1:2。然后通过拨日轮驱动拨头,使印有日期标记的日历环每24小时动作一次。双历机构也是通过拨头,在定位部件的协同作用下转动周历轮,使星期得到更换。按变换日期所需时间的长短来区分,日历机构又可分为慢爬式、快爬式和瞬跳式三种。慢爬式的换日时间需1~3小时,快爬式一般不超过30分钟,瞬跳式则在每日零时瞬间变换日期。


机械钟表的走时精度


    钟表走时的规律性和准确性。钟表要求走时准确,稳定可靠。但一些内部因素和外界环境条件都会影响钟表的走时精度。内部因素包括各组成系统的结构设计、工作性能、选用材料、加工工艺和装配质量等。例如,发条力矩的稳定性,传动系工作的平稳性,擒纵调速器的准确性等都影响走时精度。外界环境条件包括温度、磁场、湿度、气压、震动、碰撞、使用位置等。例如,温度的变化会引起钟表内润滑油和摆轮游丝性能的变化,从而引起走时性能的变化;环境的磁场强度大于60奥斯特(Oe)时,会引起部分零件磁化而走慢;湿度大会引起部分零件氧化和腐蚀。


      常用来表示走时精度的有5种参数。①指示差:钟表任一瞬时的指示时刻与标准时刻的差值,它可以是正值,也可以是负值。②日差:钟表相隔时段为24小时的指示差值相减。③位差:上足发条时各个位置所测得的瞬时日差的最大值和最小值之差。④等时差:在其他条件不变的情况下,上足发条和满24小时时,各相应位置瞬时日差差值中的最大值。⑤日变差:相邻两日的日差差值。


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