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手錶知識


同軸手錶



同轴手表


問:

最近,我聽說同軸手錶的發布。你可以向我解釋一下它的機械原理嗎?為什麼它對機械表來說是如此革命性的呢?

Mark Enderby, 蘇格蘭格拉斯哥

在過去許多年間,人們創造了成百上千,不同種類的擒縱機構,但是很多只是一個單一的原型,或者只是在一些限量系列裏面出現,因而很快就被遺忘了。其他一些或多或少存在了較長的時間,但最終還是被摒棄,這都是因為製造的困難和表現的平庸。至今,我們可以肯定的只有5個擒縱機構被大量生產,並持續了相當長一段時間。第一個就是冕狀輪擒縱機構。早從1300年前,機械鍾的起源開始,直到19世紀中葉,它都被不斷運用在鍾和表中,因此,可以說它是所有擒縱機構的鼻祖(圖1a和1b)。

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圖 1a 和1b

圖1a和1b:冕狀輪擒縱機構。冕狀輪會選擇性的作用於槓桿式擒縱叉上層或下層軸上,此軸自身的功能就像是一個擺輪軸。

然而,大約從1972年開始,由英國鍾錶匠George Graham所發明的工字輪式擒縱機構,開始對冕狀輪擒縱機構形成強大的競爭優勢,直到20世紀五十年代早期前期,它都被運用到成千上萬的手錶中。法國天才鍾錶匠Ferdinand Berthoud (1727-1807)也對它特別偏愛,此人是18世紀後期海洋計時器的創造者之一(圖2)。工字輪式擒縱機構的世界生產中心位於法國和瑞士邊境的法國弗朗什-孔泰(Franche-Comté)區小城Haut-Doubs 。

在同時期,雙重擒縱機構也在英國受到追捧,儘管很有可能它是在法國發明的。

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圖 2和3

工字輪式擒縱機構視圖。圖3:雙重擒縱機構。兩個同軸齒輪朝著箭頭的方向轉動。最大的齒輪處在緊靠擺輪軸的鎖定位置。

性能更好,且比起工字輪擒縱機構來說更精細,此裝置點亮了歐米茄Omega 新的創新。事實上,雙重擒縱機構擁有兩個疊加同軸齒輪。大的確保鎖定位置,而小的則提供衝擊(圖3)。現在的同軸擒縱機構便使用了這個裝置的一部分。

重大缺陷

上面我們提到的三個擒縱機構都有一個重大的缺陷,這才最終導致他們被淘汰真正原因。他們的擒縱輪都是通過直接推動擺輪軸來達到鎖定位置,這樣的話,擺動就會受到干擾,最終結果就是手錶的時間調整受到嚴重影響。後來,表匠們也意識到了這點,因此,為了獲得更好的調整效果,創造一個鐘擺可以完全自由擺動的系統是非常有必要的。

因為遠洋航行的船隻需要正確的時間來準確導航,表匠師傅們奉獻了很多精力來研究擒縱機構,他們希望擒縱輪在到達鎖定點時,不是碰到擺輪軸,而是中間一個獨立的部分。

槓桿式擒縱機構

在時間進入1760年前,同時在法國和英國,兩位鍾錶匠成功創造出了分離式擒縱機構。英國人Thomas Mudge(1715-1794)發明了槓桿式擒縱機構。它現在的形式如圖4所示。齒輪會停在一個叫槓桿的中間部分上面。法語裏面把它稱作「錨」,因為它看上去有點像船的錨。擺輪會通過將一根針銷插入槓桿延伸式擒縱叉的方式,來釋放齒輪。擺輪會獲得少量但足夠的能量來維持擺動,這是由於當齒輪從鎖定位置被釋放的瞬間,它便會從槓桿的斜面上滑過。槓桿會同時為其提供鎖定位置和衝擊。系統的簡易加之可靠性,讓它幾乎在所有的機械表中得到了普遍的應用。然而,不得不提的是,入口式擒縱叉E(圖4)的大幅度非自然動作會產生嚙合摩擦,這樣就需要給輪齒上潤滑劑。同樣,通過槓桿和其延伸式擒縱叉所傳導到擺輪的能量比齒輪直接作用於擺輪上所得的能量效率低。

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圖 4和5

圖4:槓桿式擒縱機構。擒縱輪被選擇性地鎖定在緊靠槓桿式擒縱叉E或S的地方。圖5:分離式擒縱機構。由Pierre Leroy所設計,在它的鎖定或解鎖位置運用到了槓桿式擒縱機構的元素,而衝擊則用到了棘爪式擒縱機構的元素。

棘爪式擒縱機構

1764年,法國鍾錶匠Pierre Leroy(1717-1785)製造了一塊航海手錶,裝配了他自己發明的分離式擒縱機構(圖5)。它是Mudge的槓桿式擒縱機構和之後的棘爪式擒縱機構(提供直接衝擊)的結合。槓桿D和其擒縱叉的A和B在一起,為齒輪提供鎖定位置,而後者則會通過鎖扣E來直接衝擊擺輪。在它的早期的存在過程中,Ferdinand Berthoud對它進行了改良。此後,倫敦的鍾匠John Arnold (1736-1799) 和Thomas Earnshaw (1749-1829)做了更多改變,才造就了它現在的形態(圖6)。

今天,棘爪式擒縱機構仍在精密航海計時器中使用。儘管從來沒有被官方證明過,但是毫無疑問,它是最有效的擒縱機構。它的其他一些小優點,雖然沒有在此文中提到,但卻讓其受到精密計時器的青睞。齒輪被鎖定且緊靠一根長長的棘爪彈簧,而固定在擺輪軸上的單圓盤則提供衝擊。

棘爪式擒縱機構非常容易受到移動或震動的影響,且其鎖定位置不易保持。它只會朝著一個方向衝擊,但在每次來回振動期間,當振幅過大時,它會偶發一次性地移動兩個齒位,這個現象被稱作「跳閘」。棘爪式擒縱機構是不會自己重啟的。如果手錶因上條不足而停止走時,就算再次上條,它自己也不會重新開始走時,它需要你搖一下才行。然而,它最大優點是不需要潤滑劑。

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圖 6和7

圖6:棘爪式擒縱機構。鎖定位置發生在緊靠棘爪彈簧的地方。衝擊為直接衝擊,但只朝一個方向,作用在擒縱爪N上,此爪被固定在與擺輪軸同軸相連的單圓盤上。圖7:由亞伯拉罕•路易•寶璣Abraham-Louis Breguet所構想的自然擒縱機構。

在懂得槓桿式和棘爪式擒縱機構的優點和缺點后,我們就可以大胆設想,一個簡單擒縱機構,結合了兩個系統的優點但沒有他們的缺點。這正是英國天才表匠George Daniels所做的,為歐米茄Omega品牌製造了共軸擒縱機構。在我們討論該裝置的更多細節之前,讓我們先看看在過去兩百年間,我們朝著這個方向走了多遠。

寶璣Breguet 的貢獻

如果你發現亞伯拉罕•路易•寶璣(1747-1823)的名字與這種擒縱系統有聯繫的話,這一點也不奇怪。他在這方面的第一成就是自然擒縱機構,在其中,擺輪通過直接衝擊來維持其擺動,而此衝擊則由兩個擒縱輪選擇性地作用於兩片連在擺輪軸上的側翼上所產生(圖7)。第四輪作用於第一輪的小齒輪上,讓其轉動,而第二輪則與第一輪連在一起。

擒縱輪,處在其鎖定位置連著裝在延伸式擒縱叉上的槓桿式擒縱叉,它在滾輪銷每轉一周時都會被釋放,而就像槓桿式擒縱機構一樣,滾輪銷則是被置於擺輪的單圓盤上,與延伸式擒縱叉一起運作。由於直接衝擊是以一種自然方式所產生,這讓此系統名聲大噪。寶璣Breguet所製造的新型擒縱機構,在工作時,也不需要上油。但因為兩個齒輪的傳動裝置係數和它們的慣性總量,所以與槓桿式擒縱系統有關的能量獲取的東西具有欺騙性。很快,當寶璣Breguet意識到其局限性,他就很少再使用這種擒縱機構。

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圖 8和9

圖8:由寶璣所設計的槓桿式和棘爪式擒縱機構。直接衝擊通過齒輪傳導給單圓盤的衝擊銷。

圖9:由Bise所設計的槓桿式和棘爪式擒縱機構。直接衝擊在單圓盤的鎖扣n上產生。

在喬治•丹尼爾寫的一本叫《寶璣的藝術》的書的第320頁的一幅插圖中,展示了一個由寶璣Breguet 於1820年左右製造的擒縱機構(圖8)。在其中,和槓桿式擒縱機構一樣,一個擒縱輪確保了鎖定位置和衝擊的功能,但是入口式擒縱叉只是用來鎖住齒輪(圖8b)。一旦這個齒輪,因擺輪和槓桿延伸式擒縱叉的作用,而被釋放,它會直接衝擊單圓盤的針銷,而無需槓桿的「插足」(圖8c)。然而,由出口式擒縱叉所產生的衝擊,則和槓桿式擒縱機構一樣。這個結合了槓桿和棘爪機械裝置的系統,在過去的很多年,已經被複制和重新改造了很多遍。傑出的表匠(兼編輯)Joseph Flores*引述七個開發過寶璣Breguet想法表匠的話。

其他想法

1860年前後,或者說寶璣Breguet逝世后40年,一個男修道院院長兼鍾錶匠Bise展示了一個擒縱機構,其工作原理和寶璣的創作(圖9)完全一樣。直接衝擊是由單圓盤上的鎖扣所產生,而不是針銷。這是它們的任何重要特性的唯一區別。Claudius Saunier,1860年,所著的《精密計時的回顧》,記錄了一場院長Bise和某個叫Racap先生之間的辯論,此人宣稱在1853年就造出了非常相似的擒縱機構。

Joseph Flores同樣寫道,有一個來自瑞士比爾,名叫Jules Pellaton的表匠,在1923年11月16日,註冊了一個瑞士專利,專利號為101849,運用了相似的機械裝置。Pellaton同樣相信他自己是發明這個擒縱機構的第一人,並且還將之運用到自己其中一款橢圓形女士腕表上(機芯AS 610,圖10)。

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圖 10和11

圖10:裝在手錶里Pellaton的橢圓機芯AS 610。圖11:一個來自20世紀初的同軸槓桿和棘爪式擒縱機構。

在結束這個關於早期擒縱機構的評述之前,我們必須提到另一個系統,因其也為共軸擒縱機構,所以它甚至更加接近喬治•丹尼爾近期的發明,擁有同樣的功能(圖11)。

儘管這個系統只有一個單一齒輪,但它有一組輪齒繞其周圍,同時還有另一組輪齒處在其表面。外齒被鎖定在D處緊靠連著延伸式擒縱叉的一個小墊塊。當內齒和槓桿一起作用於其自身擒縱叉上時,外齒會提供直接衝擊。遺憾的是,這種設計也留下了太多不足之處。像我們之前討論過的所有擒縱機構一樣,在此系統中,當輪齒滑過時,會生產大量的摩擦,衝擊會受到影響,因此,你需要為其頻繁上油。可以想象的是,這對於一個已經相當完善的槓桿式擒縱機構來說,並不是一個很大的威脅。Charles Gros*,在他的著作《鍾和表的擒縱機構》中,對這個早期的機械裝置作出了以下評論:「這是一個天才的創作,它比槓桿式擒縱機構要複雜得多,但卻沒有帶來更多優點。此外,如果你希望它運行良好的話,它對精度的要求也極高。」

進入喬治•丹尼爾的世界

至於一些基本功能,喬治•丹尼爾所製造的共軸擒縱機構和我們上面討論過的那些型號沒有什麼重要的區別,也就是說,擺輪的單圓盤提供的直接衝擊和衝擊銷上的延伸式擒縱叉提供的間接衝擊沒什麼區別。

然而,丹尼爾博士仍然值得我們無數的讚譽,因為他讓我們了解了如何優化這個擒縱機構的功能,來獲得一定水平高於槓桿式擒縱機構的效率,同時還繼承了後者的可靠性。

他成功地將鎖定摩擦和衝擊摩擦分離,從而極大地減小了滑動摩擦。為此,槓桿被裝上了三個擒縱叉。兩側擒縱叉F和H是用在鎖定和解鎖位置。而中央擒縱叉G則通過擒縱輪C上的小齒輪來獲得衝擊,此小齒輪扮演著第二擒縱輪的角色。齒輪D在擒縱叉F和H上選擇性地確定鎖定位置,同時為擺輪單圓盤上的擒縱叉J提供直接衝擊。而針銷L則與延伸式擒縱叉一起作用,來釋放被鎖定齒輪,並獲得間接衝擊。

中央擒縱叉的位置與小齒輪C的其中一個輪齒有關,它可以確保准切線衝擊受到極小摩擦的影響。前面提到的擒縱機構沒有一個有同樣的優點。除了能獲得傳輸力以外,在此擒縱機構中,不同元素的設計,讓其運作時不需上油。

優點和缺點

共軸擒縱機構的主要優點是以准切線方式進行力傳輸,它可以讓因摩擦所產生的損耗最小化,減少磨損並消除潤滑需要。在時間調整方面,有了更大的穩定性,且最終使可靠性水平有了顯著的提高。此系統的效率為28%,然而槓桿式擒縱機構卻只有25%。因此,獲得的傳輸能量為10%到12%左右。

這個創新系統的缺點就在於其成本更高,且它的組裝和元件加工都需要高水平的精度。每個尺寸都需要嚴格遵守,且在組裝過程中不能改動。一般情況下,這種水平的精確度只有那些擁有經驗和尖端設備的企業才能做到。在第四輪和擒縱輪之間需要安裝中間齒輪也增加了成本,同時也稍微降低了系統的效率。最終,如果事與願違的話,你需要添加潤滑劑,而來自小齒輪輪齒的油可能會擴散到中間齒輪的傳動裝置上,這都不是我們想要的。

總之,歐米茄Omega應該好好慶祝一下,因為他們在此領域的革新之路上,採取了大胆且必要的措施,而在當時看起來是幾乎不可能的。

*作者註解:此文中關於早期擒縱機構的大量信息都是采自Charles Gros寫的名叫《鍾和表的擒縱機構》的書和鍾錶匠兼編輯Joseph Flores的著作,且其中大部分都已出現在各種各樣的刊物中,像法國古董鍾業餘愛好者協會的雜誌,而Flores就為此刊物的主編。作者想特別感謝Flores先生的幫助,並大方讓我們使用他的照片為文章作圖解。










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