每周技术贴之二十二“钟表擒纵机构的发展”

如果将游丝与摆轮构成的振荡系统看成钟表内最核心的“心脏”，那么擒纵系统就可看做是起着决定性作用的心脏“括约肌”，张弛有度地掌控着机芯整体的运作。作为擒纵系统的终结篇，本文着重对其最核心的部件之一——擒纵机构进行介绍。 1 钟表滴嗒声的源头

　　在我看来，擒纵一词是所有关于钟表结构的中文描述中，最精彩的一个(不是之一)。一“擒”一“纵”，将中国语言文化的博大精深充分体现的同时，也将机械机构本身的运作原理及精髓展露无遗。

　　擒纵机构驱动计时组件的过程，在钟表或手表中，通常伴随的就是钟摆或摆轮的摆动。钟表内部的擒纵机构，在悬挂式重锤或螺旋形游丝的配合下(他们可以通过本身积聚的重力或弹性势能)，驱动齿轮系转动。在此过程中，钟摆或摆轮摆动的周期性(等时性)摆动，也是控制齿轮规律转动的重要保证。可以这么说，如果没有擒纵机构的制约，齿轮系就如同摆设，根本无法转动或者丧失纪录规律性时间的功能。在钟摆或摆轮每次摆动的周期内，擒纵机构可以驱动齿轮前进一个固定值，以稳定的速率推动钟表指针顺时针旋转，精确指示时间。
擒纵系的第二个功能就是保持钟摆或摆轮的平衡运动。就古老的钟摆来说，在一个摆动的周期内，摆杆上的一个爪尖释放一个轮齿，在很短时间内使其由“锁定”状态变为“释放”状态。当齿轮(指擒纵轮)的某个轮齿碰到与摆杆相连的另一端爪尖时，齿轮就被重新“锁定”。这里的“锁定”与“释放”，就是我们现在所提及的“擒”与“纵”。正是这种规律性的定期“释放”能量而又随即快速“锁定”的运行机制，才使得钟表在走时过程中不时发出“嘀嗒”的声音——这是擒纵机构“锁定”齿轮时，齿轮突然停止时发出的声音。 2 从水上到陆地

　　最早期的水力擒纵史上最早的擒纵原理应用案例，就是公元前3 世纪希腊的盥洗台自动机。盥洗台的核心部分由一个配重勺和一个水箱组成。水箱内的水注满时，水柱流入到配重勺内，当勺内的水积聚到一定程度(重量大于尾部的配重)时，勺子口会倒向下面的盆中，盆内的浮球则会随水位上升。当勺子里水倒完，勺子又会被配重锤拉回原来的位置继续等待水槽中的水注入。从整体结构及功能可以看出，虽然希腊工程师设计的盥洗台自动机已经将擒纵机构的原理应用到机械装置中，但当时还没有融入纪录时间的概念。

　　在中国， 大约公元723年前后，唐朝僧人一行与政府官员梁令赞应用擒纵原理制作出了水动力的浑天仪和时钟驱动器。公元10 世纪，北宋天文学家苏颂(1020–1101)和张思训所创建的天文时钟塔运用了擒纵机构装置。据哈桑艾哈迈德(Ahmad YHassan)所记载，1277 年，为西班牙国王阿方索十世建造寝宫时运用的水银柱擒装置可追溯到早期的阿拉伯文化的起源。后来阿拉伯文和西班牙文的翻译对水银柱擒纵知识的传播做出不可磨灭的贡献。

　　但是这些都不是真正的机械擒纵机构，因为他们仍然依赖通过孔板和液体流动驱动孔板来测量时间。例如北宋苏颂的钟表设计，水流入可旋转轴一端的容器内，此时擒纵机构的作用是使容器在承载一定量的水后产生倾斜，从而使每次等量的水推动时钟的轮子来测定时间。虽然擒纵机构并没有直接参与钟表部分的运作，但是，这一区各等量水流(水力)理念已经和真正意义上的机械擒纵概念相当，因此中国也被称为最早期的钟表发源地之一。机械钟表的发展取决于另一种新的擒纵系的发明，即表针的移动是通过摆锤来控制的。中世纪的擒纵发明和中国的水流擒纵系有所不同，主要表现在定期，重复的序列离散运动和自动扭转运动力。
这两种技术都运用了擒纵机构，名字相似，但工作原理却不尽相同。早期中国的擒纵机构强调时间的间歇性，而在欧洲运用的是连续离散。相同点是，两种擒纵机构都借用地吸引力为原动力，但实现过程完全不同。在机械表里，重锤对齿轮系由单向力产生的单向运动。

　　机械式擒纵的诞生公元14 世纪的欧洲，业内出现第一个机械装置的计时器，是一个大型塔式钟表。然而，对13 世纪末擒纵系在钟表的使用的说法确实有证据考究。1271 年天文学家Robertus Anglicus 写到钟表匠试图发明一种擒纵系统，但还没有成功。然而，另一方面，大多数证据表明，机械擒纵系钟表已在1300 年发明成功。

　　其实，最早的擒纵系的描述出现于美国沃林福德地区的理查德在1327 年写就的手稿中，即圣奥尔本斯修道院的钟表，使用的不是Verge 擒纵，而是由其逐渐演变而来的“Strob”擒纵机构。尽管再没有其他实例加以证明，这很有可能是带有擒纵机构设计的第一座时钟。
　　然而，机轴擒纵是应用于钟表的标准擒纵机构，前后持续了400 多年。但是摩擦和反冲限制了其性能的发挥，且由于没有装设摆轮游丝，因此它的摆轮摆动的频率并不均衡，计时效果也不是十分理想。

　　钟表精确度得以大大提高，源于1657 年摆轮游丝的发明。制表师在钟表内通过游丝制作而成一组振荡器装置，来作为钟表的计时元素。机轴擒纵逐渐退出历史的舞台。接下来的两个世纪中，是机械钟表的“黄金时代”，但就擒纵机构形式的设计发明，就达到三百多种。不过，最终经受住时间的考验并流传下来的，只有十多种，稍后将会单独介绍。 3 机械钟表内的大管家　　

擒纵机构的可靠性取决于先期做工质量和后期处理水平，结构不良或打磨处理不当的擒纵机构，在使用过程中会引发一系列问题。擒纵机构必须精确地为钟表齿轮旋转和摆轮的振荡供力，以维持摆轮震动的频率。在许多擒纵系统内，擒纵机构在释放过程中都会涉及到滑动现象，比如擒纵叉随着钟摆(摆轮)的摆动在擒纵轮上滑动，擒纵叉(或者其上安装的叉瓦)通常是用非常坚硬的材料所制，如人造红宝石。但即使如此，由于润滑油随着时间的推移都会逐渐蒸发，它们也得需要润滑。再加上灰尘侵袭或者元件氧化等一系列问题，因此对机芯定期洗油变得尤为必要。否则，钟表指针会出现转动不规律的现象甚至完全停止，同时擒纵机构组件也会加速磨损。现代钟表提高可靠性的主要原因是有更高质量的润滑油来维护。在高品质的手表中，润滑油的寿命可超过五年。
　　有些擒纵机构可以消除滑动摩擦，例如在18 世纪约翰•哈里森(John Harrison)蚱蜢式擒纵(Grasshopper)，以及如今被欧米茄招揽旗下的乔治• 丹尼尔(George Daniels)发明的同轴擒纵，都可免除擒纵机构润滑——当然，这并不排除对行轮系齿轮的润滑。 4 将时间变态般细化

　　作为主发条动力以及时间的区分元素，擒纵机构的运行状况是决定手表精准走时与否的根本性元素。这就像一只钟摆，其摆动一个周期的时间决定钟表的精确度。如果此钟摆的摆杆由金属制成，热胀冷缩势必会改变摆杆的长短，从而改变其摆动的频率。为了避免这一点，一些名贵钟表的钟摆几乎都是由物理性能稳定(极小量热胀冷缩)的合金制造。当然，钟表的精确度还取决于钟摆的弧度，高度精确的时钟钟摆的摆动弧度都非常小。特别是在20 世纪，带有钟摆的座钟通常被用做实验室内的标准时间参考，有些表店还称其为“母钟”。在准确性上，擒纵系扮演了重要的角色，它确定了与钟摆接合的精确点，驱使钟表以某个频率摆动。理想的情况下，这个驱使力会施加于每次摆动的最低点，来推动钟表向上移动，如果这个力是均匀的，钟摆摆动的频率也是均匀的。

　　擒纵机构设计的关键因素是给予钟摆足够的能量，以保持钟摆持续、稳定地摆动。随着时间推移，擒纵润滑效果欠佳，摩擦增加，对钟摆施加的力就会变小。如果计时装置是个钟摆，这就意味着摆动的弧度会越来越小。这种情况下，计时的准确性就会降低。

　　手表和小型钟表不采用钟摆为其时间区分装置，而是使用摆轮游丝。纤细且具有弹性的游丝一端连接到摆轮上，牵引摆轮往复摆动。

　　怀表是现代手表的前身，它需放在口袋里，通常是垂直方向。地心引力的原因，会导致怀表运行的精度受到影响。为了减少这种影响，宝玑先生发明了陀飞轮，通过将擒纵机构装置于一个1 分钟旋转一圈的框架里，来抵消因怀表处于不同方位时，擒纵系统受到的影响。
　　世界上最准确的商业钟之一， 是1921 由瓦肖尔特(W. H. Shortt) 发明的“Synchronome 自由摆时钟”。此钟一年内只有1 秒的误差，是迄今为止世界上运行最精确的机械钟表之一。20世纪90 年代， 考古学家E.T. Hall 发明了利特尔莫尔(Littlemore)时钟，在他所著的文章里，记录了100 天的周期里的10 次测试，仅有三次出现误差，每次误差平均为0.02秒。当然，这座时钟是机电驱动的，他们使用的基本计时元素为钟摆，但是电力代替机械驱动齿轮给钟摆供应能量。
[ 本帖最后由 asde12 于 2011-12-22 10:53 编辑 ]

12 ，多谢分享

支持技术贴，学习了。

首页占位学习，没法评分，可恶的广告

技术贴 先顶再学习！

12辛苦了！学习了

看技术贴 真让人受益良多呀~~

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技术贴先 ，等会慢慢看

这个真的没看懂

认真学习技术帖

聊好了来看技术贴，先 后收藏在慢慢看那。

感谢12兄的分享，很有意义的一篇文章，让我了解了钟摆的历史。
ps.第三段文章和第四段最后一部分有重复哦

[ 本帖最后由 cai58345 于 2011-12-22 10:36 编辑 ]

12辛苦
再上点图，特喜欢看

认真地学习,12万岁

蚊子好多啊！
学习了！

我看了

改天再细看，现在越来越能看懂了