机械表的动力来自那里

动力伊始

腕表的存在,从真正意义上来说是让他的主人知道,主发条正在以一个什么样的速度释放。估计动力描记器和动力指针就是这么来的吧!如果主发条要继续为腕表提供动力,那就必须定期给发条上链,虽然上完链后机芯只需要具备运行24小时的能力,但实际上所需的动力储备却更长。然而,有一个事实却鲜为人知——主发条各部分传输的动力并不相同。试想:当一根发条释放时,其所传输的动力是一个变量;发条上得越紧,其通过动力系传输给擒纵机构的扭力也越大。当发条释放的同时,动力输也开始减弱。在接近腕表动力储存的极限时,即在发条几近完全释放的情况下,摆幅—摆轮在滴答滴答的摆动过程中的程度便开始减弱,腕表走速的稳定性开始接受考验。长动力储备能够确保在日常使用中,每天消耗掉主发条输出的一部分最为恒定的动力,以此来更好地确保腕表精确走时。

早期钟表及主发条的发展演变

现代钟表业大约起源于13世纪的欧洲,主要是出于当时宗教祈祷的需要,一些教堂与市政当局的高大建筑上出现了最早的“大钟”。它们的运转原理极为简单——依靠一根系着重物的绳索拉动一个粗大的滚筒或者是滚轴,让后者再带动一根指针便可指示时间了。

进入14世纪以后,这样的钟越来越多,类似的钟塔也在欧洲成熟起来,并增添了报时以及活动人偶等复杂功能。功能的添加意味着增加了动力需求,如何保证这些复杂的大钟走时准确,并更有效地利用动力？尤其是输出力矩的问题亟待解决(与现代钟表满发条时扭矩过大,发条即将耗尽时扭矩过小的现状一样)。随着14世纪中后期的钟表结构越来越复杂(已经能够反映出太阳、月亮以及星辰的运转),科学界的介入成为推动钟表技术发展的动力,因此一系列使动力释放更均匀的齿轮、擒纵机械系统应运而生。

在制表业最为晦暗的早期,让钟持续运行1天是一种挑战。而以早期发条形式驱动的钟,其传动系只有3个齿轮(现代钟表结构为4齿轮),且运行时间不足14个小时。这类钟的不同寻常并不在于走时的精确,而是在于它们能够运转。对于时钟而言,优秀的计时功能一直到钟摆擒纵机构的研发才实现。而怀表直到螺旋摆轮游丝的出现,才使其走时误差每一天保持在几分钟之内。在这种情况下,怀表走时常常不足24小时已不再是一个很大的实用问题。

从早期工匠自己在火炉边打造螺旋钢丝,到现代带有高科技色彩的Inox(铬镍钢)、Nivaflex(钴、镍、铬钢),不仅发条的材质与外观有不小的变化,相应的机械结构也有众多的发展。主发条是一根盘卷起来的金属条,一般长度能达到400-500毫米,盘绕8-10圈(通常发条1圈可提供6小时动力)。发条连续收缩、放松10,000-20,000次毫无磨损,动力就是在这一松、一紧之间产生。在工作状态下,发条是从外端开始向内逐渐释放动力的。一般来说,发条在完全绕紧的情况下动力最充足,而发条松弛的状况下动力往往不足。初期的主发条反映了所有早期制表业的缺陷:“钢制,弹性很快趋于消失,传输至擒纵机构的扭力变化不定。”如今的发条已经不太易断、易碎,且动力输出均匀,不太容易受磁场等自然因素的影响。最常见的Nivaflex发条采用铁、镍和铬合金制造,同时加入了钴、钼、铍等稀有元素,不但能够具有防磁、防腐蚀、不易断裂、不受温度变化影响、抗拉与抗冲击等功能,而且还韧性十足,利于动力平缓地释放。然而,一个发条尚未诞生时就困扰着钟表的老问题——均衡的动力输出却始终是个问题。如何在功能越发复杂的情况下越精准地控制动力输出,是所有机械动力表必须解决的难题。

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动力释放

现代机械手表考虑到尺寸与造型等因素,发条是被装嵌在发条盒中的。发条收紧,动力释放。道理简单,实现的方法并不简单。首先,发条与发条盒之间材料的摩擦力越小越好。发条传递出的动力只有自身能量的55%-60%,因此改善材料依然是充分利用动力的思路之一。依靠发条运行的机械必须在结构与材料上加以改进,以减少对动力的无用耗损。在这方面,采用更加轻质的材料显然能够起到一定的作用,同时一些围绕着传动齿轮等结构的改进也能够让动力输出更加有效。

降低摆轮摆动的频率(以后简称摆频)是个非常简单的增加动力的方法,但这样往往会影响手表的运行精度,已经比较少地被利用。围绕着摆轮,有一个在设计与制造手表时都非常难处理的问题:当动力充足时,摆轮摆动稳定,走时能比较精确地控制;而当动力不太强劲时,摆幅(摆轮摆动的幅度,称轮幅)就会明显减小,相应地摆动频率就加快,导致手表运行偏快,当动力即将耗尽时,手表就会完全停止运行,这种停止很被动。为了让那些动力比较强的手表能均匀地释放动力,现代绝大部分机械机芯都设置了外部的发条钩以及其它的“减速装置”,如制动弹簧、制动锥、制动齿轮等,让发条能够更加均匀地释放自己的能量,且会在能量低到影响运行精度之前截停机芯(同样长度的发条,如果没有上述那些机构,还能走得更久,但精度很差)。许多产品中设计有一个刹车装置,当动力不足以维持运行时就让干脆机芯停止运转。类似的问题经常表现在一些小型台钟上,8天动力钟虽然能走出10天的“业绩”,后两天的准确度却十分差劲。大型钟可以通过更复杂的机械结构让发条利用率大幅提高,造出动力超过一年的钟也不在话下,而手表最新的纪录也有31天的动力。

1913年曾经有一款叫做Hebdomas的手表率先取得了长达8天的动力,到了1930年代,不少表厂以超长发条为主,制造出能够运行一周以上的长动力表。今天,一些表厂依然坚持认为依靠一个单发条盒输出的动力最为可靠,不太容易出现复杂零件带来的易磨损等毛病。考虑到一个发条盒输出的动力难以达到运行一周甚至更加持久,于是有人开始研制在钟表中装置多个发条盒以提供更大的驱动力。早在18世纪,瑞士的两位伟大的钟表发明家Henni Louis Jaquet-Droz与宝玑(Abraham-Louis Breguet)都曾经将两个发条盒并联起来以发挥更加大的推动力,而德国格拉苏蒂的制表大师Alfred Helwig则设法通过两个串联起来的发条盒为手表提供动力。相对而言,使用串联发条盒的品牌居多,其目的之一就是让机芯能够在保持自动上链与较长动力的同时,还可以造得更加单薄。无论是并联还是串联,解决协调两个不同的动力源都是问题的关键,另外多发条盒带来的机械零件的增加也成为困扰工程师的重要难题。多发条盒的结构使得发条动力的输出更加均匀,同时减轻了传动机构的压力。近年来,对于长动力手表越来越热的追捧以及手表尺寸的增加,使得3发条盒与4发条盒等创新结构不断地出现,采用如此多的发条盒有时只是为了手表机械的布局更加合理,而不一定单纯为了获取更长久的动力。