关于高效的动态表运作系统

关于高效的动态表运作系统

正如上一期《特写镜头》的文章所说，意大利北部和南德地区1270年前后的第一个机械时钟是由重锤主导的。正是手表发明的时钟填充技术的发明，显著减少了手表的体积，成为一种可纪念的手表。怀表问世初期的1480～1511年期间,出现“纽伦堡蛋”那种形式的怀表,那时表的结构非常简单,以一条“盘簧”当作动力源,这就是最早期的发条。这种发条无法提供早期机械钟重锤动力那样恒定的动力输出。在发条动力输出中,当发条形变最大和最小时,输出扭矩变化更为突出。当时的表的走时频率完全由发条传输过来的动力大小决定。而无法提供恒动力输出的发条系统使得这一阶段的表走时误差非常大,一天甚至能达到2个小时,只能指示大概的时间,这时的表更多成为贵族的奢侈品,装饰性更大于实用性。gruet-graet模型为了有更好的走时精度,钟表工匠开始改善发条系统,以达到和重锤动力一样的恒动力输出,这里主要的方式有两种,一种是均力轮,另一种是芝麻链。均力轮是利用凸轮来对发条进行制动,使发条在张紧时的制动力大于放松时的制动力,从而使得输出动力恒定,这种结构仅出现于16世纪的纽伦堡与奥斯堡附近,在表上只被短时间应用而且使用量也非常小。芝麻链是发条轮通过拉动缠绕在锥形轮上的肠线进行力量输出的,拉力和锥形轮力臂成反比变化,使输出力矩恒定。约在1664年,A·Gruet以钢链条(类似脚踏车链条)取代非常脆弱的肠线。历史证实这种结构是成功的,它用简洁的结构解决了棘手问题,又同时兼顾高性能与艺术美感。比较这两种设计,使用发条制动的怀表可以制造得比使用芝麻链的怀表更扁平,芝麻链的设计稳定,耐用,整体造型优雅,更为大多数人认可,这种设计直到19世纪末有些英国怀表上还在使用,一直被沿用了三百多年。从用于走时的恒动力设计到18世纪开始钟表制造进入了繁盛期,制表大师的灵感互相交融碰撞。1704年,Peter、JacobDebaufre与NicolasFacio在机心上使用了红宝石,其举动成功的减少了摩擦而提高了机心寿命和准确度,使得轮轴在发条不同状态下摩擦力的差距减小。这时期各种新型擒纵机构的发明使得摆轮能够自由摆动,其频率由游丝长度决定。发条动力大小只对摆幅有影响,而对走时影响很小,即使不需要恒动力输出,走时精度也能保持的很好。此外芝麻链的加工工时长,生产成本高,不适应机械化大规模生产,因此芝麻链这个经典设计在19世纪前后开始逐步退出历史舞台。发条被直接卷绕着装入带有齿轮的发条盒(Mainspringbarrel)中,怀表的机心也可以制作的更薄。恒动力不再是制表师们的设计重点,重点是如何能让发条更加耐用。当时没有特种钢,发条只是用一般弹性钢制造的,这种发条在反复弹性形变条件下很容易疲劳变形,使发条的输出动力不足或发条脆断,最好的解决方式就是减少发条的弹性形变,用减少走时时间来换取发条的使用寿命。此时出现的马耳他十字(MalteseCross)的设计应用很好的解决了这个问题,并且锦上添花的是马耳他十字还能防止发条被过度上链。这个设计不但对发条起到了非常好的保护作用,还让发条工作在输出扭矩相对稳定的中间区域,这对走时也是很有帮助的。即使如此发条还是可能会断裂,为了不让发条断时的方向扭力对齿轮和擒纵叉的叉瓦(pallet-stone)造成损坏,后来的一些设计者把中心轮的小齿轮设计成了安全齿瓣,也就是中心轮的小齿轮通过反向螺纹旋到中心轮轴上,发条断时小齿轮会被条盒反方向松开,不造成零件的损坏。美国表上链的发展在18世纪末,怀表结构设计百花齐放,百家争鸣。有些设计虽然应用不是很广泛,但是影响却非常巨大,其中发条系统方面的最大贡献就是自动上链机心的发明,大家所公认的自动上链是亚伯拉罕·路易·伯特莱(AbrahamLouisPerrelet)发明的,他的第一块自动表“PerpetualWatches”大约在1760～1770年期间被制成,此技术最先被宝玑和英国制表师所使用。宝玑在1780年前后制造出了他的第一块自动表,他改良了伯特莱的设计,用偏心的自动陀来产生上链的动力,在同一时期英国的制表师也在销售英国自制的第一块自动表。这次设计里宝玑的改良是最成功的,而且大多数还都配备了储能显示装置。当年的自动均为计步器式自动,由于怀表是垂直佩戴的,这种机构的上链效率还是不错的,能满足夜间的走时,但和今天的腕表比还是要稍差一些。这些自动设计同时也使得让发条的输出扭矩相对稳定,这点和同一时期出现的马耳他十字异曲同工,都使走时精度更加良好。怀表的佩戴方式阻碍了自动技术的发展,自动怀表只在当时的贵族群体中昙花一现,便销声匿迹。1830年宝玑公司发明了调时和上链同用一表把的表。表把上链开始逐步取代钥匙上链,这就要为怀表增加立轮和小钢轮,来满足表把上链的需要,立轮和小钢轮是垂直咬合的,上链时受力比较大,双层结构的小钢轮长期运作起来就更为稳定可靠。而小钢轮和大钢轮的固定方式也有几种方式,多颗(2-4颗)小螺丝的固定比一颗大螺丝的固定方式更利于拆装,强度更好。从这个时期开始人们更喜欢购买比较薄的怀表,随着机心厚度的逐渐降低,发条系统的负荷也降了下来,在比较薄的怀表设计中对棘轮进行改良来替代马耳他十字,这样可以进一步减低机心的厚度,主要是将棘轮的齿数增加(有些表加到了5个齿)或是把钩型棘轮的中心圆孔改为长方孔,上链后大钢轮后退距离加大,来减少发条张力。效果上虽然不及马耳他十字,但可以满足使用要求了。这时发条系统的形制和今天的手表基本一样了。钟表技术已经非常成熟,制表师更强调于细节的处理,如大小钢轮的齿形改用狼牙形,条芯轴孔加装红宝石轴承,多种样式的发条外钩样式来减少发条从外钩断裂的几率。这里值得一提的是有些美国表的条盒结构和传统的设计不同,这样条芯孔的宝石轴承经过设计安装后,宝石轴承位于了大钢轮中央,和美国表的华丽打磨相得益彰,即提升了发条输出效率,也增加了整体艺术性。这时还出现了很大发条盒的8日链怀表,发条盒的直径接近于机心直径,这样发条盒也只能安装于整个机心的正上方了。硬而长的发条虽然不是很安全,但是当时大规模机械化生产让发条的更换很方便,这一点也就没有影响这种表的市场销售份额。为了满足某些特殊行业的需要,如铁路、航海等,在怀表上加装了能量显示系统,来提醒上链。储能显示结构这个古老的设计,在此时实用性得到了大幅提升。带闹铃及复杂功能等消耗能量比较大的表上已经相应的加装上了第二个条盒。有关专业设备的权能运用在智的领域,引起人的理解和接受到了近代,怀表发展的越来越薄,腕表也将彻底取代怀表,小而薄的机心加上零件精细打磨后摩擦力的进一步降低,让发条系统的负荷彻底减了下来,防断裂设计就很少应用了。到了1945年,发条开始采用特种钢,最常用到的是Nivaflex发条(不锈钢材质的发条合金),这种发条有许多优点:不断裂、不生锈、抗弯曲,尤其几乎是抗磁性的。特种钢发条的出现彻底结束了防断裂装置的应用。那些装置成了记忆中美好的回忆。1923年JohnHarwood制造出自动上链腕表。自动腕表的发条尾端设计为一段副发条,既不会过度上链,也足够能靠摩擦力来带动齿轮运作。手腕的运动量让自动技术找到了用武之地,在自动腕表发明后的半个世纪里得到了空前的发展,自动形式从撞陀式(非转盘non-rotary)变化为全自动,从单向上链到各种方式的换向装置,其中啄木鸟式上链当属上链效率非常高的设计之一。最近这20年来,机械表击退了石英表之后,制表师在吸取前人的设计精华的基础上,进行着改良和艺术的再创作。如三条盒的长储能腕表,是对技术的精益求精。而复古的芝麻链的使用,更多的是对一代代制表师的敬仰。表不只让我们感知时间的存在,也让我们感知到人类不断求新求变的探索精神。NIVAFLEX发条采用铁、镍和铬合金制造,同时加入了钴、钼、铍等稀有元素,不但能够具有防磁、防腐蚀、不易断裂、不受温度变化影响、抗拉与抗冲击等功能,而且还韧性十足,利于动力平缓地释放。和碳钢发条相比,NIVAFLEX发条基本上都是自润滑的,不需加油,它的自由状态为“S”形状。上链回位控制当上链时,发条盒停止不动,而受上链机制驱动的大钢轮转动轴心,带动固定在轴心的发条内端将发条沿逆时针方向向内卷紧;而当机心在运转时,大停止不动,而固定在发条盒内壁的发条外端在释放动力中的发条带动下,发条盒及条盒轮沿顺时针方向转动,驱动以下的走时轮系。钢轮在止逆棘爪与止逆弹簧的作用下在上满链的情况之下,机心轮系的减速力量会阻止发条从连接在发条盒内壁的外端松开,同时盒轴心的内端松开。当转动向逆时针方向转动上链时,的齿会脱离向顺时针移动,同时止逆弹簧会给予一个持续的回位反向力;当上链动作停止时,在止逆弹簧的反作用力作用下迫使自动回位,使的大小二齿与完全啮合,以防止发条逆转松开以维持发条满链的状态。大钢轮在止逆棘爪与止逆棘簧的阻力作用下使其不能逆转,从而阻止了固定在条发条表冠带动大钢轮止逆棘爪大钢轮止逆棘爪止逆棘爪止逆棘爪大钢轮显示了显示尾数的制度信息,引起了进一步的执行发条的结构为:发条(Mainspring)、发条盒(MainspringBarrel)、发条轴心(Arbor)(Ratchet)止逆(Click)与止逆弹簧(ClickSpring)。其中收纳发条的发条盒固定有走时轮系的第一个齿轮(即条盒轮),与大钢轮连接在同一轴心上,而收纳在发条盒内的发条两端分别固定在轴心与发条盒内壁。当我们做进一步拆解时,只要将轴心的固定螺丝旋开,即可将发条盒与分开,再进一步将发条盒上的发条盒盖板撬开,就可以看到隐藏在里面的发条了。主要、大钢轮以及具阻止大钢轮倒转的棘爪大钢轮从整个机心排列来看,发条机构正介于上链机构与走时轮系的中间:大钢轮与上链系统的小钢轮互相连接以传递上链的力量,而则是与走时轮系中的中间轮(CenterWheel)相啮合以传递发条释放出的动力至整个机