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摆轮的历史演进与结构分析 摆轮与游丝(中)

时间:2021-04-24 17:50来源:高仿之家 作者:watch

标题:摆轮的历史演进与结构分析 摆轮与游丝(中)  本文有1861个文字,大小约为9KB,预计阅读时间5分钟

相信许多读者都看过早期的机械钟的照片,在机械装置的顶端,都有一个左右对称的砝码横杆;在横杆的两端都各有一个砝码,可以左右滑动调整,以获得较佳的精准度。在当时这种机械钟的误差时间,是以10、20 分钟为基础来累积,误差值可说相当的大,仅能略知大概的时间,可靠度明显不足。这种借由调整力矩的方式,来改变摆动的速度快慢,在数百年后的今天,已成为高级机芯必备的装置。不过在当时,由于更多其他的因素,例如:精密度不佳的零件组装、没有良好品质的润滑油与缺乏精确的擒纵装置等。这些因素更影响着机械钟的准确度,所以制表师自然优先改善上述的各项缺点与其他机械结构问题。对于砝码横杆这项装置的改善,自然是速度缓慢。

随后在1675年,惠更斯发明螺旋状的游丝,搭配圆形的摆轮,使计时工具正式迈向怀表时代。在当时冶金术与加工精密度不足的状态下,摆轮的外型其实都是简单的光摆,搭配抗温差能力不足的游丝,在冷热温差较大的环境中,每天误差数分钟,自然是家常便饭。

在十九世纪起,由于航海天文钟的技术逐渐成熟,业界对于摆轮有更进一步的改良。其主要的方式是在摆轮的上方加装砝码或补偿螺丝,让摆轮的每一个部分均衡等重,减少方位差;或是方便调整摆轮的力矩大小,进而让速度加快或是变慢,成功摆脱早期钟表误差过大的情形。

然而此时游丝的品质已有改良,但仍未符合制表师的需求,因此约在1765 年,由Pierre Le Roy 与John Arnold 以及Thomas Earnshaw 合作推出了温差补偿摆轮,也就是后来的双合金温差补偿摆轮的雏型;这款装置在后来,成为每只高级怀表的必备装置,其后称霸表坛百余年。

 

摆轮的历史演进与结构分析 摆轮与游丝(中)

▲早期的环形摆轮

早期的摆轮都是采用简单的环形摆轮,没有任何的微调与补偿螺丝。

 

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▲双合金温差补偿摆轮

在双合金温差补偿摆轮发明之后, 中高阶的表款,几乎都会搭载此一装置。

 

双合金温差补偿摆轮

早期由于游丝抗温差的能力不足,在环境温度提高时,游丝的总长度变长、弹性变弱,会造成走时变慢;相反的,当温度下降时,游丝长度变短、弹性变强,走时自然会变快。在当时,没有高品质的游丝可提供制表师使用,因此必须从摆轮来着手改善。在当时人们发现黄铜对于温度的传导与膨胀系数都高于钢,容易受到温度影响而改变金属形状,因此将钢与铜制作成一根金属条,在温度提高或是降低时,金属条会明显的弯曲,这就是双合金温差补偿摆轮的制作原理。这种摆轮在外观上可以看见外侧叁分之二是黄铜,而内侧叁分之一是钢,在两侧靠近横樑处各有一个缺口,以便摆轮环方便移动。在温度提高导致游丝变长时,膨胀系数高的黄铜,会压迫内侧的钢,造成摆轮环往内缩,使摆轮的力矩变小而走时变快;另外在温度下降游丝变短时,外侧的黄铜会微缩,造成摆轮环向外推移,使摆轮力矩变大而走时变慢。如此一来一往的互补效应,让机芯的准确度维持在一定的速率,成功克服以往的问题。

 

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▲双合金温差补偿摆轮设计原理
在第一张图,我们可以看到,当温度提高时,对于温度膨胀系数高的铜,整体长度变长,压迫内侧的钢向内弯曲,进而使走时加快,平衡了因温度提高而走时变慢的游丝。第二张图,则是正常温度下的摆轮形状。第叁张图,则是在温度降低时,摆轮环向外微微弯曲,使摆轮的速度变慢,弥补走时变快的游丝。

 

二十世纪初的摆轮演进

在十九世纪中期到二十世纪初,双合金温差补偿摆轮已经是中高阶表款必备的装置,经过特别的调校后,精准的航海天文钟每日误差约可控制在3 至4 秒内,这已经是极佳的成果,至于中高阶的怀表准确度会稍微差一点。由于双合金温差补偿摆轮本身的结构,与游丝已经成为极佳的互补效果,因此各大表厂对于此装置没有太大的改善。但是各表厂仍针对摆轮上的微调装置,进行精密的的改良计画。

一般来说,除了摆环上对称放置的补偿螺丝之外,许多表厂会放置二或四颗的微调快慢螺丝,利用力矩来改变时间快慢;但是由于调整方式较为麻烦,因此位于摆轮表桥上的快慢针微调装置,仍肩负起微调时间快慢的重责大任。

到了十九世纪后期,瑞士科学家Charles Edouard Guillaume 以新研发的Anibal 镍钢合金,取代原有摆轮中的钢,因此达成更佳的中间温度误差性能,使得这款名为Guillaume 摆轮的走时精准度,甚至可控制在1 秒钟左右,相当惊人。

另外在1896 年,Guillaume 研发出Invar 不变合金( 或称不膨胀钢),它是Invariable Alloy 的简字,其主要材质是钢Steel 与镍Nickel,透过含量高达36% 的镍金属,使得此款合金在温度改变的环境中,具有不易变形的优点。

因此在二十世纪开始,以镍钢制作的游丝开始运用于怀表,搭配Guillaume 摆轮,使得准确度日益增加。然而,Charles EdouardGuillaume 后来推出的Elinvar 合金材质,使游丝受到温度的影响变更小,原先成本高且制作难度也高的双合金温差补偿摆轮,已经失去了其存在性;特别是在腕表日渐普及后,许多表厂放弃在小尺寸的机芯上,装置如此精密且佔空间的大型摆轮。因此在1940 年代之后,已经逐渐看不到这款摆轮的踪迹了,但是一些传统的天文台航海钟,仍会采用此项装置。

 

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▲摆轮与微调装置

虽然搭配了双合金温差补偿摆轮,但是绝大部分机芯仍装置快慢针微调装置,调整时间快慢更为简单;由此图我们可以看到,摆轮外侧与内侧的黄铜与钢两种材质。

 

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▲航海钟的摆轮装置

此款是沛纳海推出的航海钟背面机芯图,同样也是采用双合金温差补偿摆轮,但是微调走时快慢,则是依靠摆轮两侧横樑上的两颗微调快慢螺丝。

 

现今的摆轮类型

在1935 年,一款名为Glucydur 的摆轮正式问世,它主要是以铜、铍与镍为主要材质,并添加少许不同材质;由于其无磁性、不生锈以及对温度影响变化不大等特性,因此成为后来摆轮的主要材质。

Glucydur 摆轮属于单一合金摆轮设计,并不像双合金温差补偿摆轮,从表面可看出具有两种金属;同时Glucydur 摆轮的轮环并没有任何缺口,这也是另一个辨识的方法。虽然在1950 年起,已有众多表厂开始采用此款摆轮;但是此时,摆轮的轮环上方仍使用补偿螺丝,以便平衡摆轮的整体重量,减少方位差。随着科技的进步,高科技的技术已经可使摆轮在制作完成时,就拥有完整的平均重量与真圆度,厂方人员只需以仪器检查,然后在摆环底部以雷射或机器钻孔,即可完成摆轮的制作手续。

以劳力士早期的1570 自动机芯为例,它仍采用补偿螺丝,但是同时以摆轮上的四颗微调螺丝来调整快慢;与1951 年百达翡丽推出的Gyromax 砝码摆轮相同。但是在1978 年,劳力士推出了3035 自动机芯,舍弃使用补偿螺丝只留下四颗微调螺丝,也是改以钻孔来校正摆轮重量。因此现今的摆轮是以环形摆轮、微调螺丝摆轮与螺丝摆轮为叁大类型,但后者的补偿螺丝无法调整,单纯是视觉效果。

 

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▲双臂环形摆轮

拥有两个横樑支臂的Glucydur 合金摆轮。

 

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▲叁臂环形摆轮

具有叁个横樑支臂,也是目前最常见的摆轮。

 

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▲微调螺丝摆轮

摆轮上具有四颗微调快慢的螺丝,精密度更佳。

 

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▲螺丝摆轮

德系表厂常使用的设计,须以快慢针来微调快慢。

 

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▲Gyromax 砝码摆轮

百达翡丽推出的装置,现在也有少数表厂使用。

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