结构 海鸥无卡度机械表
关于提高走时精度及其摆轮游丝系统分档原理与方法
作者:曹维峰 薛超君   来源:《钟表》2012年第2期   时间:2012-4-20



海鸥同轴无卡度陀飞轮表

海鸥表自2009年设计研发至2011年批量生产的“无卡度”摆轮游丝系统,历经三年的时间已经基本成型且装配于海鸥编号为ST8260W的陀飞轮表并推向市场,使得“无卡度”这个在国产表里几乎难得一见的特殊结构展现在我们的眼前。其实这种结构对于瑞士钟表来说已经是常用装备并且它的历史也有上百年了,尤其是古董怀表可以见到各种千奇百怪的“无卡度”结构。如今此类结构更多的被应用到诸多知名品牌的机械表当中,特别是以百达翡丽为代表的顶级机械表当中。这里,让我们通过机械表的计时原理来了解“无卡度”的基本概念以及它对于机械表的计时精准度到底有什么改善,以至世界诸多的顶级品牌表青睐于此机构。

无卡度结构解析

根据钟表原理,机械表摆轮游丝系统振动周期公式如下:



式中:T为振动周期,π为圆周率,Jb为摆轮转动惯量,L为游丝长度,h为游丝厚度,b为游丝宽度,E为游丝的弹性模数。

根据此公式,我们可以知道机械表的振动周期与游丝的工作长度和摆轮转动惯量成正比,即随着游丝的工作长度和摆轮转动惯量的数值变大,振动周期将随之变大,也就是说振动频率将变小,机械表会走慢,反之则结论相反。为了将走快或者走慢的机械表调整到标准频率,有两种调整结构可以采用:

第一种是“有卡度”结构,它是通过调整快慢夹子的位置来改变游丝的有效长度从而达到改变摆轮游丝系统振动周期进而调整机械表的走时误差;

第二种就是我们前面已经提到过的“无卡度”结构,此结构的主要特点是取消了有卡度结构中的快慢针调校装置。并且通过调整摆轮外缘均布螺钉的进与出或者是可转动砝码的偏心位置,来改变摆轮转动惯量从而改变摆轮游丝系统的振动周期,进而调整机械表的走时误差。



ST8260硅游丝无卡度陀飞轮

这两种结构各有自己的优缺点,“有卡度”的优势在于调整相对简单便于在大批量生产中运用。而它存在的缺陷也很明显,那就是当表需要调整走时误差拔动快慢针时,为了便于调整,游丝在夹子活动范围内的那一段形状是以摆轴轴心为圆心的圆弧并且游丝与夹子之间要有一定的间隙。游丝在此间隙中会有三种状态:1.摆轮游丝系统振动时,游丝有时贴内夹,有时贴外夹;2.摆轮游丝系统振动时,游丝只贴到一夹(内夹或外夹),而不贴到别一夹;3.摆轮游丝系统振动时,游丝不贴内、外夹;而前两种情况是快慢针造成游丝力矩非线性的根本原因,也是有卡度机械表通常的工作方式,根据钟表原理知道这将产生摆轮游丝系统的等时性误差,会直接影响手表的走时精度。

“无卡度”结构的优势正是它取消了有卡度结构里影响机械表计时精度的快慢针,克服了快慢针对于机械表带来的等时性误差,取而代之的是把摆轮设计成为可调节其转动惯量的结构。一种是在摆轮外缘或者内缘设置螺钉或者是螺母,通过改变它们离摆轮中心位置的远和近,从而改变摆轮的转动惯量;另一种是在摆轮靠近外缘的平面上设置可以转动的砝码,一般砝码是半圆形的,通过转动砝码的位置和砝码非圆性的偏心效应,从而改变摆轮的转动惯量。这两种结构最终的结果就是通过改变摆轮的转动惯量来改变振动周期,以达到可以调整机械表走时快慢的目的。而无卡度结构由于调整的难度要高于有卡度结构只能小批量生产,但是它的优势是有卡度结构无法达到的,因此很多高档机械表都采用此结构来调整走时精度,以便更容易达到瑞士的天文台计时精度标准。

专利技术

基于无卡度结构可以进一步提高高档机械表计时精度的显著优越性,海鸥表自主设计研发并获得了国家实用新型专利中的“一种手表的可调节摆轮200920250256.2”,就是专门为了海鸥陀飞轮表设计的无卡度可调节摆轮机构。虽然这种创新结构在国外早已有相似的应用,但是本设计最重要的创新点是在尽量适应本厂加工能力的前提下,采用了工艺性好便于加工可以适当批量生产的无卡度机构。此结构将原本相对比较难加工的结构简单化,并且取得了不错的效果。此结构已经被批量采用,首批装配到自产的ST8260W陀飞轮机械表当中。


海鸥表针对无卡度摆轮游丝系统的创新设计-“可调节摆轮”的结构特点是通过带锥度的位钉与具有弹性的U型砝码同轴配合在一起,同时两者形成摩擦配合被设置在摆轮上。砝码在径向和轴向都受到带锥度位钉的制约不会倾斜始终保持水平,并且可以通过一定的扭力克服摩擦力自由转动。砝码的形状大小可以根据设计的需要来设定,从而满足通过改变砝码的偏心量达到调节摆轮转动惯量的需要。砝码的材料一般选用密度大的金属,其目的是通过小的转角而得到较大的惯量改变,选用K金、白金或铂金等重金属最为理想,但是由于成本过高只有最高端机械表才会选用,而相对高档的机械表采用比重比较大的金属即可。

“可调节摆轮”的调校方法是根据前文公式中Jb与T的正比例关系,操作者使用专用工具卡住砝码的两个圆形缺口并且以砝码的开口为指向转动它,需要调整快慢的时候必须成对的调整。一对砝码由开口指向摆心调整到开口背向摆心,大约会使手表走快30秒/天,反之则相反。摆轮偏心的调整可用单个砝码来实现,当需要增加摆轮某一方位的重量时,需要将此方位砝码的开口指向摆心,而当需要减轻摆轮某一方位的重量时,需要将此方位砝码片的开口背向摆心,同时调整若增加摆轮转动惯量,表的平均快慢会走慢,反之则走快。

无卡度摆轮游丝系统的分档原理及方法


下面所要探讨的问题是无卡度摆轮游丝系统的分档原理及方法,这是传统但不同于现行的机械表分档理论概念。无卡度结构的最主要特点是取消了快慢针,使得游丝的全部长度都作为工作长度而固定,通常通过摆轮上设置的砝码调整其转动惯量来改变系统的振动周期及手表日差。

这里提出一种根据砝码调节范围大小来决定档距的分档理论及算法,适用于无卡度机械手表摆轮游丝的分档,至于档数的大小可由档距,经验基数和摆轮游丝的离散性确定,可以先定一个值,再在实际中调整。

首先,给出档距等计算的数学基础及方法:

在分档仪上用摆轮测量头空载测量T0

式中:J0为摆轮测量头振动系统的转动惯量,MN为摆轮测量头中标准游丝刚度。

假设将转动惯量为Jm1和Jm2的摆轮分别放在摆轮测量头上测量,测得周期分别为T1和T2(如图1),则有

由①、②、③式得④式:

同样假设将刚度为M3和M4的游丝放在分档仪游丝测量头上测量,测得周期分别为T3和T4(如图2),则有

由⑤、⑥式可得⑦式:

假设摆轮Jm1和游丝M4,摆轮Jm2和游丝M3配频所得到的振动周期相等,则可得⑧式:

由④、⑦、⑧式可得⑨式:

这样在上述假定的条件下可得T0、T1、T2、T3、T4的关系式⑨,见图1和图2,这个假设条件是摆轮转动惯量和游丝刚度分布中值配频正好满足标频,同时两者高斯分布边沿斜对侧某一摆轮惯量和游丝刚度配频也满足标频。


下面具体提出根据砝码调节量大小确定摆轮和游丝档距和下限(也称基数)的方法,它的步骤是:

1. 摆轮测量头,空载测10次,得T0(平均值)

2. 测一批摆轮(如500只)找出平均值T1(如图1)

3. 用正好为T1的摆轮装游丝定长。

4. 定长后的游丝在游丝测量头上测10次,得平均值T4。

5. 用(3)所述摆轮向转动惯量增大方向调整其砝码,并装游丝定长。

6. 定长后的游丝在游丝测量头上测10次,得平均值T4内(图2)。

7. 用(3)所述摆轮向转动惯量减少的方向调整其砝码,并装游丝定长。

8. 定长后的游丝在游丝测量头上测10次,得平均值T4外(图2)。

这里设档数为61档,需要说明的是分档仪只能显示20档,20档以外的档数可以用计数值推算。

由此可得:设在+档和-档外还有++档和--档,设游丝下限y为++档到+档的界限值。

无卡度摆轮游丝系统一般是以普通摆轮游丝系统为基础改型设计而来,其系统摆轮惯量和游丝刚度基本不变,这样也可以根据以往的分档基数,依据上述计算的档距最后来确定档数。

结语


通过对海鸥ST8260W无卡度陀飞轮机械表研发历程的介绍,以及现行机械表的有卡度摆轮游丝系统与高档机械表所普遍采用的无卡度摆轮游丝系统优劣的对比,让我们可以清楚地了解到海鸥表在无卡度结构的使用上得到了理论与实践上的论证。同时还提出了全新概念的摆轮游丝的分档理论,为无卡度机械表量产提供了坚实的理论基础与技术支持。

随着海鸥表在新材料硅游丝技术应用上的突破,结合无卡度技术使海鸥的陀飞轮机械表计时精度将得到更进一步提升,瑞士天文台标准走时精度是我们追求的目标。

 
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