乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件

发布时间:2024-04-18 10:07:51    浏览::

全文总共12000字,110张动态演示图,多图预警。阅读需要一定耐心,但是读懂了这一篇,基础款的机械表,你都可以动手试试。欢迎点赞收藏!

在现代便携式设备的世界里,很难相信仅仅在几十年前,最方便的计时方式是机械表。与石英表和智能表不同,机械表无需使用任何电池或其他电子元件即可运行。

在本文中,我将通过一些动画模型来更加立体的演示,你所不容易看到的机械机芯的工作原理和结构特点。

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图1)

您在此处看到的称为机芯——机械表的内部部件,通常封装在金属外壳中。在这篇文章中,我关注的是手表机芯本身,因为漂亮的表壳只是隐藏了复杂的机械装置,而这些机械装置才是真正的明星。

整个手表机芯有很多零件,在这篇文章中我将解释每个零件的用途。制表行业充满了行话,因此许多组件可能都有不熟悉的名称,但您不用感到压力——它们的名称和零件将采用颜色编码以便于参考。

虽然整个手表机芯有很多部分,但构成任何手表核心功能的计时系统仅由七个主要元素组成,我们可以直线排列:

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它可能看起来不多,但这些部件有很多有趣的细节,以帮助秒针以正确的速度旋转。我们将从整个装置的动力来源开始梳理探索这些细节。

纯机械设备有几种不同的方式来为自己供能,但储存能量的最简单方法之一是使用弹簧。我们在日常生活中看到的大多数弹簧都是螺旋弹簧:

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当这样的弹簧被压缩时,它会储存一些能量,然后在失去压缩张力时释放这些能量。机械表通常使用不同种类的弹簧——螺旋扭力弹簧。这种类型的弹簧在扭转时会被压缩,松开时,扭力弹簧会向相反的方向展开,最终回到最初的状态:

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在机械表中,我们最终希望通过齿轮旋转带动指针指示时间,因此扭簧提供的旋转运动特别有用。机械表中使用的弹簧具有稍微复杂的形状——您可以在下面看到它处于放松状态的样子。拖动滑块时,它会压缩缠绕在一起积蓄能量,一旦松开,它就会恢复到原来的形状:

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正如你所看到的,这个发条弹性非常强劲。为了容纳弹簧,我们将其放入称为发条盒的外壳中:

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进入发条盒,弹簧仍想膨胀到原来的状态,但发条盒的壁将其保持在原位。这个弹簧是手表的能量储存器,它的名字——主发条,反映了它的重要性。

但是,在这种状态下,主发条无法发挥任何作用——它已经扩展到可能的最大尺寸。为了在其中储存更多能量,我们需要使用连接在主发条内侧的心轴将其紧紧缠绕:

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如果您仔细观察,主发条螺旋形的内部有一个小孔——您可以在演示图中看到它。发条轴心有一个小钩子可以抓住那个洞:

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当心轴转动时,它会拉动主发条,使其旋转缠绕积蓄能量。在下面的演示中,我们保持发条盒不动,通过拖动滑块来转动发条轴心:

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请看,一旦我们释放滑块松开心轴,主发条就会将心轴向右转回到放松状态。这并不理想——我们希望保持心轴固定,改为发条盒转动,以便它可以从主发条中获得动能,为手表的其他部分提供动力。

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为了在实践中实现心轴被紧紧固定,主发条最终旋转发条盒,就像上面的演示一样。我们需要注意另外两个使这种机制更可靠的小细节:

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1、主发条的末端固定有一条金属条。这条金属条回弹状态是笔直的,它为主发条向外提供了额外的张力,它推向发条盒的壁,会产生很大的摩擦力,使主发条保持在原位:

当心轴在内部旋转时,这会锁定主发条的外端。直到我们一直给发条上弦超过其最大容量,他们就会克服摩擦,让主发条在发条盒内部滑动——这可以作为防止零件断裂的安全机制。

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2、如我们所见,主发条在其放松状态下,形成一个具有不同曲率的 S 形。请注意,缠绕弹簧的内部部分的半径比外部部分小得多,并且外部是反向S形缠绕。如果回弹的弹簧只是一块直的金属,那么在缠绕之后,内部部分会比外部部分弯曲得多。但对于 S 形弹簧,弹簧的外部部分也处于类似的张力下,因为它们想要回到向相反方向弯曲的曲线,这有助于平衡发条在发条盒内时不同部分的张力。

为了固定主发条并防止灰尘进入,我们用一个盖子关闭发条盒:

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我们已经设法让一些零件旋转,人们可能会天真地认为我们可以在发条盒上安装一个表针来让它计量时间。但是,这不会真正起作用——你可以在下面的演示中看到这一点。当这个“手表”在你用滑块给主发条上弦并放开后表现如何:

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我们显然还有一些工作要做——指针旋转得太快了,在发条盒内的主发条耗尽存储的能量之前它只旋转了几圈。显然,这个装置没办法以任何可靠的方式计量时间。

如果我们想让我们的手表在一次上满链后连续运行大约 40 小时,我们就需要分针在这段时间内完成 40 次旋转。此外,秒针在这段时间内应该完成大约 40 × 60 = 2400 次完整的旋转。我们需要找到一种方法,将发条盒的少量转数转换为指针的大量转数。这就是齿轮的用武之地。

齿轮可用于改变两个不同轴之间的旋转速度。在下面的演示中,您可以通过观察我在每个齿轮上放置的小点来见证——黄色齿轮由较大的红色齿轮驱动,它旋转完成一圈所需的时间要少得多:

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两个匹配齿轮的一个重要参数是它们的齿数。一个齿轮上的齿与另一个齿轮上的齿互相咬合,因此在单位时间内两个齿轮旋转相同的齿数。如果两个齿轮的齿数不同,则这两个齿轮完成一次旋转所需的时间往往不同。在下面的演示中,您可以更改驱动红色齿轮和从动黄色齿轮之间的齿数比,以查看它如何影响该黄色齿轮的旋转速度:

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这些齿轮旨在相互配合,因此齿数比等于齿轮半径比。当主动齿轮比从动齿轮的齿数多时,从动齿轮比主动齿轮转速更快。我们可以通过这种机制来使手表的秒针在发条盒一次旋转时旋转多次。

我们计算一下必须在这里提高多少速度,发条盒可以在一次上链后旋转近 7 次,但我们希望秒针在同一时间内完成大约 2400 转。这需要的齿数比或半径比约为 343:1。让我们看看这在实践中会是什么样子。在下面的演示中,您可以使用滑块从更远的地方查看两个齿轮:乐动平台

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正如你所看到的,这个比例是荒谬的——要使红色齿轮适合任何尺寸合理的手表,黄色齿轮必须非常小,而且两个齿轮都只能使用非常细小从而脆弱的小齿。

取而代之的是,机械表使用一系列齿轮,多个齿轮成对工作——每一对都会在一定程度上提高速度。在下面的演示中,您可以看到参与此进程的四个轮子。请注意,大多数旋转轴上有两个齿轮。您可以使用滑块控制此齿轮系的旋转速度:

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发条盒作为第一个轮子,它驱动第二个轮子,第二个轮子驱动第三个轮子,最后驱动第四个轮子。请注意,每个大齿轮驱动一个称为pinion的小齿轮。小齿轮与下一个大齿轮安装在同一轴上,因此我们能够不断提高每个轴上的速度。这种方法具有显著的优势——我们能够使整体机构更小,更快使用一个以较慢速度旋转的中间轮来驱动分针和时针。

在我们讲完齿轮之前,让我快速提一下齿轮的形状。虽然许多较大的机器对其轮齿的轮廓使用渐开线形状,但机械表通常使用——通过在另一个圆的表面上滚动一个圆而获得的摆线轮廓。

让我们看看当我们通过主发条的心轴上链并让手表运行时,我们组装的轮系是如何工作的

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我们已经实现了秒针在发条盒一次上满链后旋转多次的目标,但是指针的旋转速度仍然完全不受控制。我们需要找到一种方法来控制储存在主发条中的能量的释放速率——我们将通过擒纵机构来做到这一点。

让我们先来看看构成擒纵系统的两个组件——擒纵轮和擒纵叉:

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请注意擒纵轮齿的不寻常形状——它与我们之前看到的齿轮非常不同。它的顶部有一个形状规则的齿轮,可以用来驱动这个轮子。

擒纵叉本身是由金属制成,但请注意其末端的两个粉红色透明部分,他们是由合成红宝石制成的。这种化合物不仅非常坚硬,可以防止磨损,而且与钢的摩擦系数也很低。我们可以通过观察这两个组件如何相互作用来了解为什么这些属性很重要:

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擒纵轮想要旋转,如红色箭头所示。擒纵叉阻止了这种运动,但是当我们来回转动擒纵叉时,可以让擒纵轮短暂地从那个牢笼中逃脱,然后再次停止。

我们可以从下图中看到这种交互的细节,这个机制可以通过简单地将擒纵叉从一侧移动到另一侧来控制擒纵轮的旋转。在下面的演示中,发条盒上满链后,通过齿轮系试图旋转擒纵轮,而使用两个按钮可以切换擒纵叉的位置:

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由于齿轮减速,发条盒的旋转几乎是看不见的。但是,如果您观察安装在第四个轮子上的指针,您会看到它在您前后摆动擒纵叉时轻轻旋转。

现在我们已经能够实现发条能量慢慢释放以驱动指针快速旋转,这时还剩下的最后一个组件,它会自动在擒纵叉瓦上来回敲击。为了让手表正确计量时间,敲击动作必须以适当的节奏发生。这就是摆轮的用武之地——它构成了手表跳动的心脏。

让我们回看一下我们之前看到的第一个扭力弹簧,一旦你从原来的位置扭转它,它就会来回摆动,一段时间后才会稳定下来:

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我们可以通过调整两个参数来控制这种周期性运动的速率。第一个是弹簧的刚度,主要取决于它的高度、厚度和长度,以及制造它的材料类型。第二个是质量及其分布,或者更准确地说,是弹簧旋转的物体的惯性矩。当更多的质量远离旋转轴时,惯性矩会增加。在下面的演示中,您可以调整弹簧的刚度和附加质量的惯性矩,以查看这些参数如何影响旋转周期:

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通过调整这些参数,我们可以使该系统以所需的速率振荡。这种使用带有附加质量的扭力弹簧的结构正是机械表用作精确计量时间的理论基础。摆轮系统由游丝和摆轮构成,在手表中,摆轮会以相当高的频率来回摆动:

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在摆轮的底部的圆盘上,你会发现另一个粉红色的透明宝石,叫做圆盘钉。虽然很小,但这部分非常重要——当摆轮旋转时,这颗宝石撞击擒纵叉的另一端,进而推动擒纵叉来回摆动。让我们首先看一下摆轮如何与其他部件相互作用的。在下面的演示中,滑块可以减慢或加快速度:

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让我们仔细看看这种互动,它值得更仔细地研究。下面的演示中,将一步步展示摆轮和擒纵叉互动的每一个动作。

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随着摆轮摆动,圆盘钉撞击擒纵叉,从而解锁擒纵轮。一旦解锁,由主发条驱动的擒纵轮推动擒纵叉,擒纵叉通过圆盘钉推动摆轮本身。这会导致摆轮获得一些能量,从而防止它在一段时间后停止——这相当于推动一个正在秋千上摆动的人。当摆轮回来时,它执行相同的动作,只是在另一个方向。

您可能还注意到擒纵叉末端黄色的突出horn和摆轮上绿色带缺口的圆盘之间的微妙舞蹈。这些部件确保擒纵叉只能在适当的时刻更换位置 -——这是一种安全机制,可防止手表在摇晃或掉落时锁定,也就是我们俗称的跳摆。

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一旦擒纵叉解锁擒纵轮,该轮会开始非常快速地旋转。这也是为什么齿轮的轮片上会镂空一部分的原因——这减少了齿轮的惯性矩,以便发条盒可以更快地加速它们。

值得一提的是,轮系不仅提高了齿轮的旋转速度,而且还减少了作用在摆轮上的力。发条盒本身转动得相当有力,但在擒纵轮处的扭矩大大降低,从而防止擒纵轮通过擒纵叉,给摆轮施加过度的力。

让我们最后一次看一下到目前为止我们所构建的全部内容。我现在以正常速度运行该机制:

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在这款腕表机芯中,摆轮每秒进行四次完整的来回摆动,在每个周期内敲击擒纵叉两次,总共每秒 8或每小时 28,800 次。虽然不同的手表可能有不同的速率,但它们都会每秒多次转动秒针,这给机械手表带来了秒针运动非常流畅的错觉。

原则上,我们这里拥有的部件足以让手表运行,但我们仍然缺少一些细节。更重要的是,我们刚刚将零件悬挂在空中,所以是时候开始正确组装完整的手表机芯了。

我们将从构成机芯主体的主夹板开始:

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请看,它上面有很多不同的安装孔位——我们将随着本文一点点填装它们。粉红色的元素又是红宝石。它们充当轴承,各种部件的轴可以在其中旋转。让我们近距离看一个简单的红宝石:

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请看,红宝石的一面上凹进去一个小盆。这是为了减少旋转部件的能量损失,方便在该空腔中放置少量特殊润滑油。这种润滑油会附着在宝石和在其内部旋转的轴上,以进一步减少摩擦,从而使手表在上链后运行更长时间,同时还减少了精密机械部件的磨损。

我们将安装上主板的前两个组件是擒纵轮和擒纵叉:

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然后在擒纵叉顶部装擒纵叉夹板。该夹板固定擒纵叉轴的另一端,并用两个螺钉固定在主板上:

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请注意,在这款手表中,擒纵叉的左右移动受到擒纵叉夹板中央两个点的限制:

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这确保了擒纵轮只能推动擒纵叉在这两点间左右摆动。接下来,我们可以把轮系的其余部分放进去。所有四个轮子都巧妙地排列,只占很小的空间:

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请注意,第四个轮子直接穿过手表的中心——它的长轴从主夹板另一边戳出。在组装结束时,我们将在长轴的末端连接秒针。

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为了将所有元件固定到位,我们用轮系夹板将它们盖住,它为所有旋转部件的轴的另一端提供支撑。轮系夹板用螺丝固定在主板上,以将所有东西固定到位:

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我们尚未安装的初始结构唯一剩下的部分是摆轮,它由一些小组件构成。我们将所有部件连接到摆轮夹板来构建它:

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请注意,摆轮游丝非常精密,这是手表保持精准的核心部件。黄色组件(游丝外桩)和青色组件(游丝内桩)都可以调节摆轮的参数。让我们看看它们是如何工作的:

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黄色的部件(游丝外桩)牢固的将游丝外端固定在摆轮夹板上,通过转动它们,我们可以调整摆轮及其圆盘钉的静止位置。这可以用来确保摆轮摆动的“滴”和“答”阶段花费相同的时间。

青色组件(游丝内桩)可以在游丝上自由滑动,但它们会减少或增加其有效长度,因为它们会阻止游丝的尾部自由摆动。通过调整青色组件的位置,我们可以修改单个节拍的持续时间并使手表运行得稍微快一点或慢一点。该速度调节也可以使用顶部的螺丝进行微调——它是一个偏心螺丝,所以转动时它会轻微左右移动青色叉子。

游丝由Nivarox等特殊合金制成,特殊的合金材料可以保持游丝的弹性不受温度差异的影响,从而提高整体计时精度。

摆轮组件的最后一部分是防震装置,它由外壳、两颗宝石和一个将所有部件固定到位的小弹簧组成:

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当手表突然抖动时,这种机制可以保护摆轮轴的脆弱尖端不被折断。让我们看看当摆轮轴晃动时这些部件如何协同工作:

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当手表震动时,轴的震动会被弹簧吸收,类似于汽车中的悬架系统。如果震动非常强,那么摆轮轴更粗更坚固的部分会接触夹板承担负载,从而保护脆弱的尖端不被折断。现在,我们将整个摆轮组件安装到迄今为止我们构建的机芯的其余部分。

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请注意,摆轮轴的另一端也位于嵌入主板的防震宝石上:

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完成这一步,我们实际上已经完成组建了之前看到的漂浮在空中的手表的核心结构。但是,您可能还记得有关如何确保主发条保持上弦状态的小细节乐动网页版。让我们看看如果我们真的尝试使用发条轴心给手表上弦会发生什么。为了清楚起见,我在发条盒的顶部切了一个洞,这样你就可以看到里面的弹簧:

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机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件

只要固定心轴,主发条就可以为手表的其余部分提供动力——您可以看到手表另一侧第四轮的秒针的旋转。然而,当我们松开心轴时,主发条找到了一种简单的方法,只需将心轴转回即可释放其张力——弹簧很快失去所有储存的能量,手表停止。

为防止主发条自行松开,我们需要限制心轴逆时针旋转,同时仍允许其顺时针旋转,以便为发条上弦。这个看似复杂的问题可以通过一种称为止逆棘爪(click)的非常简单的装置来解决——让我们看看它是如何工作的。

为了继续开发我们的组件,我们首先需要安装一个发条夹板——来固定发条盒并为其他部件提供支撑。在发条夹板下面,我们还将附加安装一个小杠杆,稍后我们将讲解它的用途:

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然后,我们将大钢轮拧到发条轴心上。请注意,大钢轮中心有一个方形开口,与轴心顶部的方形相匹配,可以套在轴心顶部:

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当大钢轮转动时,与之匹配的方形将驱动轴心转动。我暂时卸下螺丝以使这一过程看得清楚:

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以下是这个难题的三个关键部分。首先,我们把止逆棘爪安装在条夹板顶端的开口处:

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在有限的范围内,止逆棘爪能够以其小轴为圆心来回旋转:

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第二块拼图是棘爪弹簧。这小块金属很有弹性。当我们挤压它时,它想弹回来:

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我们稍微压缩一下这个棘爪弹簧,然后把它放进条夹板里:

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请注意,当我们尝试旋转click时,一旦松开,棘爪弹簧就会将其推回原位:

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最后一块拼图是小钢轮,它使用左旋螺纹螺钉固定在条夹板上—— 与大多数常规螺钉不同,这个螺钉在逆时针方向转动时固定:

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请注意小钢轮的齿如何与大钢轮相互作用。同时,小钢轮两个齿中的间隙刚好可以让止逆棘爪上的小柱落在两齿之间。如果我们逆时针转动小钢轮,它将与大钢轮啮合并为发条上弦。注意看小钢轮的齿每次如何将止逆棘爪推开,但只要有一些空间,它就会弹回:

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当止逆棘爪的小柱弹回并击中小钢轮时,就会发出咔哒声,这就是它的名字click的由来。

小钢轮逆时针转动让我们能够给主发条上弦,而当我们尝试将其向相反方向转动时会发生什么。在下面的模拟中,请注意小钢轮的齿是如何被止逆棘爪卡住,从而阻止了小钢轮旋转的:

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这个简单装置允许我们通过转动小钢轮来为主发条上弦,您可以在下面的演示中看到这一点。止逆棘爪还可以防止主发条自行松开:

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手表除了计量时间,手表的功能性也应包括显示分钟和小时。让我们看看这款手表机芯是如何通过一组齿轮组成所谓的运动作品来实现这些目标的。

在我们的机芯中,秒针被巧妙地安装在动力传动系统的第四轮上,因为该轮精准的每分钟旋转一次。为了使分针以正确的速度转动,我们需要另一个比这慢 60 倍的齿轮。值得庆幸的是,这款手表机芯的设计师使用了一种巧妙的方法来利用其他齿轮的一些减速效果。

仔细看,可以看到手表轮系的第三个轮子一端的小齿轮,通过一个开口从主甲板另一侧露了出来。

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我们可以将带有驱动轮(蓝色部分)的分轮安装到手表的中心,并让驱动轮与小齿轮啮合:

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当第三个轮子转动时,它转动驱动轮,从而带动分轮。通过将分针安装在分轮上——所有相关齿轮的齿数都经过仔细计算,以实现与秒针相比所需的 60 倍减速。让我们看看下面演示中的秒针和分针:

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时针需要比分针慢 12 倍,但我们可以使用两个额外的齿轮轻松实现。跨轮(红色)与分轮啮合,时轮(黄色)与跨轮的小齿轮啮合:

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通过将时针安装在时轮上,我们就可以完成驱动手表指针的机构的组装。我还附上了一个标有十二小时的表盘——它让我们可以读取指针显示的时间:

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计时是每块手表的基本功能,但手表还可以添加一些简单却实用的功能,比如日期。虽然我们的机芯不是很复杂,但它仍然可以在表盘右侧的小窗口中显示当前日期。让我们看看这个功能是如何实现的。

这款手表的日期装置由四个主要部分组成——日历卡簧、日历轮、带有齿轮的日历夹板和日历盘——上面印有所有可能的 31 天:

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为了解释这个机制是如何工作的,我将首先隐藏所有不相关的部分。我还将从日历轮上取下盖子,它露出隐藏在其中的小扭力弹簧。让我们看看当时轮旋转时这些部件如何协同工作:

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当时轮转动时,它会转动日历夹板上的齿轮,然后该齿轮的另一侧带动日历轮和它的扭力弹簧。扭力弹簧勾在日历盘的齿上并弯曲积蓄力量,但在某个时候它开始向前推动日历盘移动。当日历盘旋转足够多时,日历卡簧将迅速卡到日历盘下一个齿的位置,以实现日期的变换。

您可能想知道为什么我们首先需要这种复杂的机制。人们可以天真地假设我们可以直接将日期环的旋转与时轮的旋转联系起来,类似于我们如何将时轮与分钟同步旋转,尽管速度较慢。但是,这会导致当前日期在表盘的小窗口下不断旋转,难以阅读。您可以在下面的演示中看到左侧的行为:

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在右侧,您可以看到由我们刚刚构建的机制操作的日期显示——日期仅在午夜左右发生变化。您可能已经意识到,我们机芯中的日期跟踪并不是特别聪明。这只手表每个月总是计算 31 天,所以我们必须在较短的月份发生后的第二天更改日期。此外,如果手表有一段时间没有运行,时间本身可能设置错误。我们需要找到一种方法来快速调整手表上的日期和时间。

值得庆幸的是,驱动分针、时针和日期的齿轮都是相连的,所以我们可以通过转动一个齿轮来调整这一切。我将简要隐藏时轮以使事物可见:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图67)

请注意,当我们转动拨针过轮(红色)时,只有分轮上半部分(绿色)转动。通常分轮的上半部分(绿色)和分轮的驱动齿轮(蓝色)紧紧地咬合在一起——它们通常一起转动。然而,当驱动齿轮因为被轮系的其余部分(三轮)阻挡而无法旋转时,分轮上半部分(绿色)可以克服互相间的摩擦力并自行旋转。这让我们可以在不干扰轮系的情况下设定时间。

时轮就位后,拨针过轮的旋转也会设置小时,如果我们转动齿轮足够长的时间,日期也可以随之变更:

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我们的手表每走一步都变得更加完整,但我们的操作方式仍然存在一些不便。要改变时间和给主发条上弦,我们必须转动机芯的内部齿轮,这些齿轮通常隐藏在表壳内。

此外,对于持续时间少于 31 天的每个月,我们目前都只能通过调整时间变更日期,因为这是目前调整日期的唯一方法。理想情况下,我们会找到一种方法将日期与时间分开设置。

为了解决这些问题,我们将引入上条拨针装置,这是一种可以让我们解决所有这些问题的机制。

首先,让我们看一下表冠,它是操作手表的主要部件,以及连接在表冠上的把杆 :

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图69)

表冠位于手表的外部,由用户直接触摸。请注意,把杆的前端一个有方形横截面的部分。把杆带有两个附加组件——立轮和离合轮:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图70)

立轮有中心是圆形开口,因此它可以轻松地在把杆上旋转。然而,离合轮中心是方形开口,该方形开口刚好套在把杆前段的方形部分。当表冠转动时,这种方形联锁使离合轮与把杆一起旋转:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图71)

让我们将这些部件放入主夹板中。我暂时移除了日期盘,以免妨碍我们:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图72)

请注意,立轮与手表另一面的小钢轮啮合。

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图73)

要真正转动立轮,我们首先必须推动离合轮与它啮合——我用下面的蓝色箭头表示这种推力。如果我们现在转动表冠,立轮和离合轮上相邻表面的匹配形状会使它们互锁。我们最终能够通过顺时针转动表冠来转动小钢轮和主发条上弦装置的其余部分:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图74)

但是,如果我们将表冠朝另一个方向旋转,两个齿轮相邻表面的形状会将立轮推开,因为小钢轮和立轮不能朝相反方向旋转。这种安全机制确保表冠在“错误”方向上的任何强力旋转都不会破坏机芯。

此时,我们已经实现了通过简单地转动表冠上弦的目标。但是,我们还有一个小问题要解决——我们需要一些装置来施加将离合轮推向立轮的力。此外,在某些情况下,我们希望表冠的旋转用于不同的目的。除了给主发条上弦外,我们还希望能够快速调整日期,以及单独调整时间。

我们将通过推进和拉出表冠来选择和实现这三个功能,首先,我们将拉档(绿色) 和活动机(黄色)放置到位:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图75)

当我们将表冠推进拉出时,这两个部件将在它们的小枢轴上旋转,它们之间的相互作用相当复杂:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图76)

让我们隐藏其他部件,单独观察——当我们推进和拉出表冠时,拉档和活动机发生的错综复杂的联动:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图77)

把杆上的一个凹槽与拉档(绿色)上的一个小柱子锁定,使其随着表冠的拉动而旋转,同时防止表冠被拔出。拉档上的另一个柱子推动并与校正活动机的位置,使其也跟着旋转。

到目前为止,该机制并没有做出任何有趣的事情,所以让我们将拨针轮(橙色)放在活动机的顶部:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图78)

此时,拨针轮可以绕着它的轴心自由旋转。但如果我们将表冠推进拉出,我们可以看到拨针轮与跨轮相啮合:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图79)

通过转动拨针轮,我们就可以设置手表上的时间,但要转动该轮,我们需要滑动离合轮与其啮合,以便表冠和连接的离合轮旋转拨针轮:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图80)

这带来了一个挑战——我们需要精准控制离合轮的位置,以调整不同模式接合立轮来为主发条上弦,或使用拨针轮来设置时间。这就是离合杆的作用:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图81)

在下面的特写中,您可以观察到离合杆安装在离合轮上的凹槽中,因此当离合杆移动时,它将推动滑动离合轮滑动到不同位置。而当我们拉动表冠时,离合杆本身会被拉档(绿色)推动:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图82)

整个上条拔针装置设计完成,我们还需要完善一些小细节。首先,我们希望将所有部件保持在原位——确保它们都保持在精心放置的初始位置上。其次,当我们拉动表冠时,它的运动并没有明显的起止点——转动表冠时,我们可能会不小心改变当前模式。最后,当我们将表冠完全推入以切换回上链模式时,我们希望离合杆能够准确的返回其初始位置。这就是拉档夹板(紫色)的用武之地——它可以满足以下三个目的:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图83)

拉档夹板(紫色)是用螺丝固定在主夹板上的,这样有助于压住其他部件,防止组件位移。让我们看看拉档夹板如何帮助我们解决其他两个问题。注意我用灰色箭头指出的三个小凹槽:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图84)

当我们推入和拉出表冠时,拉档上的小柱最终会卡入这三个位置之一。为了在凹槽之间跳跃,那个小柱子会弯曲拉档夹板的长臂,这会产生将那个小柱子推入最近的凹槽的张力。我们最终得到了三个不同的档位,所有部件都会参与其中——一旦锁定,我们就可以可靠地转动表冠,而不会有意外改变当前模式的风险。

最后,在拉档夹板的另一端,我们还有一个薄的弹性钢片(箭头部位),它保持离合杆恢复初始位置的张力——我用灰色箭头指出它的位置:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图85)

当离合杆旋转时,那块有弹性的金属片想要将离合杆拉回来。当表冠处于日期或时间设置模式时,拉档会阻止离合杆返回,但一旦我们返回上链模式,拉档夹板上的弹性金属片会将离合杆旋转回来,导致离合轮也向后移动。

此外,如果您还记得,我们在开始研究上链机构之前,在主板上放置了一个小杠杆,这个小杠杆叫止秒簧。止秒簧的短端安装在离合轮的凹槽中。当我们拉动表冠并移动离合轮时,该杠杆就会旋转:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图86)

当转动到最终位置时,止秒簧的长端会与摆轮摩擦,阻止其移动——这会使手表停止运转。所以,当我们将表冠完全拉出进入时间设置模式时,止秒簧会挡住摆轮,从而使手表停止运转,这种动作被称为hacking。这让我们可以停止秒针设置时间,从而进行更精确的时间调整。

让我们在所有部件都到位的情况下再看一下整个机制的运行。当表冠完全推入时,它的旋转将旋转离合轮,从而转动立轮,然后是小钢轮,最后是大钢轮来为主发条上链:

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当表冠被完全拉出时,它的旋转转动离合轮,拨针轮,然后是跨轮,时轮和隐藏的分轮,让我们可以设置时间:

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最后,当表冠被推到一半时,我们进入日期设置模式,但要快速设置日期,我们需要增加一个安装在主夹板上小凹槽中的日期校正器(黑色):

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图89)

请看,日期校正器可以在该凹槽中自由滑动,当我们将表冠拉到第二档位并转动它,我们最终会通过旋转拨针轮(橙色)旋转日期校正器,然后它可以与日期盘内侧的齿啮合。日期卡簧确保我们将日期盘锁定在有效位置:

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就个人而言,我认为这个被称为上链拨针系的整个机制是一个真正的机械奇迹。错综复杂的互动平衡,每个部分都扮演着许多不同的角色。较旧的怀表由单独的钥匙上弦,表冠仅用于设置时间,但现代手表没有上弦钥匙,只需几个精心塑造的部件和一个表冠,我们就可以控制手表的各种设置。在我们继续之前,让我们用日历夹板固定剩下的部分:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图91)

我们几乎完成了手表机芯的构建,只剩下最后一个组件,将使手表在我们手臂摆动时自动上弦。

当佩戴手表的人移动手臂时,这只手表也在不断变化着方位。即使是悠闲地散步,手表也会相对于地面轻微摆动。通常情况下,用于移动手表的所有能量都会浪费掉,但自动上链结构能够捕获其中的一部分来为主发条上弦。

自动上链机制的主要部分是可以围绕中心自由旋转的自动陀(蓝色)。当自动陀旋转时,它会驱动一堆齿轮,最后连接到大钢轮上,驱使大钢轮为隐藏在发条盒内的主发条上弦:

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自动陀可以自由旋转在这里至关重要。在下面的演示中,您可以看到当手表在空间中旋转时,自动陀是怎么运动的。始终向下的重力——它总是将自动陀向下拉动,使其相对于机芯的其余部分转动:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图94)

如果您还记得我们对手表上弦的讨论,您可能还记得小钢轮只能向一个方向转动,止逆棘爪会阻止主发条自行松开。然而,自动陀可以来回摆动,这通常意味着连接到该自动陀的任何齿轮系统也将在两个方向上旋转。

如果我们单独观察自动上链机构,您会发现——当滑块来回摆动自动陀时,输出齿轮(橙色)只向一个方向转动。我在那个齿轮上放了一个小黑点,以便更容易观察到:

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要了解这是如何发生的,让我们首先看看机制中涉及的所有部分:

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绿色齿轮直接铆合配重的自动陀,因此当自动陀旋转时,该齿轮转动两个黄色自动轮。这种组合的大部分与我们之前看到的东西相似,齿轮由夹板固定在适当的位置。这里的关键就是这对双向自动轮,我们用黄色和蓝色分别标记自动轮的上下两部分,让我们看看它的内部构造是怎样的:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图97)

蓝色齿轮可以在黄色齿轮上自由转动,而鱼形杠杆也可以通过蓝色齿轮上的孔围绕其轴线旋转。请注意,黄色齿轮的内部具有特定的形状。在下面的演示中,我移除了蓝色齿轮的中央部分,以便您可以清楚的查看两者是如何相互作用:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图98)

请看,当我们逆时针旋转蓝色齿轮时,杠杆只是在黄色齿轮的内部滑动。但是,当我们顺时针旋转蓝色齿轮时,其中一个杠杆卡住黄色齿轮内部的凸起,并开始转动黄色齿轮。这种巧妙的机制能够实现仅在一个方向上将动力从蓝色齿轮传递到黄色齿轮。

自动上链组件包含两个这样的齿轮——一个在顺时针转动时驱动输出齿轮,一个在逆时针转动时转动输出齿轮。在下面的演示中,您可以看到当自动陀左右摆动驱动绿色齿轮时,两个自动轮是怎么工作的:

乐动·LDSports:机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件(图99)

请注意,只有当它们将动力从自动陀齿轮直接传递到输出齿轮时,我才会突出显示起作用的那一对黄色和蓝色齿轮。一次只有一对这样的齿轮处于工作状态——另一对要么空转,要么充当中间件来改变旋转方向,以确保输出齿轮始终在给主发条上链。

请注意,输出齿轮相对于铆合在自动陀上的齿轮旋转量非常小,通常自动陀旋转许多圈,输出齿轮才旋转一圈。因此需要大量摆动手臂才能完全上满主发条。当然,在一天的活动中,通常八到十个小时就可以确保主发条处于满链状态。

到目前为止,在所有演示中,我们都可以轻松地以相当大的放大倍率查看零件,但在下面的最后一个演示中,您可以看到所有组件的微小程度:

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机械表的魅力:110张动态演示图,带你读懂机械表的内部部件

围绕机芯的圆角矩形对应于信用卡的大小——希望这能说明我们讨论过的所有部件有多小。

在 1970 年代,机械表开始被石英表取代,石英表通过电子计数石英晶体的振动来计量时间。随着技术的进步,现代聪明的转世与他们的原型,只是在形状和手腕上的位置上相似。

机械表不如数字表准确,它们需要维护并且更脆弱。尽管存在所有这些缺点,但这些设备显示出真正的工程技术。通过创造性地使用微型齿轮、杠杆和弹簧,机械表让一堆休眠的部件,成为真正的生命。


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