摆钟是怎么计时的?

在机械钟表中,利用弹簧(发条)恢复变形或下落重物的重力所释放的能量作为能源,以机械振动系统作为时间基准,实现测量时间和时间段的机械机构。机械钟机构的种类很多,但一般都是由原动机系统、传动系统、擒纵调速系统、上发条系统、指针系统组成,工作原理基本相同(图1)。此外,日历手表还包括日历(或双日历)机构,自动手表还包括自动上弦机构。

原动机是一种储存和传递工作能量的机制。分为重锤原动机和弹簧原动机两种。

重锤的动力系统利用重锤的重力作为能源。多用于简单的挂钟(图2)和落地摆钟。重锤原有的驱动系统结构简单,扭矩稳定,但当重锤上升时,驱动系统与原驱动系统断开,钟表机构停止工作。

弹簧动力系统利用螺旋弹簧(弹簧)释放的能量恢复其变形作为能源。带状弹簧的一端与轴连接,另一端与静止部分或弹簧筒的外壳连接。弹簧原动机系统用作便携式钟表的能源,也用于摆钟。弹簧原动机有三种类型:带固定杆的箱、不带杆的箱和带活动杆的箱。

传动系统将原动机系统的能量传递给擒纵调速系统的一组传动齿轮。它通常由一系列轮子和齿轴组成(图3)。在主传动中,车轮是主动齿轮,齿轴是从动齿轮。传动比根据以下公式计算:

i=Z1/Z2

其中Z1是主动齿轮的齿数,Z2是从动齿轮的齿数。对于带有秒针装置的钟表,从中心轮的叶片到秒轮的齿轴的传动比必须等于60。时钟传动系统的齿形大多是专门设计的(见时钟齿形)。

传动系统根据手表机芯中“两个轮子”(时轮和分轮)的平面构型可分为两种:①中心两个轮子,两个轮子在手表机芯的中心。还包括直驱式、秒簧式、短秒针式、无秒针式、双三轮式。②双轮,且两轮不在手表机芯的中心。还包括头轮出型、两轮出型、三轮出型。

直接驱动是常用的传动系统之一(图3)。在这种传动方式下,子轮上部有凹槽,子轮通过摩擦与中心轮管配合;走针机构的运动由中心轮驱动。

擒纵调速系统由擒纵机构和振动系统组成。根据振动系统的特点,可分为两类:①具有固有振动周期的擒纵调速系统。它有一个振动系统,可以独立振动,周期稳定。手表和闹钟中走时系统的擒纵调速系统就属于这一类。②无自振周期的逃逸调速系统(图4)。它没有可以独立振动的振动系统。这种调速系统中所谓振动系统的往复振动,完全取决于擒纵机构的往复运动。机械闹钟中报警系统的擒纵调速系统就属于这一类。这种调速系统具有精度低、结构简单、运行可靠、抗干扰能力强等优点,广泛应用于机械定时器和时钟引信中。

逃逸机构是连接传动系统和振动系统的机构。其作用是将动力系统的能量传递给振动系统,以维持振动系统的等幅振动;将振动系统的振动次数传递给指针机构,达到计时的目的。擒纵机构有很多种,根据与振动系统的联系可分为两类。①非自由逃生机构:逃生机构和振动系统始终保持运动。它包括直进式、后退式和工字轮擒纵机构。②自由式擒纵机构:只有在释放和冲击传递阶段,擒纵机构与振动系统保持运动接触,其他阶段振动系统处于自由运动状态。它包括销式擒纵机构、叉蹄式擒纵机构和天文钟擒纵机构。

①伸缩式擒纵机构(图5):广泛用于低精度摆钟。其叉靴锁面与冲头面为同一平面(工作面);瓦的工作面为圆柱面,其圆心与擒纵叉的旋转中心不重合;瓷砖的工作面是平面。叉靴和擒纵叉是一体的。冲击过去后,叉靴工作面会迫使擒纵轮以一定角度后退。

②叉蹄式擒纵机构(图6):最广泛使用的擒纵机构之一。工作时,擒纵轮从传动系统中获得能量,通过擒纵轮齿和叉靴(鞋入或鞋出)的作用,转化为冲量传递给擒纵叉;通过逃生叉的叉子与双盘冲击盘上的摆钉相互作用,将冲量传递给振动系统。双盘安全盘和擒纵叉的叉头钉、摆钉、喇叭口是保证机构正常运转的安全装置。

(3)销式擒纵机构(图7):与叉靴式擒纵机构的区别在于,用两根圆柱销代替擒纵叉上的叉靴,冲量只沿擒纵轮的齿冲击面传递。这种擒纵机构结构简单,精度低,制造方便,常用于闹钟和低精度手表,俗称糙马结构。

作为时间基准机构的振动系统。振动系统的振动周期乘以被测过程的振动次数,即为该过程所经历的时间。机械钟表常见的振动系统有摆锤、扭摆、游丝振动系统。

①钟摆:由钟摆、钟摆杆、钟摆悬挂装置和周期调节装置组成。用于固定时钟(图2)。当钟摆在外力作用下以任意角度偏离垂直线(平衡位置)并被释放时,钟摆会在重力作用下绕支点往复运动。振动过程是摆的动能和势能交替变化的过程。

②扭摆:主要由摆盘和吊线组成(图8)。吊线的下端固定有摆盘,上端固定在固定支点上。吊线的横截面可以是矩形或圆形。扭摆常与后退式擒纵机构或叉蹄式擒纵机构组成擒纵调速系统。扭摆振动周期长(几秒到几十秒),多用于能量较少、运行时间较长的固定时钟。

③摆轮游丝的振动系统(图9):游丝的内外两端分别固定在摆轴和摆夹板上。当摆轮在外力作用下偏离其平衡位置并开始摆动时,游丝被扭转产生势能,通常称为恢复力矩。这个力矩促使摆轮移动到它的平衡位置。

上弦针是一种机械装置,用于上紧原动机中的弹簧,并移动时针和分针来校正时钟指示的时间(图10)。上弦时,竖轮和离合轮处于啮合状态。当置针时,离合轮和垂直轮与置针轮脱开和啮合。