理解 行星式陀飞轮
作者:曹维峰   来源:《钟表》2012年第6期   时间:2012-12-29

目前在形形色色的陀飞轮大家庭中,有那么一位成员俗称“轨道式陀飞轮”,其实按照我们从事机心研发的角度来讲,更专业一点的名字应该是“行星式陀飞轮”。 它的基本概念是陀飞轮被放置于可旋转的转盘上,此转盘通过机械表机心内原动系统提供的动力,以机心的轴心线为轴旋转,同时驱动陀飞轮自转并且随着转盘围绕机心轴心线做周转运动,这就是所谓的“行星式陀飞轮”。此类陀飞轮腕表的优势在于既自转又公转的陀飞轮,其内部的摆轮游丝系统和擒纵机构的运动轨迹更加复杂,理论上可以更好的减少由于地球引力所导致的钟表位置误差从而提高了腕表的走时精度。



一、行星式陀飞轮的核心行星机构

我在上一期的双陀飞轮文章中给大家介绍了,差动机构的特征是它既可以分解运动或动力又可以合成运动或动力,因此利用它可以将原动系、显示系、传动系与两个陀飞轮完美的连接到一起从而组成双陀飞轮机心。那么与差动机构相对应的行星机构,它的特征是位于机构中心位置必须有一个固定不动的太阳轮作为动力的输入源,传动轮系和陀飞轮都将被放置于以此太阳轮的轴心线为轴旋转的支架上,在动力的驱使下它们随着旋转支架做既自转又伴随着公转的行星运动,此时动力就会通过中间位置的太阳轮输入给传动轮系,直到驱动陀飞轮运转起来。此时,大家应该了解行星机构的几个关键点是太阳轮、旋转支架和行星运动的部分。

说到这里,我想为大家举个最简单同时也是大家最熟悉的例子——陀飞轮。陀飞轮的结构特点以及工作原理我在上一期已经为大家做了比较详细的讲解,通过前文的概念引出,我们可以联想到陀飞轮本身就是典型的行星机构,它的整体框架是旋转支架,擒纵轮是行星运动部分,而最关键的太阳轮是被固定于夹板上的秒轮片。当被固定于陀飞轮旋转框架最下方,并且连接机心内主传动轮系的秒齿轴得到动力被驱动,使得擒纵轮的擒纵齿轴在框架的带动下,围绕固定不动的秒轮片公转同时伴有自转,擒纵轮片与擒纵叉被触动开始工作起来,这样擒纵机构得到了动力输入,进而启动了摆轮游丝系统,那么旋转的擒纵调速机构——陀飞轮就像人的心脏一样开始跳动了。

通过我对于现有各品牌的行星式陀飞轮所做的研究,基本上可以分为三类,而这三类的划分标准则是行星机构支架的旋转速度——第一类:时针行星式陀飞轮其旋转支架的速度为每12小时或者24小时转动一周;第二类:分针行星式陀飞轮其旋转支架的速度为每60分钟转动一周;第三类:秒针行星式陀飞轮其旋转支架的速度为每60秒转动一周。

二、宝玑时针行星式双体陀飞轮

宝玑在几年前推出了一款很有创新意味的行星式双体陀飞轮腕表,据相关资料记载此腕表的技术来自于一位独立制表大师。这款腕表的最大创新之处是它同时融合了行星式陀飞轮和双陀飞轮两个概念的陀飞轮,也就是说此陀飞轮同时具备了差动机构和行星机构来实现双陀飞轮和行星式陀飞轮完美的结合在一只机心中,并且互相协作。我对于宝玑的这款陀飞轮做了很长时间(将近一个月)的研究,并且在理论计算和平面布局上都做到了真实再现——因为我没有实物(实在太昂贵了),只能在虚拟的世界里寻找乐趣了。最后,我终于将这款最具有代表性的行星式陀飞轮专利技术解密,取得的成果与大家共享。


宝玑的这款陀飞轮在外观方面有几点需要我们特别注意(图1:外观图):首先,表盘面上两个陀飞轮11,12对称分列两边;其次,它们通过一根上支架8作为上支承,同时在其上面设置了时针9,并且覆盖了陀飞轮11,而陀飞轮12被设置了秒针14,分针为70;最后,两个15代表了此机心拥有两个原动系统作为两个陀飞轮11、12的动力源。我们看过了外观,再进一步深入探索此陀飞轮机心的几个显著地特征:

第一个特征:此机心的主传动轮系(图2:主传动轮系平面图)——条盒轮16、17通过中间的传动过轮为两个陀飞轮11、12提供动力,那么两条完整的传动链在条盒轮16陀飞轮11与条盒轮17陀飞轮12之间构成,并且这两条完整的传动链条随着可旋转的支架以时轮的速度公转。而将这两条看起来相对独立的传动链条完美串联起来的正是位于机心中心位置的核心部分——行星机构。


第二个特征:此机心的行星机构(图3:主传动轮系剖视图)——固定不动的太阳轮52,承载行星轮64的行星支架60以及固定于此支架的中心轮片62,输出中心轮片66以及中心齿轴65,它们组成了一套完整的行星轮系。此轮系在机心中的关键作用是利用了行星轮系分解运动的特性--将两个原动系16、17的输出动力通过此轮系均衡的输入给两条传动轮系直到两个陀飞轮11、12,同时分别以被设计好的绝对转动速度每1分钟转动一周;合成运动的特性——将两个陀飞轮11、12的计时信息通过两条传递轮系输入给位于中心的行星轮系,再通过此机构平均化以后,从而控制了旋转盘的自转速度,而旋转盘得到的速度得益于它自身的自转带动了它所承载的两条传动链尤其是陀飞轮的自转得到的速度与以旋转盘也是机心的中轴线为旋转轴心线公转,最后得到了旋转盘每12小时旋转周的这个速度。

第三个特征:此机心的显示系以时轮速度转动的齿轮76被固定在承载两条传动链条的旋转盘上,由于此转盘受到了两个陀飞轮11、12的速度控制而具备了时轮的转速,使得齿轮76驱动跨轮74,带动分轮73形成了时间的显示。


第四个特征:此机心的拨针系统是个最大的亮点(图4:拨针系统图),之所以这么说是因为前面我们已经了解到这款腕表的时针与行星转盘是固定为一体的。当佩戴者想要调校时间的时候,转动把头驱动拨针系统,此时原先被固定不动的太阳轮52被驱动开始旋转,这个时候大家头脑一定要冷静,想清楚了此时原先的行星机构顿时变为了差动机构,两者转换的标志是不动的太阳轮变成了可以转动的动力输入轮,承载传动链条的行星转盘连带着时针被调校,同时分针也被联动调校。我想为大家揭秘一下那个太阳轮为什么会可以从不动变为可动呢?答案对于有些了解钟表知识的朋友应该可以联想到,那就是摩擦机构。这类机构在钟表内使用相当普遍,尤其是摩擦分轮机构被广泛应用于机械表当中,而宝玑这款腕表根据此原理实现了行星机构到差动机构的转换,并且完美实现了时间的调校功能,此为设计大师绝对的智慧结晶。


第五个特征:此机心的上弦系统(图5:上弦系统平面图,图6:剖视图),对于前文我为大家讲到的主传动有印象的朋友会想到,两个原动系都是处于运动状态,那么怎么才能上弦呢?绝顶聪明的制表大师给出了答案——差动机构,答案的来源实际上我们已经学习过多次了,仍旧是利用了差动机构对于运动的分解与合成特性。此机构的核心部分行星支架轮91被设置了两个行星轮94(两个行星轮的设置目的是为了让力传输的更加均衡),它们同时与既有内齿又有外齿的第一上弦齿轮92以及第二上弦齿轮89和93连接,而第一上弦齿轮92和第二上弦齿轮89和93分别再连接了两个原动系统的上弦棘轮20和97。当你通过把头转动柄轴77的时候,上弦轮103将会通过中间齿轮驱动了行星支架轮91,两个行星轮94在行星支架轮91驱使下开始自转并且公转,第一上弦齿轮92以及第二上弦齿轮89和93被输入了动力分别带动了上弦棘轮20和97在同一时间为两个处于运动状态的原动系内发条卷紧储存能量。


第六个特征:此机心被设置了两个柄轴来实现机心与外观的联动(图7:双柄轴机构图)。由于宝玑的这款行星式双体陀飞轮腕表机心分为了两层基础层和旋转层,负责显示的轮系和拨针、上弦轮系以及它们的控制装置都被设置于基础层,旋转层上设置了原动系、传动系和陀飞轮,这种机心的设置结果是负责接受外力启动拨针系和上条系的柄轴2的位置过于靠近机心底部,它与顶部的距离比例严重失衡,如果这样作出外观将会很不美观。为了可以很好的解决这个问题,设计师想出了再增加一根柄轴1的方法,也就是说这根柄轴1被设置于外观表壳内相当于普通的柄轴功能接受外力,同时此柄轴1通过齿轮35与处于机心内的被设置齿轮44的柄轴2联动,这样安装把头的柄轴1的位置被提升了很多,使得外观的整体布置可以得到更好的比例。

三、简 • 杜南分针行星式单体陀飞轮


独立制表品牌简·杜南在几年前推出了由制表大师Claret Christophe创新设计的行星式陀飞轮引起了大家的注意。根据我所检索到的专利来考证,此行星式陀飞轮应该是在1999年被申请专利的,也就是说它很有可能是行星式陀飞轮的鼻祖。此款陀飞轮腕表在外观上最显著的特征是没有把头,光光的圆形表壳引起了人们的联想。下面我通过专利附图为朋友们解读一下此行星式陀飞轮的技术特征(图8:专利图):


第一个特征:专利图中FIG1和FIG2显示了此陀飞轮腕表的基本特点是中心时分针,表盘面上相对应的原动系5和陀飞轮6,并且没有把头。那么从实物图的正面可以印证了此外观特征,而背面也揭开了环扣式调校装置替代传统把头上弦与调校时间的秘密。

第二个特征:FIG3清楚地表明此机心的原动系5和陀飞轮6都被设置于行星机构的转架上(这样的设计我的理解是为了让机心乃至腕表厚度做到最小,当然机心的整体结构布局合理性也是被考虑的),作为转架的承载滚珠轴承为26。

第三个特征:此机心的分轮15与转架12通过摩擦装置51连接在一起,这说明了行星机构的转架12旋转速度为分轮的速度每小时转动一周,并且带有摩擦装置51意味着,当你需要调校时间的时候,转架12与分轮15可以分离开来,这样设置于分轮15上的分针16就可以被调校了。此外,时轮17被设置于转架12的下方,通过跨轮19与分轮15连接并且转动速度已经确定,时针18则以每12小时的速度转动。

第四个特征:环扣20通过离合装置与上弦轮61以及拨针轮60连接,在需要上弦或者调校时间的时候,拉动环扣20进入设定的档位就可以实现你所想要的功能了。

由于篇幅的限制,我将行星式陀飞轮的典型代表为大家做了解析,实际上还有其他品牌创新了独具风格的行星式陀飞轮。比如伯爵的分针行星式陀飞轮(图9),它与前文提到的品牌最明显的区别是行星机构的转架不是圆盘式,而是被设计成为了指针形状,伯爵的经典薄型偏心式陀飞轮被设置于分针的尾端,指针端被设置了与陀飞轮相对应的重物,这种平衡方法大家可以联想到小时候坐的跷跷板,在运行当中分针在机心动力的驱使下旋转,而陀飞轮的动力输入仍旧是我们说过的行星机构太阳轮,陀飞轮的启动再控制分针转架以每小时旋转一周的速度转动,同时带动时针;最后想为大家介绍的是近期非常值得关注的品牌卡地亚推出的秒针行星式陀飞轮(图10),这款陀飞轮是我近期打算重点研究的,印象中它前后推出过两款,最新推出的版本采用了高科技材料给人以耳目一新的感觉,全透明的陀飞轮支架和擒纵机构,不得不叹服卡地亚在新技术、新材料方面的研发走在了钟表制造业的最高端,而以秒轮速度每分钟旋转一周也是我不可想象的,此行星式陀飞轮好似风一样划过表盘,实际上采用新型材料并不是为了作秀,它的初衷仍然是考虑陀飞轮整体的重量必须降至最低,这样秒的速度才可以发挥到极致,这是卡地亚研发工程师的绝妙之处。

 
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