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上期我们介绍了机械表的发条、齿轮、擒纵机构和摆轮组,本期我们继续介绍机械表的机芯。
夹板
我们先从主夹板开始,它构成了机芯的主体:(编辑注:原文附上的是交互控件,你可以在控件上拖拽来改变观察视角。受限于微信平台,这里用图片或动图替换,感兴趣的读者可以点击结尾原文链接体验交互控件)
注意看,主夹板有很多不同的开口——我们将在本节利用它们安装之前搭好的部件。图中的粉色部分也是红宝石(与上期介绍的擒纵叉顶端的马仔石和摆轮的车芯一样)。它们作为轴承,使各部件的轴可以旋转起来。让我们近距离地看看它:
宝石里面有一个小腔。为了进一步减少旋转部件的能量损失,腔内涂有少量的特殊润滑油。润滑油会粘在宝石和在宝石孔内旋转的轴上,以进一步减少摩擦,延长手表单次上发条后的运行时间,同时减少精密机械部件间的磨损。
前两个我们要安装到主夹板上的零件是擒纵轮和擒纵叉:
安装好这两个零件后,我们再用擒纵夹板盖住擒纵叉。夹板固定住擒纵叉转轴的另一端,并通过两个螺丝钉固定在主夹板上:
注意看,这个擒纵叉的摆动被擒纵夹板中央的两个凸起的形状限制住了:
这保证了擒纵轮推动擒纵叉的幅度只能到这里,再推就会被这些凸起拦住。
接着,我们可以把剩下的齿轮安装进去。这四个齿轮的位置都是精心安排的,这使得它们只会占据一小部分空间。
注意看,第四个齿轮穿过了手表的正中央——你可以在主夹板的另一面看到它穿过去的转轴。在整个组装过程的最后,我们将把秒针装在这个长轴上。为了保证所有齿轮都被固定住,我们用齿轮组夹板把它们盖上,这也为齿轮转轴的另一端提供了固定点。齿轮组夹板也被螺丝固定在主夹板上,这样所有东西都被固定好了。
核心零件中,只剩下摆轮组还没装上去了。它很特殊,需要专门设计的固定机构。让我们先把所有的部件装上摆轮组夹板。
注意看,作为平衡弹簧的游丝非常精细,它的末端连接着摆轮。游丝的名字正是取自于它的精细,在英文中,它也因此被称为hairspring。黄色和青色的部位用来调节游丝的振动频率。让我们看看它们实际是怎么工作的:
黄色部位紧紧地固定着游丝,通过转动它,我们可以调节摆轮和它上边的车芯在自由松弛状态时的位置。这保证了摆轮“滴”和“答”的摆动相位会经历相同的时间。
青色部位可以在游丝上自由地滑动,它可以阻止游丝尾部的自由振动,从而改变游丝振动的有效长度。通过调节青色部位,我们可以调节摆轮摆动的周期,从而让表走得稍微快些或慢些。我们还能通过调节顶部的螺丝,对走表的速度进行精调——螺丝的头并不居中,所以转动它也会微微地转动青色部位的小叉子。
游丝是由特殊合金制成的,例如尼瓦洛克斯合金(Nivarox),它的劲度系数在不同温度下保持不变,这提高了机械表走时的精度。
安装摆轮组的最后一步,是装上防震机构,它包含一个套子,两块宝石和一个固定用的小弹簧。
当手表突然被震时,这个机构能保护摆轮轴脆弱的尖端不会被震破。让我们看看当摆轮轴摇晃时,这些零件是如何一起起到保护作用的。
当表被震动,摆轮轴运动的能量会被弹簧吸收,这点和汽车的悬架系统很像。如果震动很强烈,那么摆轮轴更厚更强的部位将通过盖子将负荷传导出去,从而保护脆弱的轴尖。
经过这最后一步,我们终于把上期漂在空中的零部件完全地组装成了手表机芯。但是,你也许还记得我曾略过了如何把主发条上紧的问题。如果我们直接用发条轴心来上紧发条,那么它会发生什么呢?为了清楚地解答这个问题,下图我打开发条盒的盖子,让你能看清里面的发条:
只要发条轴心被固定着,主发条就能驱动机械表——你可以在另一面看到附在第四个齿轮上的秒针转了起来。然而,当我们松开发条轴心,主发条就会“摆烂”——通过把轴心反向转回去以释放扭矩,这样的话,发条会快速地丢失所储存的能量,机械表也会停下来。
为了防止主发条自发地反向转动,我们需要防止发条轴心逆时针转动,但与此同时还要允许它顺时针转动,这样我们才能上发条。这个问题看似复杂,但可以通过很简单的装置来解决,它就是棘爪,让我们看看它是怎么工作的。
棘爪
为了继续改进我们的装置,我们首先得装上一个发条盒上夹板作为牢固的基板,它能固定发条盒,并且为其他部件提供固定结构。由于这个夹板会遮住部分区域,我们先把一个小杠杆一起装进去,下期我们再回过来讲讲它的作用。
接着,我们用螺丝钉将一个棘轮固定在发条轴心上。棘轮有一个方形孔,这和发条轴心顶部的方形是相吻合的。
这个匹配的方形使棘轮可以带着发条轴心一起转动。我先暂时把螺丝去掉让大家看得更清楚些:
现在装上三个重要的零件。第一个零件是个小小的棘爪,我们先把它装在发条盒上夹板敞开的顶部。
在它有限的角度内,棘爪可以绕着它的轴转动:
第二个零件是棘爪簧。这个金属小玩意弹劲很强,当我们压紧它时,它会产生很强的回复力。
我们稍微压紧点棘爪簧,然后把它放进发条盒上夹板。
当我们转动棘爪并松开时,棘爪簧会在一瞬间把它推回去。
第三个零件是冠状齿轮,它也安装在发条盒上夹板上。它是被左手螺丝钉固定住的,这不同于大部分常规的齿轮,逆时针旋转它才会上紧:
注意看冠状齿轮的齿是如何啮合棘轮的。虽然冠状齿轮看起来每隔一个齿就缺一个齿,但它和棘轮依然可以啮合并正常工作。冠状齿轮的齿隙可以容纳棘爪上的小杆子落入其中。如果我们逆时针转动冠状齿轮,他会啮合棘轮并上紧发条。注意观察冠状齿轮的齿是如何将棘爪推开,而当转到齿隙,棘爪又是如何迅速弹回的。
当棘爪弹回并撞击冠状齿轮时,它会发出咔哒声,所以英文中它也叫“click”。逆时针转动冠状齿轮会上紧主发条,那反过来顺时针转会发生什么呢?在下面的模拟演示中,注意看冠状齿轮的齿是如何被棘爪卡住的,这就能防止冠状齿轮倒转:
这个简单的装置能让我们通过转动冠状齿轮来上发条,你可以看看下图的演示。这个棘爪还能防止主发条自己反转松开——这也是为什么你不能反着拖动滑条的原因,除非你重启整个演示控件。
手表另一面的秒针展示了如何计秒,但一个完整的表应该同时显示分钟和时钟。让我们看看机械表是如何用一系列传动齿轮完成这个目标。
传动齿轮
在我们的这个机芯里,秒针是装在第四个传动齿轮上的,因为它正好每分钟精确地转一圈。为了让分针也能以正确的速度转动,我们需要一个比秒针齿轮转速慢60倍的转轴。好在,机械表机芯的设计者已经用了一个绝妙的办法,从另一个齿轮上“套”出了所需要的转速。
如果你从表的正面凑近看看,你会看见第三个轮上的小齿轮从一个小敞口露出来了一些。我们可以在表的中央套上一个轮管(因为它有个像加农炮cannon一样的管子,所以英文是cannon pinion),轮管带有一个驱动轮,我们把它啮合到之前提到的小齿轮上:
当第三个轮子转动,它会带动驱动轮和轮管。把分针装在轮管上,我们就能记录分钟了——其中所涉及到的齿轮都精确地设定好了齿数,以实现比秒针慢60倍的目的。我们可以从下图看到秒针和分针是如何运转的。下面的滑条模拟时间的流速,可以滑动它来控制演示时间的快慢。
时针要转得比分针再慢12倍,但我们只用再加两个齿轮就能实现它。将分针轮作为中介与轮管啮合,然后时针轮与分针轮上的小齿轮啮合:
时针轮松松地装在轮管上,它们可以互相独立地转动。将时针装在时针轮上,我们就完成了驱动表针的装置。我还加上了一个刻度表盘,上面标记了12个小时,它能让我们准确地读出指针所指示的时间。
计日功能
这个表的计日装置由四个主要部分组成——定位杆簧,指示齿轮,日期夹板与附在上面的齿轮,和印有所有可能的31个日期的日期环:
为了解释它是如何工作的,我先把无关的零件隐藏掉。我还会去掉指示齿轮的盖子,就能看到下面有一个小小的扭转弹簧。让我们看看这些零件是如何在时针轮的带动下运转的。
当时针轮转动,它会带动日期夹板的齿轮。另一面的小齿轮会带动指示齿轮和它上面的扭转弹簧。这个弹簧会被日期环上的齿绊住并变弯,但在某一刻,它会开始推动日期板。当日期环转动得足够多时,定位杆簧会突然松开日期环,并让它跳到下一个位置。
你也许好奇为什么我们要设计这么复杂的装置。有读者可能会天真地想,我们只需要直接让时针轮带着日期环转起来就好了,就像我们之前让分针轮带着时针轮转动那样。非常抱歉,那样会导致表盘小窗显示出的“当前日期”连续地转动,这会让人很难读出究竟是哪一天。你可以在下图左侧看到这样的效果。
在右侧,你可以看到我们刚刚搭建的装置所指示的日期——它只会在午夜附近变化。你也许已经意识到了,我们这个机芯的计日功能并不那么智能,它总是把每月计成31天,所以我们必须在小月份的最后一天结束后把表上的日期向后拨一天。另外,如果机械表有一阵子没有运行,那它的时间就会出错。我们需要找到一个给它校正日期和时间的方法。
万幸的是,驱动分针、时针和日期环的齿轮都是连接在一起的,所以我们只用调整其中一个齿轮,就能调整所有齿轮。我将短暂地在图中隐藏时针轮以便于说明:
注意看,当我转动分针轮时,只有轮管转动了。这个轮管紧紧地插在驱动齿轮里,所以它通常可以被驱动齿轮带动。然而,因为齿轮组中的其他齿轮只能按发条盒的节奏转动,设置时间的同时驱动齿轮会被其他齿轮阻碍而无法跟着一起转,但轮管可以克服与驱动齿轮的摩擦,从而自己转起来。这让我们在不影响齿轮组的情况下设置时间,并且防止对精密部件造成破坏。
安装好时针轮,我们会看到转动分针轮也会带着调整时针,而且如果我们转得足够多,也能一起调整日期:
跟着一步步下来,我们的机械表变得越来越完善,但它还有一些不便之处。为了调整时间以及上发条,我们必须转动机芯内部的齿轮,而它们一般是被安全地放置在表壳内的。
另外,在每个少于31天的月份,我们现在都只能通过调整时间来调整日期,因为这是目前调整日期的唯一方式。理想情况下,我们应该找到一种将设置日期独立于设置时间的方法。
为了解决这些问题,下一期我们将给机械表装上转柄,敬请期待。
作者:Ciechanowski
翻译:牧羊
审校:*0
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今天我们将送出由人民邮电出版社图灵文化提供的《神奇的连接组》。
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【互动问题:你还记得上期我们介绍的零件和它们的作用吗?】
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编辑:藏痴
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