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机械表持之以恒的秘密:如何保证发条均匀发力?

北京手表2018-11-15 11:37:07

想必大家小时候都玩过铁皮青蛙吧!给青蛙上发条以后放在地上,青蛙就会跳动。其中有一个细节,不知道大家还记得吗?青蛙的跳动是先快后慢,直到没有能量完全停止。

其实早期的钟表和 铁皮青蛙的设计是类似的,里面都是有一卷发条,先将发条上紧,然后让它松开,接着带动齿轮。只不过,钟表最后传输到的地方是指针,而铁皮青蛙传输到的是它的两条腿。和铁皮青蛙一样,按照胡克定律,F=KX,随着发条的松动发条提供的力也会减小。早期的钟表也是先快后慢,误差非常大,一天几十分钟,甚至几个小时都有可能。


机械机械仪器能够准确记录时间,让时间有了度量。不得不提到一个人,那就是近代
实验科学的奠基者之一伽利略。1583年,在他19岁的一天,他无疑观察到观察到悬在天花板上的挂灯微微晃动。伽利略发现这个挂灯摆动逐渐平息的过程中,每次摆动所用的时间并不改变。这一发现引起了伽利略的思考,回家后,他继续研究,发现并提出了单摆的isochronism等时性。即 摆的周期并不取决于摆线上悬挂物的多少,而只取决于摆线长度的平方根。如果不考虑阻力的影响,悬挂在等长线上的一个软木球或一个铅球的摆动规律是相同的。如果使用相同长度的线,就能确定相同的摆动周期,就能准确记录时间。简单一点说,通过使用钟表就能够比较平缓消耗发条的能量,不会出现特别大的波动。伽利略意识到了这一伟大发现的重要性,于是他开始用摆,并应用摆的等时性指示时间。但是在当时科学被宗教压制,他由于从事科学活动遭到了教会的迫害。到1636年,他已经双目失明,还向荷兰政府建议试制摆钟,却没有如愿。1641年伽利略将其钟表概念传给其子Vincenzio,然后他就于1642年去世。Vincenzio于1649年开始建造并不幸地于当年去世,这意味着此项工作永远再无法完成。幸运的是在1657年在意大利籍伽利略与瑞士籍乔斯特-布基Jost Bürgi的工作基础上,由荷兰物理学家Christian Huygens发明了钟摆钟。其建造工作被委派给了荷兰钟表匠萨缪尔-考斯特Samuel Coster。惠更斯第一个将钟摆钟带离实验阶段。1659他完善了钟摆的等时性。惠更斯发现了伽利略实验的一处局限性(周期误差),制造出了摆线式钟摆,无论摆幅多大均能确保摆动周期严格一致,即使在大摆幅的情况下也是如此。1673出版《Horlogium Oscillatorum钟表摆动》,这是惠更斯阐述钟摆钟运行和组装的一部主要著作。这是他在摆和钟表学方面的主要著作。[1]该书被认为是17世纪力学三大著作之一,另两本是伽利略的两种新科学(1638)和牛顿的自然哲学的数学原理(1687)。 事情到了这里,就开始了戏剧性的变化。另一位主人公英国物理学家胡克出场了。胡克建立了弹性体变形与力成正比的定律,就是著名的胡克定律。1660年他在实验中发现螺旋弹簧伸长量和所受拉伸力成正比。1676年在他的《关于太阳仪和其他仪器的描述》(A Description of Helioscopes and Other Instruments)一文中用字谜形式发表这一结果,谜面是ceiiinosssttuv。1678年在他的小册子《势能的恢复——论说明弹跳体能力的弹簧》(Lectures de Potentia Restituva, or of Spring Explaining the Power of Springing Bodies)一文中公布了谜底:ut tensio sic vis,这句拉丁文的意思是“伸长量和力成正比”。这是关于弹性体胡克定律的最早形式。 胡克对万有引力定律的发现起了重要作用,牛顿应用了他的观点,但牛顿却拒绝承认来自胡克。他用显微镜观察软木结构中的“微孔”或“细胞(cell)乃生物学中“细胞”一词的起源。他在1672年发现光的衍射现象,并采用光波理论解释这种现象。胡克制造过各种机械,包括万向接头在内。1666年伦敦大火以后,他在重建城市中设计了一些重要建筑物。风向仪,水平仪等装置的发明权也常常归功于他。可能是胡克实在是太忙了,他发现了弹簧的特性并对此做了大量的研究,但是他却没有做出第一只实物。而是停留在书稿上面。

直到他知道惠更斯在1675年1月30日向法国皇家学会展示了游丝摆轮实物,替代他成为了官方认可的钟表游丝摆轮的发明人。他暴跳如雷并开始了一段和惠更斯旷日持久的游丝发明权的争夺战。惠更斯和上次制作摆钟一样,并没有自己亲自动手,而是委托法国钟表匠IsaacThuret或 Jacques Thuret制造了世界上第一枚采用游丝的钟表。至此,钟表历史翻开了新的一夜,其后的300多年间,几乎所有的钟表都是采用具有等时性的游丝设计。惠更斯改变了钟表行业,开创了精确性的时代,被称为科学制表之父。


通过擒纵系统对发条的输出能量进行平稳消耗,是机械钟表准确走时的关键。擒纵调速系统可以是钟摆,可以是游丝摆轮,在制表历史上面也出现过其他的擒纵调速系统,比如滚珠擒纵调速系统。实物运行视频→→→
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虽然,擒纵调速系统在很大程度上面已经解决了发条输出力矩的不均衡,但是为了更加完美地解决,历史上面,一代又一代的制表人还作出了其他的尝试。


1.芝麻链恒动力装置
芝麻链装置的名称“fusée”为法语,源自拉丁语fusata,意为绕满线的纺锤。其基本原理是:通过连接发条盒的链条在锥形宝塔轮粗细不等的两端间的运动,来抵消因发条输出力矩前后不均而导致的走时不准的问题1490年,莱奥纳多·达·芬奇(Leonardo DaVinci)就已在他的机械装置中绘制出了这一机构原理的草图。




下图,是一枚使用芝麻链的古董怀表。



芝麻链的链条就像直行车的链条一样,只是尺寸变得非常非常小,加工装配难度系数非常大,在日常使用中,如果上弦方向错误,就会扯断这根纤细的链条。再加上,芝麻链非常占空间,所以现代手表很少见到这个装置。如果使用这样装置的现代表会很贵,老的怀表相对便宜很多。下图的这枚宝玑芝麻链恒动力陀飞轮价格100w人民币左右。

宝玑La Tradition Tourbillon,当代手表集大成者。天才莱昂纳多·达·芬奇Leonardo Da Vinci的芝麻链设计提供恒动力,制表大师亚伯拉罕-路易·宝玑Abraham-Louis Breguet的陀飞轮装置抵消地心引力。新兴材料也融入传统机械之中,配有钛制摆轮和硅质宝玑游丝。 实拍实物运行视频 →→→
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2.擒纵系统恒动力装置
恒动力的实现有两个方案,一个是在轮系实现,代表就是芝麻链,通过均力圆锥轮利用杠杆原理,改变了力臂进而改变力矩,因此实现发条能量的稳定输出。一个是在擒纵系统实现,将轮系传来的力量提前进行处理,再传输给擒纵系统,这样就能保证精度!
这一枚LANG & HEYNE就是采用擒纵系统恒动力方案,简单点说,在擒纵轮上面加载了一个"卡放装置",相当于又一个"擒纵系统"。能量传导来,附加的弹簧游丝吸收能量收缩,然后由于金属弹性又将力量释放,由于还有一个附加的擒纵叉控制,所以输出的能量就变得平稳。再将平稳的力量输送给真正的走时擒纵。这枚恒动力大三针机芯采用最传统的德国修饰,黄金螺丝摆轮,宝玑游丝,鹅颈微调,钢轮太阳纹打磨,蓝钢螺丝,黄金套筒,鎏金夹板,陶瓷盘面,路易花针,摆轮盖石还是一枚钻石。恒动力游丝5秒钟一个周期,每5秒钟就会发出额外一声悦耳的滴答声。



下图和视频均为F.P. JOURNE SOUVERAIN,儒纳在擒纵部分使用游丝弹簧调节发条能量。价格也是在100w左右



肯定没有人发过,F.P.Journe恒动力陀飞轮,千万不要为了节约流量不看。
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3.限位钉
1583年,伽利略发现了钟摆的等时性,并提出应用于钟表,指:钟摆来回摆动的一个周期和摆锤的质量无关,也和摆幅无关,只和摆线长短有关。但惠更斯发现在大摆幅的情况下,摆动周期有变。惠更斯发明了在钟摆两侧(图二)加装C型弹簧板,让其最大幅度限制在一定范围内,以保证钟摆的等时性。



在钟上面就是使用c型挡板,在表上面就是使用限位钉。但是限位钉只在力矩大的时候起作用,将擒纵叉的最大摆动幅度限制在一定的角度内,进而限定传输给游丝摆轮的最大能量。对力矩小的时候,不起任何作用。


4.特殊的轮系设定
限位钉的作用是控制发条输出力矩不超过某一个最大限度,而还有一种通过特殊的轮系设定,让发条在将要释放完毕.力矩处于接近衰减完毕的时候直接让手表停止运行,不让机芯运动处于一个不良好的状态。
打个比喻,限位钉就是限制高血压的人参加运动,特殊轮系就是不让低血压的人参加运动。限位钉是强制限制高血压病人的最高血压,将血压压到一个设定的水平并让其一直运动。而特殊轮系,则是让低血压病人直接不运动,让他一边呆着去。


这枚工程师腕表搭载了IWC 50000型机芯,在著名的啄木鸟上链系统帮助下,自动陀旋转1960次后就能实现高达7天的动力储存。为了达到如此长的储蓄,发条足足有850mm,厚度只有0.14mm。长动力机芯并不只是在发条上面做文章,通过设计这表会在168小时后暂停机芯运行,确保等时性,保证走时精度。


5.自动手表
自动手表比手动手表要准一些。
发条盘里面的发条收缩,然后不断扩大,释放能量给游丝摆轮调速系统。可是普通手动机芯的发条力矩是先大后小,有一个衰减过程,这会影响手表走时,这就叫等时性误差。举例:一块手表在刚上好链的时候,发条力矩大,同一位置瞬间误差在5秒,过了24小时后,发条的力量减少,同一位置瞬间误差就达到25秒。20秒,就是这块表的等时差。普通手表不对这点误差进行调整,而高端手表或长动力手表会添加“恒动力”系统,用以平稳发条盘传输出来的力量。
然后自动手表具有防“过上链”设计,当自动手表上链满额的时候,自动陀再给发条上链,发条会在发条盘里面滑动,不会再“收缩”。当发条扩大了一点,释放了一点能量,自动陀再转动上链,发条就不会滑动,而是会收缩储蓄能量。 这样,自动手表的发条就能一直保持“上紧”,这样提供的能量就比较一致,输出力矩平稳。手表的走时就更稳定,误差小。


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