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杠杆式擒纵机构-机械表机芯杠杆式擒纵介绍(图)

作者:Dr.W内容来源:万表网时间:2013-08-21
[导读]杠杆式擒纵机构--科学姐、技术帝来了,小白小编表示虽然高中学的是理科,但对机芯这门技术那真的是有心无力啊。下面小白小编来介绍下杠杆式擒纵机构。机械表的能量传递链是:条盒轮-中心轮-过轮-秒轮-擒纵轮。擒纵轮转动要被擒纵分割,精确的分割释放的能量是精确走时的前提。分割能量要靠擒纵系的组件。杠杆式擒纵机构自十八世纪中期发明以来,渐渐的成熟和稳定,当今钟表机心几乎是杠杆式擒纵机构一统天下。但上世纪乔治·丹尼尔(GeorgeDaniels)发明的同轴擒纵机构的出现改变了这一局面。在机械表运动中,擒纵轮被叉瓦一次一次的挡住,然后释放一个齿后再次被挡住,周而复始。这个过程实现了准确的

杠杆式擒纵机构--科学姐、技术帝来了,小白小编表示虽然高中学的是理科,但对机芯这门技术那真的是有心无力啊。下面小白小编来介绍下杠杆式擒纵机构。

机械表的能量传递链是:条盒轮-中心轮-过轮-秒轮-擒纵轮。擒纵轮转动要被擒纵分割,精确的分割释放的能量是精确走时的前提。分割能量要靠擒纵系的组件。

杠杆式擒纵机构自十八世纪中期发明以来,渐渐的成熟和稳定,当今钟表机心几乎是杠杆式擒纵机构一统天下。但上世纪乔治·丹尼尔(GeorgeDaniels)发明的同轴擒纵机构的出现改变了这一局面。

在机械表运动中,擒纵轮被叉瓦一次一次的挡住,然后释放一个齿后再次被挡住,周而复始。这个过程实现了准确的分割发条传过来的能量,分割时间的功能来自于摆轮的来回摆动,因为摆轮每摆一次,叉瓦会做相应的动作使擒纵轮跳过一个齿,这个结果直接的反映就是秒针的跳动。我们看到的秒针不是很平滑的走过,原因就是擒纵系的运动不是平滑连续的,而是间断的。

摆轮的左右摆动带动擒纵叉的摆动实现对能量的分割,那么摆轮为什么可以无休止的摆动?其实摆轮的摆动能量来自于游丝的变形能。整个系统的能量转化应该是这样:游丝的变形能释放→摆轮的运动势能→压缩游丝,转变为游丝的变形能并释放→重复。

杠杆式擒纵机构

杠杆式擒纵机构原理

对于腕表的擒纵系统来说,能量的传递是核心所在,也是一个擒纵机构设计是否高效、实用的重要体现。

机械表的能量来自于发条的变形能,能量的释放要被准确的分割,才能用于计量。机械腕表能量的传递链是:条盒轮-中心轮-过轮-秒轮-擒纵轮,擒纵轮转动精确的分割释放能量是腕表精确走时的前提。

图1中,擒纵轮顺时针旋转,擒纵轮齿冲击进瓦的冲面,进瓦由于这股冲力而向上抬起,根据杠杆原理(这可能是这种lever escapement 杠杆擒纵因而得名的原因) ,使左侧叉口拨动圆盘钉,开始带动摆轮逆时针旋转。随着擒纵轮继续向右转,擒纵轮齿在进瓦冲面上滑动摩擦至图2位置将脱离进瓦,这个过程中,进瓦继续受力,向上的分力使进瓦臂上抬,叉身右推,左侧叉口继续拨动圆盘钉。

当擒纵轮继续顺时针旋转至轮齿冲击出瓦冲面并滑动摩擦至即将脱离出瓦,出瓦借这股冲力向上抬,右侧叉口拨动圆盘钉,推动摆轮顺时针旋转。这一步跟前面的原理一样,也是在传递能量,只是一个在进瓦上一个在出瓦上。

就这样,无论是擒纵轮齿冲击进瓦冲面还是冲击出瓦冲面,当一个连续性的动作完成后,擒纵轮把来自条盒轮的能量传递给了摆轮。知道了杠杆擒纵机构运作原理,就会发现其传动效率其实并不高,原因有一下几点:

第一,它是靠滑动摩擦来传递能量的。这样就损失了大量能量,而且需要润滑,一旦失去润滑,能量传递过程中损失就会更大。这就是为什么机械表过几年后上表机去测,发现摆幅下降很大的原因。

第二,这样的机械运动受力方向与运动力矩的方向并不一致(请注意图1、2中的放大处) ,力的方向与运动方向有夹角。如果还记得中学物理的话,这个传输效率要乘上一个sin(α),大家直观的去想一下,推一样东西是直着正对着推省力还是斜着推省力。所以简单的说,这样的传动效率不高。
 

 

爱梅利自由锚式擒纵机构
爱梅利自由锚式擒纵机构

擒纵机构是机械钟表中介于“传动机构”(一轮到四轮)和“调速机构”(摆轮游丝)之间的一种机械结构。擒纵从字面上很容易理解:一擒、一纵,一收、一放,就是这一收一放的“擒纵机构”却是机械钟表的灵魂,究其原因体现为它在机械钟表中具有两个至关重要的作用:第一,擒纵机构将原动系统提供的能量定期地传递给摆轮游丝系统来维持该系统不衰减地振动;第二,擒纵机构把摆轮游丝系统的振动次数传递给指示装置来达到计量时间的目的。因此,擒纵机构的好与坏将直接影响机械手表的走时精度。而由此设计的擒纵结构在形式上也随着时间的前进不断演变……

 

双联式擒纵机构
双联式擒纵机构

自从机械钟表诞生至今700多年的发展历史中,钟表大师们发明了很多种类的擒纵机构:如十四世纪在欧洲出现了早期的擒纵机构——机轴擒纵机构(verge escapement);十七世纪后期发明的使用在 摆 钟 里 的 回 退 式 擒 纵 机 构(recoil

杠杆式擒纵机构
杠杆式擒纵机构
escapement);十八世纪早期由英国人格林汉(George Graham)发明的直进式擒纵机构(deadbeat escapement);十八世纪应用于怀表的工字轮擒纵机构(cylinder escapement)、镰钩式擒纵机构(virgule escapement)和 复 式 擒 纵 机 构(duplex escapement)等;十八世纪中期由英国人 Thomas Mudge发明的杠杆式擒纵机构(lever escapement)、制动式擒纵机构(detent escapement) 。

杠杆式擒纵机构的结构
弹簧锁止的天文钟式擒纵机构
弹簧锁止的天文钟式擒纵机构

目前,在这些种类繁多的擒纵机构当中,使用最普遍的是由英国人Thomas Mudge在十八世纪中期发明的杠杆式擒纵机构:它由擒纵轮部件、擒纵叉部件和双圆盘部件三部分组成。这种擒纵机构的另外一个名字是马式擒纵机构。所谓“马”指的是擒纵叉(马仔),也意味着这种擒纵机构的擒纵叉像匹骏马在飞奔。它被普遍使用的原因是其具有耐冲击、稳定性较高的优点。

结合图1和图2所示,杠杆式擒纵机构包括:双圆盘1、圆盘钉2、擒纵叉3、叉头钉4、进瓦5、出瓦6、擒纵轮7、限位钉8a和8b(限位钉8a和8b是相互对称的两个位置)、擒纵叉轴11、摆轴12和擒纵齿轴13。它们的组装方式是:圆盘钉2

缪支常力擒纵机构
缪支常力擒纵机构
被固定在双圆盘1上,然后再将它们与摆轴12及摆轮与游丝压合为一体组成摆轮游丝系统;叉头钉4被固定在擒纵叉3的叉头上,进瓦5与出瓦6一左一右被固定在擒纵叉3的叉身上;擒纵轮7与擒纵齿轴13被铆合为一个整体;限位钉8a与限位钉8b一左一右被固定在机心的夹板上以限制擒纵叉转动的角度。双圆盘1、擒纵叉3与擒纵轮7的旋转中心被设置在一条直线上。

杠杆式擒纵机构的特点
勃列格自由锚式擒纵机构
勃列格自由锚式擒纵机构

杠杆式擒纵机构的特点是利用擒纵轮齿与擒纵叉上的叉瓦在释放与传冲的过程中将手表机心的原动系统输出的能量传递给擒纵叉;而同时在其冲击和释放的过程中,擒纵叉口又会与圆盘钉相互作用,擒纵叉通过圆盘钉将来自擒纵轮输入的能量再传递给摆轮游丝系统。通过这一系列的杠杆原理,摆轮游丝系统才会源源不断的得到机心的原动系统输出的能量以维持该系统不衰减地振动,从而完成机心指示装置准确走时的使命。但是,这种杠杆式擒纵机构存在的缺点也很明显,那就是擒纵轮齿与擒纵叉瓦,擒纵叉口与圆盘钉相互之间必须通过碰撞过程才能将手表机心的原动系统输出的能量传递给摆轮游丝系统,而在此过程中由于摩擦力与撞击导致能量被大量消耗,只有少部分能量被传递给摆轮游丝系统。
杠杆式擒纵机构杠杆式擒纵机构

杠杆式擒纵机构的工作周期

图3a~图3h是杠杆式擒纵机构半个周期的工作过程示意图。根据图示,我们对其前半个周期的工作过程分三部分讲述:

首先,如图3a所示,此时擒纵轮7的一个齿的齿尖压在进瓦5的锁面上,并通过牵引的作用使擒纵叉3靠在限位钉8a上。此时摆轮在游丝力矩的作用下,由左振幅位置以逆时针方向向平衡位置运动,由于双圆盘1及圆盘钉2与摆轮是一体的,因此它们也会随摆轮一起逆时针方向运动。

其次,如图3b所示,此时圆盘钉2与擒纵叉 3的叉槽右壁发生碰撞,而擒纵叉3在此之前是静止不动的,由于圆盘钉2与擒纵叉3发生了碰撞使得擒纵叉3获得了一定的动能。另外,由于擒纵轮7的一个齿的齿尖压在进瓦5的锁面上,当圆盘钉2与擒纵叉3的叉槽右壁发生碰撞的同时擒纵轮 7的这个齿与进瓦5也会发生碰撞。碰撞结束后,圆盘钉2沿擒纵叉3的叉槽右壁相对滑动而擒纵轮 7的齿尖与进瓦5的锁面相对滑动,并把进瓦5逐渐提起。这时进瓦5将逐渐升起直到它的前棱与擒纵轮7齿尖接触为止,这就是摆轮释放擒纵轮 7的阶段,即释放阶段。
杠杆式擒纵机构

最后,如图3c所示为释放结束后擒纵轮7擒纵叉3的位置,释放结束后擒纵轮7通过擒纵叉 3的进瓦5给摆轮游丝系统补充能量,这个阶段叫做摆轮传递冲量阶段即传冲阶段:首先,擒纵轮 7的齿尖沿进瓦5的冲面滑动(见图3d),这个过程是从擒纵轮7的齿尖与进瓦5的前棱接触开始到擒纵轮7的齿尖与进瓦5的后棱接触为止,通常叫做瓦传冲阶段;然后,进瓦5的后棱沿擒纵轮7的齿冲面相对滑动(见图3e),通常叫做齿传冲阶段;最后,擒纵轮7齿尾与进瓦5的后棱接触时传冲阶段结束(见图3f)。整个传冲阶段是通过擒纵叉3的叉槽左壁推动圆盘钉2来完成的。传冲阶段结束后,摆轮获得了一定能量并逆时针向右振幅位置自由运动,此时擒纵轮7与擒纵叉3脱离然后继续转动直到它的另一个齿的齿尖碰到出瓦6的锁面上(见图3g)。由于擒纵轮7的牵引力矩的作用迫使擒纵叉3转动直到擒纵叉3碰到限位钉8b为止(见图3h)。以上所描述的就是杠杆式擒纵机构半个周期的工作过程,而另半个周期的工作过程只是方向相反但工作原理相同。

基于杠杆式擒纵机构耗能过多导致效率低这个弊端,钟表大师们另辟新径,设计出一种更为先进的擒纵机构——制动式擒纵机构,其代表就是欧米茄的同轴擒纵机构

 

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