革新 让时间变得有趣 康球钟的改进
  来源:《钟表》2012年第3期   时间:2012-5-25

康球钟是一种起源于西方的古典钟表,是英国科学家威廉·康格里夫(William Congreve)于十八世纪末十九世纪初发明。当时,正处于精密机械萌芽和发展时期,新颖的钟表结构很容易得到重视,康球钟一问世,其独特结构和观赏性立即受到宫廷、贵族热烈的追捧。康球钟成为了钟表发展史上的经典之作,几百年过去了,非但没有被遗忘而且久久地绽放着它的独特魅力。



历史上的康球钟

康球钟在历史上也叫做滚球钟,有些地方为了纪念其发明者,也会直接标注为——康格里夫滚球钟。在100多年前曾辉煌一时,以英国和法国制造的为多。在那个时候,钟表可是个既稀罕又珍贵的物件,人们对它都充满着无限的好奇心。所以,为了吸引更多的眼球,有些类型的钟表开始在造型和设计上花费心思,突出观赏和娱乐的效果,而不只是重视钟表的计时精度,深得当时社会上层人士的喜欢。

滚球钟有两种,一种是滚球压力钟,另一种叫“钢球钟”或者叫“滚球钟”。它们的区别是:前一种所用的钢球比较大,数量也比较多,那些钢球起能量和动力作用。后一种只有一个很小的钢球(大约直径只有1厘米),它起周期性释放轮齿的作用,实际上,它相当于钟表里摆的作用。滚球的概念和它吸引人的特点在于它的摆动托盘,该摆动托盘取代了常用的钟摆,以及改变了擒纵机构的调速器的传统方法,摆动托盘是由滚球触发而动的。

这种钟表有一个带有很多“之”字回廊般槽形的托板,一般有8个之形槽,那就是小钢球来回滚动的轨道。这个托板永远是一端高一端低的,钢球会从高端滚向低端。钢球滚到低端的最终端位置的时候,会撞上一个金属杆,会使传动的齿轮释放一下,并把托板的低端抬起重新变成高端,这样,小钢球得以循环往复的不停滚动。

“滚球钟”的小钢球的滚动周期一般为30秒,要想调整这个周期,需要旋动槽形托板连杆上的螺丝,就可以改变托板的左右倾斜的程度,也就是改变小钢球从最高端滚到最低端的速度或时间。康球钟在钟表技术上的价值在于,它建立了独特的等周期计时系统,不同于当时已比较成熟的摆轮游丝系统。

但是康球钟的走时精度一直无法得到很好的解决,其走时误差相对较大,经过数周时间的校验后,日差仍约在5分钟左右。多年来,许多钟表制作人为了提高康球钟的走时精度作了不懈的努力,但是这一难题并未有大的突破。



北极星康球钟的改进

针对康球钟走时精度的不确定性,北极星技术中心对康球钟的工作原理,结构要素,做了较为深入的分析和证明。分析认为,康球钟是一种基于重力作用下的、以自由落体加速度为实质的周期计量装置。但是,由于球体的形状和质量、滚动轨道的斜度和与球的摩擦学状态、球与拨杆碰撞过程中的能量交换等不确定性,直接影响工作周期精度;假如,钢球做重复的自由落体运动,自然,周期的精度就会显著的提高。而康球钟受空间和结构的限制无法从根本上改变钢球的工作状态,所以,现有对于康球钟的改进,都停留在对其工作状态的改善,例如:提高机加工精度,改善传动系统等,并没有从原理上有所突破,而且这种改善,更大程度上依赖于技巧,往往是不可重复的。

针对上述结论,北极星技术研发团队进行了大量的实验验证:

1.改善发条力矩稳定性试验。分别采用直传式和均力轮两种结构来对比分析,均力轮结构平衡了发条力矩落差,但是对走时精度并没有太大的提高。

2.倾斜平板拉杆铰链方式的改进。设计带有万向节结构的拉杆,使平板与传动系连接更加自如,消除了曲柄传动死点。

3.降低传动轮系摩擦力的试验。对动力系传动轴加装精密滚动轴承,走时轮系采用宝石轴承支撑;实现托盘的无载平衡,克服传动中的能量损耗。



试验结果

上述改进显著提高了康球钟的工作可靠性,有效解决了康球钟的停钟现象,但是其走时精度并没有明显的提高。并且在实验中发现,装配精密轴承和宝石轴承,对于夹板坐标的要求更为严格。综上这些结论也从另一方面证实了我们的分析。

康球钟计时精度不高是由于其工作原理和结构形式决定的。所以,改进康球钟的走时精度需要另辟蹊径。我们提出了新的康球钟工作原理,以满足使用者和收藏者对计时功能和艺术观赏的不同需求。新的设计采用了滚球工作的周期调速机构和并行的摆轮游丝擒纵调速器机构,分别控制秒针和分、时针的工作。秒轮走时部分仍保留原康球钟平板摆动和钢球滚动的结构特点,工作节拍为240次/h ;时、分针走时部分采用摆轮游丝擒纵调速器结构,工作节拍为18000次/h;新型康球钟设计完全保持原古典风貌,使康球钟走时误差由原来的5min/d提高至15s/d。上一次发条可连续工作7天。


结语

古老的康球钟存世甚少,目前市场上看到的康球钟基本上都是现代仿制品,造型大都为楼宇式,机心材料为黄铜,通体镀金,发条为动力源。康球钟中部为带有之字形槽的托盘一般由8个单槽组成,作为小钢球来回滚动的轨道,上部有三个表盘,分别独立指示时、分、秒。小钢球从高端滚向低端的周期一般为30秒。经计算,钢球每天在轨道的跑动长度在7000米以上,年跑动长度更是可达2700公里之多,相当于横跨半个中国。

康球钟造型豪华、恢宏,如一座华美的宫殿,而此涨彼落的托盘极具动感,晶莹剔透的滚珠在滚道中滚动,真可谓“若纳水輨,如转丸珠;荒荒坤轴,悠悠天枢”,当人们在观赏滚珠周而复始的工作时,身边的是时光在流逝,感悟的是人生的哲理。它所包含的形而上的寓意已远远超越了它计量时间功能的本身,给不同的人以不同的况味,如人们在观看大海,各人的眼中有各自的风景。

 
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