机械表一些结构方面的知识

机械表一些结构方面的知识

【擒纵器完全解析精准计时的核心】

自从钟表发明以来，工匠们为了追求能更精密的计时而在擒纵器上下了相当大的功夫从事改良，历经了几个世纪的演进，到了18世纪中叶，出现了一种分离式擒纵结构设计。当时，一位名叫Thomes Mudge 的制表师为了改良早期擒纵结构中擒纵轮的轮齿与摆轮的零件之间过多摩擦的问题，而将摆轮与整个擒纵结构脱离出来，这样的基本设计再经过改良就成了今天最广泛被使用的「杠杆式擒纵」（lever escapement），也就是俗称的「马式擒纵」。在机械腕表的机芯中，擒纵系统主要是负责制造正确的频率使腕表能够正确走时；同时，擒纵结构的精密与否也牵涉到计时精准度，就好比电脑中负责分配管制所有资源与资料的运算的中央处理器CPU般精密而重要。在象征顶级制表工艺的「日内瓦十二法则」中就有七项法则是规范擒纵器的制造，其重要性自然不言而喻。以下我们将就擒纵系统的组成构造及运作原理作一概括性的分析。杠杆式擒纵结构主要是由擒纵轮、擒纵叉、摆轮和游丝等部分组成。在整个机械运作的顺序上，发条释放的能量在经过中心轮、第三、四轮的减速之后，传动到擒纵轮与擒纵叉产生推力驱动摆轮，再由摆轮上游丝的反作用弹力造成摆轮规律的往返运动，并控制擒纵轮及其之前轮系的运转以达到调速的目地。因此在整个运作的机制中，擒纵结构所扮演的正是最重要「频率提供」的功能，对于计时精准度的影响当然也最大。

【谈腕表的上链与定位拨针机制文】

腕表表冠部分的功能一般来说分为两个部分，第一部分是将动能传递进入机芯发条内的上链机制，另一部分则是连接到时针轮与分针轮的定位拨针机制。这个机制的运作主要是依据杠杆原理，由龙芯带动押鸟、鼓车回返臂等一连串连杆带动鼓车移动，使表冠得以在上链机制与定位拨针机制之间互相切换，进而操控该项功能。当表冠切换为上链功能时，此机制即连结至我们在上一期所讨论发条机制，此时转动表冠即可为发条上链；而切换至定位拨针功能时，鼓车连动小铁车及日里车，此时转动表冠即可驱动时针轮与分针轮运转以调校时间。对于多数的使用者来说，上链与定位拨针可以说是最常使用到的功能，理解其运作原理之后将会有助于我们更正确地操作这些功能。我们除了详细地介绍这个部分的几个重要零件之外，并分别针对上链及定位拨针功能两个部分的运作过程作详细解说。

【源源不绝的动力供输深入剖析机械机芯的发条结构】

在钟表结构中，提供动力的发条机构其核心地位完全不亚于擒纵系统，由于发条结构自古以来鲜少有过重大的改变，同时又牵涉到深奥的材料科学，因此重要性经常被人所忽略。前二期的钟表教室中，我们已经将钟表机芯的擒纵系统做过一般性的介绍，这一次，我们将针对钟表机芯的动力结构—发条，从结构及运作两方面来进行探讨。早期的人们发现当韧性强化的金属受到适当外力发生形变时，会同时产生一个反作用力来恢复原状的现象，于是将淬过火的钢簧加以卷曲，利用其恢复原状的力量带动其它机件的运转，这就是在电力还未发明之前，大多数小型机械所使

用的动力来源，也就是我们所熟悉的发条。除了利用电力作为动力来源的石英机芯，以及极少数的特殊设计之外，钟表的机芯都是采用发条作为动力来源。最早期的钢质发条不仅容易生锈或因施力过大而断裂，同时也容易因为长期使用产生金属弹性疲乏，而造成簧力不足导致动力供输不均的问题，这也就是当初机械腕表最为人所诟病之处。尤其当在人们愈来愈倚赖腕表提供时间的讯息时，若是每天都会使用的腕表无法提供正确的时间资讯，甚至是故障连连时，所造成的不便也由此可知了。在那个时代，所有机械表所发生的使用问题之中，可以说超过三成都来自发条。在充分享受过石英表所带来的精准与便利之后，人们开始怀念起由发条带动一件件细小零件的机械表。当机械表顶着技艺结晶的光环重现世人面前，尤其是各大表厂开始在各种复杂功能上大做文章的同时，影响机械性能甚鉅的发条动力稳定与持久成为重要的课题。过去为人所诟病的发条问题，随着材料科学的进步一一解决，不仅在断裂或是生锈等发条使用寿命的问题上都获得改善，而且动力供输的时间与品质也有所提升，因此表厂也能够将更多心力摆在其它创新功能的研发上。以下我们将从发条机制的机械结构及运作原理两方面来进行探讨。

【发条机制的运作原理】

当上链时，主发条盒停止不动，而受上链机制驱动的大卷车转动轴心，带动固定在轴心的发条内端将发条沿逆时针方向向内卷紧；而当机芯在运转时，大卷车停止不动，而固定在发条盒内壁的发条外端在释放动力中的发条带动之下，将发条盒以及一番车沿顺时针方向转动，驱动以下的走时轮系。在上满链的情况之下，机芯轮系的减速力量会阻止发条从连接在发条盒内壁的外端松开，同时大卷车则从发条盒轴心阻止发条由内端松开。当大卷车沿逆时针方向为发条上链时，止逆子藉由与大卷车啮合的动作阻止大卷车逆转（顺时针），使发条不至松开。当大卷车受表冠带动向逆时针方向转动上链时，带动止逆子的齿脱离大卷车向顺时针移动，同时止逆弹簧会给予止逆子一个持续的回位反向力；如图所示，当上链动作停止时，在止逆弹簧的反作用力作用下迫使止逆子自动回位，使止逆子的大小2齿与大卷车完全啮合，以防止发条逆转松开以维持发条满链的状态。

【发条机制的机械结构】

发条的结构主要分为∶发条（Mainspring）、主发条盒（一番车，Mainspring Barrel）、发条轴心（Arbor），以及具防止齿轮倒转的大卷车（止逆棘轮，Ratchet）、止逆子（Click）与止逆弹簧（Click Spring）。其中收纳发条的主发条盒也是走时轮系的第一枚齿轮，所以又称为一番车（Main Wheel），与大卷车连接在同一轴心上，而收纳在主发条盒内的发条两端分别固定在轴心与发条盒内壁，止逆子则在止逆弹簧推动下与大卷车互相啮合。当我们做进一步拆解时，只要将轴心的固定螺丝旋开，即可将主发条盒与大卷车分开，再进一步将主发条盒上的发条盒盖板撬开，就可以看到隐藏在里面的发条了。从整个机芯排列来看，发条机构正介于上链机构与走时轮系的中间∶大卷车与上链系统的小卷车互相连接以传递上链的力量，而一番车则是与走时轮系中的中间轮（二番车，Center Wheel）相连接以传递发条释出的动力至整个机芯。换句话说，发条机构的作用正是将所输入的力量储存在发条中，并且转化成机械能传输至齿轮系及擒纵系统。

【腕表勃动的心脏摆轮游丝大解析】

承接上一期的擒纵器讨论，这次我们要进一步探讨摆轮与游丝的结构，首先我们从腕表机芯机械运作的历程来看摆轮与游丝在这其中所扮演的角色∶发条释放能量的动力传输至擒纵系统驱动游丝摆轮进行简谐运动，产生一反作用力达到减速的目的。在整个运作的程序上擒纵系统担任控制速度（煞车）使指针与轮系等时前进的工作，其中摆轮与游丝的简谐运动频率正式提供擒纵系统运作的基准，其重要性不言而喻，同时也由于构造精密度极高，堪称腕表机芯中最重要的机构。

【Balance-spring 游丝】（又称摆轮游丝）

游丝是一种相当细的螺旋形弹簧，大约比人发细3～4倍，总重量约2mg，却可耐受600g的张力，韧性相当强。由于涉及深奥的材料科学、精密度极高，目前世界上较为知名、品质较好的游丝供应商只有瑞士的NIVAROX以及日本的精工。游丝的内端固定在摆轮的轴心，外端则固定在摆轮夹板上，当摆轮受到驱动时固定在摆轮内的游丝则会因为弹性而均匀地收缩及舒张，同时带动摆轮来回摆动。如前所述，摆轮受到驱动力量使游丝受力压缩、舒张，带动摆轮顺时针或逆时针旋转，这样的旋转周期会直接影响到腕表走时的准确度。理论上，完成旋转周期的时间愈短，也就是频率越高，准确度就越高。而决定摆轮的惯性力矩以及摆轮的振幅周期的正是游丝的活动长度，拉长游丝会使摆轮惯性力矩变大，摆动的角度也越大，摆频自然慢下来，反之缩短游丝则会使摆轮加速。目前常用来表示摆动频率的方式大约有∶每小时的摆动次数，记为次/小时（或vph）；每秒钟摆轮游丝往返一个周期的频率，记为Hz＂；或是每秒钟的摆动次数，也就是日本表常用的振动＂。现代一般的腕表振频有∶18,000次/小时（2.5Hz，5振动）、19,800次/小时（2.75Hz，5.5振动）、21,600次/小时（3Hz，6振动）、28,800次/小时（4Hz，8振动）、36,000次/小时（5Hz，10振动），一般来说振频越高，就表示这只腕表越精准。

【Balance-wheel 摆轮】（又称平衡摆轮）

摆轮受力驱动后，由内部螺旋状游丝控制作往返摆动，摆动的幅度大约在270°～320°之间。摆轮运转的平均与否直接影响走时的准确，而摆轮摆动是否平均则与摆轮质地是否均匀以及摆轮的真圆度有关。在铜铍镍合金材质发明以前，许多古董表（1950年以前）使用「双合金温差自动补偿摆轮」来调节因温差所造成游丝有效长度改变而产生误差的问题，这种摆轮通常外圈是黄铜材质、内圈为钢材，当温度变化发生热胀冷缩的情况时，利用外圈金属膨胀系数大于内圈的物理特性自动调节温度对游丝所造成的误差；此外，在摆轮外环镶上螺丝来增减摆轮的重量，也可以用来调节摆轮的平衡，改善在不同方位时间走快或走慢的问题。现代的腕表机芯一般都是采环形摆轮（也就是俗称的「光摆」），此外较高级的摆轮上还设有可供微调摆动速度的补偿砝码（如百达翡丽）或补偿螺丝（如劳力士 ）。以摆轮材质来看，铜铍镍合金材质制成的游丝比一般非合金制成的摆轮稳定性较高、比重均匀，摆动则较为平均。天文台等级的环形摆轮通常是采用稳定性较高、比重较均匀的铜铍镍合金材质，不仅因为温差而造成的变形量较小，质地也比较均匀。摆轮上的轴臂数也是影响温差变形量的因素之一，常见的有2臂，还有3臂或4臂的，一

般来说臂数愈高，所构成的轮弧也就愈接近理论上的真圆，同时受温差影响而变形的误差也较小，摆动也较为平均。

【游丝的调校】

影响腕表准确性的因素非常多，通常师傅在处理这一类的问题时，首先会将手表用测表机测试，然后根据测表机上所显示的轨迹，来判断问题的所在。一般比较常遇到误差在5分钟以内的走时过快或过慢问题，可以透过调整游丝的有效长度来达到调整的目的。理论上，若是走时过快，可以将游丝的有效长度放长以增加摆轮游丝回转的时间来达到减速的目的；相反的，若是走时太慢，则是以缩短游丝有效长度的方式来缩短摆轮游丝的回转时间达到加速的目的。在校正的时候应该取正、反、3、6、9、12等方位的综合平均值，才能将表调校至最精准的程度。整个调速系统的基本构造，是由摆轮夹板上快慢针前端的游丝夹，或微调快慢的螺丝所组成。游丝头被固定在摆轮夹板上，移动快慢针上的梢钉以控制游丝的有效长度。而调校的方式除了有常见的快慢针调节、偏心螺丝调整之外，还有较高级的鹅颈式微调。

【摆轮的调校】

相较于游丝摆轮部分的调校，调校摆轮的困难度就要高出许多，通常需要由极具经验的钟表师傅以手工仔细调整。如前述，摆轮质地的均匀以及摆轮的真圆度影响摆轮摆动平均与走时准确，因此摆轮调校的重点也在于此∶使摆轮每一个部分的重量一致以避免方位差的产生。一般来说腕表机芯在出厂时都已经过严密的测试，像是摆轮这种会严重影响精确度的零件在出厂前都会经过仔细的调校以确保品质，因此一般在正常情况之下是不需要靠调校摆轮来调整时间的。只有在人为因素导致摆轮精度严重受损，或是更换游丝、车芯时，才需要将摆轮重新调校。另外像百达翡丽、劳力士等没有快慢针设计，只能靠调校摆轮上的砝码或螺丝来调时。除了环形摆轮（光摆）之外，其它可供调校的摆轮上一定都有呈对称排列的螺丝或砝码，这些螺丝或砝码就是调整点。调校原理依照简谐运动的理论，力矩越大则摆动周期越大，而频率就会降低。所以在调校砝码摆轮时将砝码的缺口调向摆轮圆心，或调整补偿螺丝摆轮时将螺丝向圆心外调整都会使力矩加大、频率降低，就能将走时调慢；相反的在调校砝码摆轮时将砝码的缺口调离摆轮圆心，或调整补偿螺丝摆轮时将螺丝向圆心内调整都会使力矩降低、提高频率，使走时加快。