结构 向传统说"NO" 杠杆式擒纵与同轴擒纵机构优劣性分析
2011《钟表》第四期
作者:李文军   来源:国家轻工业钟表信息中心   时间:2011-9-28


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。

导读

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(George Daniels)发明的同轴擒纵机构的出现改变了这一局面。

1999年欧米茄推出了首个搭载同轴擒纵系统的机心2500,2007年又推出全新设计的同轴机心8500,至此同轴擒纵机构已趋于成熟,完全具备了与杠杆式擒纵机构分庭抗礼的能力。 杠杆式擒纵机构既然已经“横行”了几百年,就说明他的技术已经很成熟了,那为什么又要研究新的擒纵机构呢?

知识准备

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。(作者注:精工新推出的spring drive技术,确实实现了连续平滑的运动)


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。

现在讨论能量守恒定律。在以上的能量循环中会损失能量。损失能量的部分有:摆轮与空气摩擦、游丝本身变形时会有部分转变为热能散发、各种轴的接触摩擦等。因此,如果游丝和摆轮在不获得外界能量的情况下,会是一个阻尼振动,摆幅越来越小,直至最后停止,机械表就不能工作了。顺其自然的会想到下一个问题,如何给擒纵机构补充能量。对这一问题的了解程度,可以判定一个表迷的专业程度。而这一问题的实质正是擒纵机构的真谛与迷人之处了。无数制表大师都是从考虑这一个问题着手进行擒纵机构的设计的。

杠杆式擒纵机构原理探究

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。但遗憾的是杠杆式擒纵机构的缺点就存在于这个能量的运动过程中。

现在来看一下机械表传统杠杆擒纵机构的一个重要的工作环节,就能清楚的知道这个缺陷产生的原因了。


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。 但这样的能量传递效率确实不高。

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。

一般修表师看到摆幅不够就知道要保养了,而其中原因,我不确定有多少人去深究。 我个人认为,手表保养主要是这个地方要加油,其它地方是齿轮传动,就算润滑差些,能量传递损失并不大。 所以,欧米茄的同轴说是8年保养一次是值得信赖的。

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。

同轴擒纵机构原理探究

看擒纵机构要重点看能量传冲的过程。同轴擒纵机构传冲能量过程很复杂,但我们只需要了解两个环节就能看出其先进性。


见图3:第一个过程是擒纵轮逆时针旋转,通过接触点A,带动叉身顺时针运动,从而推动圆盘钉按箭头方向运动。整个传冲过程是:从擒纵轮给叉身传能量,叉身再传给圆盘钉,圆盘钉再传给摆轮,请注意接触点,这里几乎不存在滑动摩擦的影响 (实际上也存在一定微小距离的滑动摩擦,只是微乎其微) ,而且受力方向几乎上是竖直方向上的受力,传冲的效率高。


见图4:第二个过程是主擒纵轮逆时针旋转,通过接触点B,带动圆盘上的宝石按箭头方向运动。这个传冲的过程是直接给圆盘传能量,圆盘传给摆轮。同样,几乎不存在滑动摩擦的影响,而且受力方向几乎是竖直方向上的受力,传冲效率高。 我们把图2接触点局部放大看一下 (见下图) ,擒纵轮初与宝石接触点在A,然后主擒纵轮齿在发条传过来的力矩的带动下,推动宝石向右运动,接触点达到B,接着推动接触点到达C后分离,完成能量的传冲过程。在这样一个过程中,明显可见是存在滑动摩擦的,摩擦的距离是宝石尖端到B点距离的2倍,那么具体有长呢。通过计算可得,对于一个30mm直径的擒纵轮,滑动接触距离不超过百分之五毫米。而整个擒纵轮运行一周,所有滑动距离之和也不超过1毫米,是远远小于杠杆式擒纵的摩擦距离的。



欧米茄同轴擒纵机构放大图

同轴技术也并非完美,它的问题就是两次传递能量的方式不同,途径也不同, 可能会造成向左和向右的摆幅不一致。 这是设计上的原因,只能通过提高工艺去改进,无法彻底解决,尽管如此,它还是比杠杆式的要高效,精准,耐用。


同轴技术再完善

理想和现实总是会有差距的,同轴技术也并非完美,它的问题就是两次传递能量的方式不同,途径也不同, 可能会造成向左和向右的摆幅不一致。 这是设计上的原因,只能通过提高工艺去改进,无法彻底解决。


第一批2500机心上市后,就出现过偷停的问题,我个人认为造成这个问题的原因有两个:

第一,理论上先进的事物,实践上未必就好,就像实验物理学家总是跟在理论物理学家后一样。

同轴从理论上是先进的,这个在学术上已有定论。 但为什么会偷停?无外乎:工程上对设计思想的实现有所偏差;工程上暂时没能达到理论设计上要求的加工精度。

第二,2500机心的改造不彻底,只是在原来的机心上换了擒纵机构。这是策略性的失误。我不知道当初欧米茄为什么这么决策,我推测厂家可能想事半功倍。但事实证明这是很大的一个失误。

因为传统的机心是专为了杠杆擒纵结构定做和优化的,一切很完美和谐。同轴的加入打破了这种完美与和谐,原动、传动系统与新的擒纵系统就会出现排斥。就像一辆F1赛车,各方面都调校都很完美,就等着车手去夺冠了。 这时突然把赛车的变速箱换成了另一种,试想这辆车还能夺冠么?现在的问题是不仅无法夺冠,连跑到终点都成了问题,这正是2500机心的真实写照。

好在欧米茄及时发现了问题,重新设计了机心。 也就是说为了新的“变速箱”设计了一个整车,当然能不能夺冠还不确定,但有两点是肯定的。一是这车能跑到终点了,二是这车的技术是领先的,而这辆“新车”就是8500机心,经过实践的证明8500机心是可靠的,如今欧米茄的大多数产品都采用了先进的8500机心,欧米茄也因此在技术上领跑同类产品。

各自的选择

传统的杠杆式擒纵之所以能够沿用百年,还是有很大的优点的,主要表现在:结构简单,生产工艺和精度要求不高,历史上成熟度高。


欧米茄2011年海马海洋宇宙系列,表壳直径45.5毫米,采用了钛金属,表圈采用了Liquidmetal合金材料,同时该表款搭载了欧米茄同轴8500机心和硅材质游丝。

同轴擒纵机构出现后,传统的杠杆擒纵机构的缺点无疑也展现在了世人面前。经过前文的分析后传统杠杆式擒纵机构的缺点可以总结为:

1. 滑动过程必然会产生一定的磨擦力,故若要确保擒纵系统的精准,便必须保持最佳的润滑状态。

2. 顺时针或逆时针的冲力,均通过擒纵叉从擒纵轮间接传输到摆轮,因而流失大量的能量。

缺点是很明显的,为什么很多一线大厂不愿意采用新技术呢,个人认为传统的瑞士厂家思想僵化、固步自封可能是一个原因;新技术要求更高的工艺和加工精度,需要很大的投资,也会有风险,可能是第二个原因;第三个原因,是一些品牌没这个技术实力。

这样看来,欧米茄的魄力确实值得称赞。

 
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