機(jī)械表簡(jiǎn)史及工作原理附圖

1、機(jī)械表簡(jiǎn)史及工作原理，值得學(xué)習(xí) 鐘和表是精密的計(jì)時(shí)儀器?，F(xiàn)代鐘表的原動(dòng)力有機(jī)械力和電力兩種。機(jī)械鐘表是一種用重錘或彈簧的釋放能量為動(dòng)力，推動(dòng)一系列齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，借擒縱調(diào)速器調(diào)節(jié)輪系轉(zhuǎn)速，以指針指示時(shí)刻和計(jì)量時(shí)間的計(jì)時(shí)器。鐘和表通常是以內(nèi)機(jī)的大小來(lái)區(qū)別的。按國(guó)際傳統(tǒng)區(qū)分，機(jī)心直徑超過(guò)50毫米、厚度超過(guò)12毫米的為鐘；直徑3750毫米、厚度46毫米者，稱為懷表；直徑37毫米以下者,則為手表。直徑不大于20毫米或機(jī)心面積不大于314平方毫米者，稱為女表。手表是人類所發(fā)明的最小、最堅(jiān)固、最精密的機(jī)械之一。簡(jiǎn)史 公元1300年以前，人類主要是利用天文現(xiàn)象和流動(dòng)物質(zhì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí)。例如，日晷是利用日影的方位

2、計(jì)時(shí)；漏壺和沙漏是利用水流和沙流的流量計(jì)時(shí)。東漢張衡制造漏水轉(zhuǎn)渾天儀，用齒輪系統(tǒng)把渾象和計(jì)時(shí)漏壺聯(lián)結(jié)起來(lái),漏壺滴水推動(dòng)渾象均勻地旋轉(zhuǎn),一天剛好轉(zhuǎn)一周，這是最早出現(xiàn)的機(jī)械鐘。北宋元三年(1088)蘇頌和韓公廉等創(chuàng)制水運(yùn)儀象臺(tái)（見(jiàn)），已運(yùn)用了擒縱機(jī)構(gòu)。 1350年，意大利的E.丹蒂制造出第一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械打點(diǎn)塔鐘，日差為1530分，指示機(jī)構(gòu)只有時(shí)針。15001510年，德國(guó)的P.亨萊恩首先用鋼發(fā)條代替重錘，創(chuàng)造了用冕狀輪擒縱機(jī)構(gòu)(圖1 冕狀輪擒縱機(jī)構(gòu))的小型機(jī)械鐘。圖2 16世紀(jì)下葉德國(guó)制冕狀輪擒縱機(jī)構(gòu)計(jì)時(shí)器為早期的可攜帶的輕便計(jì)時(shí)器。1582年前后，意大利的伽利略發(fā)明了重力擺。1657年，荷蘭

3、的首先把重力擺引入機(jī)械鐘，從而創(chuàng)立了擺鐘。1660年英國(guó)的R.胡克發(fā)明，并用后退式擒縱機(jī)構(gòu)代替了冕狀輪擒縱機(jī)構(gòu)。1673年，惠更斯又將擺輪游絲組成的調(diào)速器應(yīng)用在可攜帶的鐘表上。1675年，英國(guó)的W.克萊門(mén)特用叉瓦裝置制成最簡(jiǎn)單的錨式擒縱機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)一直沿用在簡(jiǎn)便擺錘式掛鐘中。1695年，英國(guó)的T.湯姆平發(fā)明工字輪擒縱機(jī)構(gòu)。1715年，英國(guó)的G.格雷厄姆又發(fā)明靜止式擒縱機(jī)構(gòu),彌補(bǔ)了后退式擒縱機(jī)構(gòu)的不足,為發(fā)展精密機(jī)械鐘表打下了基礎(chǔ)。1765年，英國(guó)的T.馬奇發(fā)明自由錨式擒縱機(jī)構(gòu)，即現(xiàn)代叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)的前身。17281759年，英國(guó)的J.哈里森制造出高精度的標(biāo)準(zhǔn)航海鐘。17751780年，英國(guó)的

4、J.阿諾德創(chuàng)造出精密表用擒縱機(jī)構(gòu)。 1819世紀(jì),鐘表制造業(yè)已逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),并達(dá)到相當(dāng)高的水平。20世紀(jì)，隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，電池驅(qū)動(dòng)鐘、交流電鐘、電機(jī)械表、指針式石英電子鐘表、數(shù)字顯示式石英電子鐘表相繼問(wèn)世，石英鐘表的日差已小于 0.5秒。鐘表進(jìn)入了微電子技術(shù)與精密機(jī)械相結(jié)合的石英化新時(shí)期。 分類 鐘表的應(yīng)用范圍很廣，品種甚多，可按振動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)和用途特點(diǎn)分類。 按振動(dòng)原理:可分為利用頻率較低的機(jī)械振動(dòng)的鐘表，如擺鐘、擺輪鐘等；利用頻率較高的電磁振蕩和石英振蕩的鐘表，如同步電鐘、石英鐘表等。 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn):可分為機(jī)械式的，如機(jī)械鬧鐘、自動(dòng)、日歷、雙歷、打簧等機(jī)械手表；電機(jī)械式的，如電

5、擺鐘、電擺輪鐘表等；電子式的，如擺輪電子鐘表、音叉電子鐘表、指針式和數(shù)字顯示式石英電子鐘表。 按用途特點(diǎn):可分為指示時(shí)刻用的鐘表，又分為生活用的技術(shù)用兩類。屬于生活用的有手表懷表鬧鐘、擺鐘、掛鐘、塔鐘、子母鐘等。屬于技術(shù)用的有原子鐘、天文鐘、航海鐘、坦克鐘、考勤鐘、航空鐘表、潛水表等；測(cè)量時(shí)段用的，如秒表、體育鐘、信號(hào)鐘等；控制時(shí)段用的，如程序鐘、定時(shí)器等。 機(jī)械鐘表的結(jié)構(gòu)和工作原理 機(jī)械鐘表有多種結(jié)構(gòu)形式,但其工作原理基本相同。圖3機(jī)械鐘表工作原理圖為機(jī)械鐘表工作原理圖,圖4機(jī)械手表結(jié)構(gòu)圖為機(jī)械手表結(jié)構(gòu)圖。鐘表主要由原動(dòng)系、傳動(dòng)系、擒縱調(diào)速器、指針系和上條撥針系等部分組成。機(jī)械鐘表用發(fā)條作為

6、動(dòng)力的原動(dòng)系，經(jīng)過(guò)一組齒輪組成的傳動(dòng)系來(lái)推動(dòng)擒縱調(diào)速器工作，再由擒縱調(diào)速器反過(guò)來(lái)控制傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)系在推動(dòng)擒縱調(diào)速器的同時(shí)還帶動(dòng)指針機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速受控于擒縱調(diào)速器，所以指針能按一定的規(guī)律在表盤(pán)上指示時(shí)刻。上條撥針系是上緊發(fā)條或撥動(dòng)指針的機(jī)件。此外,還有一些附加機(jī)構(gòu)可增加鐘表的功能,如自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)、日歷（雙歷）機(jī)構(gòu)、鬧時(shí)裝置、月相指示和測(cè)量時(shí)段機(jī)構(gòu)等。 振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)周期乘以被測(cè)過(guò)程內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，就得到該過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間。即 時(shí)間振動(dòng)周期振動(dòng)次數(shù) 原動(dòng)系 儲(chǔ)存和傳遞工作能量的機(jī)構(gòu)。通常由條盒輪、條盒蓋、條軸、發(fā)條和發(fā)條外鉤組成。發(fā)條在自由狀態(tài)時(shí)是一個(gè)螺旋形或 S形的彈簧。它的內(nèi)端有一個(gè)小孔

7、，套在條軸的鉤上。它的外端通過(guò)發(fā)條外鉤，鉤在條盒輪的內(nèi)壁上。上條時(shí)，通過(guò)上條撥針系使條軸旋轉(zhuǎn)將發(fā)條卷緊在條軸上。發(fā)條的彈性作用使條盒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系。 傳動(dòng)系 將原動(dòng)系的能量傳至擒縱調(diào)速器的一組傳動(dòng)齒輪。它是由二輪（中心輪）、三輪（過(guò)輪）、四輪（秒輪）和擒縱輪齒軸組成。其中,輪片是主動(dòng)齒輪,齒軸是從動(dòng)齒輪。傳動(dòng)比的計(jì)算公式是 對(duì)于有秒針裝置的鐘表，其二輪的輪片到四輪的齒軸的傳動(dòng)比必須等于60。鐘表傳動(dòng)系的齒形絕大多數(shù)是根據(jù)理論擺線的原理，經(jīng)過(guò)修正而制作的修正擺線齒形。 擒縱調(diào)速器 由擒縱機(jī)構(gòu)和振動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。它依靠振動(dòng)系統(tǒng)（擺輪游絲或擺）的周期性振動(dòng)，使擒縱機(jī)構(gòu)保持精確和規(guī)律性的間歇

8、運(yùn)動(dòng)，從而取得調(diào)速作用。 擒縱調(diào)速器的種類很多，主要分類如下。 叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣的一種擒縱機(jī)構(gòu)。叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)示意圖 它由擒縱輪、擒縱叉、雙圓盤(pán)和限位釘?shù)冉M成。它的作用是把原動(dòng)系的能量傳遞給振動(dòng)系統(tǒng),以便維持振動(dòng)系統(tǒng)作等幅振動(dòng),并把振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)次數(shù)傳遞給指示機(jī)構(gòu)，達(dá)到計(jì)量時(shí)間的目的。叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)的能量傳遞作用是由以下兩部分動(dòng)作相互配合來(lái)完成的：擒縱輪由傳動(dòng)系取得的能量，通過(guò)輪齒和叉瓦的作用轉(zhuǎn)變?yōu)闆_量傳送給擒縱叉，在傳遞過(guò)程中主要有5個(gè)動(dòng)作（圖6叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)的能量傳遞過(guò)程），即鎖接、釋放、沖擊、垂落和牽引。通過(guò)擒縱叉的叉口和雙圓盤(pán)的圓盤(pán)釘相互傳遞沖量，工作過(guò)程有釋放和沖擊兩個(gè)動(dòng)作。

9、 振動(dòng)系統(tǒng) 由擺輪、擺軸、游絲、活動(dòng)外樁環(huán)、快慢針等組成。振動(dòng)系統(tǒng)游絲的內(nèi)外端分別固定在擺軸和擺夾板上。擺輪受外力偏離其平衡位置開(kāi)始擺動(dòng)時(shí),游絲便被扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生位能,通常稱為恢復(fù)力矩。擒縱機(jī)構(gòu)完成前述兩部分動(dòng)作的過(guò)程，也就是振動(dòng)系統(tǒng)完成半個(gè)振動(dòng)周期的過(guò)程。后者在游絲位能的作用下，還會(huì)進(jìn)行反方向擺動(dòng)而完成另半個(gè)振動(dòng)周期，這就是機(jī)械鐘表在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)擒縱調(diào)速器不斷和重復(fù)循環(huán)工作的原理。 上條撥針系 上條撥針系的作用是上條和撥針上條撥針機(jī)構(gòu)示意圖。它由柄頭、柄軸、 立輪、離合輪、離合桿、離合桿簧、拉檔、壓簧、撥針輪、跨輪、時(shí)輪、分輪、大鋼輪、小鋼輪、棘爪、棘爪簧等組成。上條和撥針都是通過(guò)柄頭部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上

10、條時(shí)，立輪和離合輪處于嚙合狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)柄頭時(shí)，離合輪帶動(dòng)立輪，立輪又經(jīng)小鋼輪和大鋼輪，使條軸卷緊發(fā)條。棘爪則阻止大鋼輪逆轉(zhuǎn)。撥針時(shí)，拉出柄頭，拉檔在拉檔軸上旋轉(zhuǎn)并推動(dòng)離合桿，使離合輪與立輪脫開(kāi)，與撥針輪嚙合。此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)柄頭便撥針輪通過(guò)跨輪帶動(dòng)時(shí)輪和分輪，達(dá)到校正時(shí)針和分針的目的。 附加裝置 包括自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)和日歷（雙歷）機(jī)構(gòu)。 自動(dòng)上條機(jī)構(gòu):帶有自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)的手表稱為自動(dòng)手表。 自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)平面圖為自動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種。它是由重錘、重錘支承、偏心軸、滾珠、自動(dòng)搖板、棘輪、棘爪以及自動(dòng)上夾板等構(gòu)成。當(dāng)手表戴在手腕時(shí)，隨著人臂的隨機(jī)活動(dòng)，自動(dòng)錘在慣性力和靜力矩的作用下自動(dòng)地上緊發(fā)條。自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)大致可分為

11、擺動(dòng)式單向或雙向上條和旋轉(zhuǎn)式單向或雙向上條兩大類。前者稱為半自動(dòng)，后者稱為全自動(dòng)。人們對(duì)自動(dòng)手表的單向和雙向上條性能曾有過(guò)不同的看法，一般認(rèn)為單向上條自動(dòng)機(jī)構(gòu)性能較好。 日歷（雙歷）機(jī)構(gòu):帶有日歷（雙歷）機(jī)構(gòu)的手表稱為日歷(雙歷)手表。日歷機(jī)構(gòu)平面圖為日歷機(jī)構(gòu)的一種。它由日歷環(huán)、日歷定位桿、日歷定位桿簧、撥日輪、日跨輪部件、撥頭和日歷蓋片等構(gòu)成，并設(shè)有撥動(dòng)機(jī)構(gòu)或快撥機(jī)構(gòu)，供日期調(diào)校之用。它的基本工作原理是由走針輪系帶動(dòng)一個(gè)撥日輪，撥日輪與時(shí)輪之間的傳動(dòng)比必需是1:2。然后通過(guò)撥日輪驅(qū)動(dòng)撥頭,使印有日期標(biāo)記的日歷環(huán)每24小時(shí)動(dòng)作一次。雙歷機(jī)構(gòu)也是通過(guò)撥頭，在定位部件的協(xié)同作用下轉(zhuǎn)動(dòng)周歷輪，使星期

12、得到更換。按變換日期所需時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)區(qū)分，日歷機(jī)構(gòu)又可分為慢爬式、快爬式和瞬跳式三種。慢爬式的換日時(shí)間需13小時(shí)，快爬式一般不超過(guò)30分鐘，瞬跳式則在每日零時(shí)瞬間變換日期。 機(jī)械鐘表的走時(shí)精度 鐘表走時(shí)的規(guī)律性和準(zhǔn)確性。鐘表要求走時(shí)準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠。但一些內(nèi)部因素和外界環(huán)境條件都會(huì)影響鐘表的走時(shí)精度。內(nèi)部因素包括各組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作性能、選用材料、加工工藝和裝配質(zhì)量等。例如,發(fā)條力矩的穩(wěn)定性,傳動(dòng)系工作的平穩(wěn)性，擒縱調(diào)速器的準(zhǔn)確性等都影響走時(shí)精度。外界環(huán)境條件包括溫度、磁場(chǎng)、濕度、氣壓、震動(dòng)、碰撞、使用位置等。例如，溫度的變化會(huì)引起鐘表內(nèi)潤(rùn)滑油和擺輪游絲性能的變化，從而引起走時(shí)性能的變化；

13、環(huán)境的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于60奧斯特(Oe)時(shí)，會(huì)引起部分零件磁化而走慢；濕度大會(huì)引起部分零件氧化和腐蝕。 常用來(lái)表示走時(shí)精度的有5種參數(shù)。指示差:鐘表任一瞬時(shí)的指示時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻的差值，它可以是正值，也可以是負(fù)值。日差：鐘表相隔時(shí)段為24小時(shí)的指示差值相減。位差：上足發(fā)條時(shí)各個(gè)位置所測(cè)得的瞬時(shí)日差的最大值和最小值之差。等時(shí)差：在其他條件不變的情況下，上足發(fā)條和滿24小時(shí)時(shí)，各相應(yīng)位置瞬時(shí)日差差值中的最大值。日變差：相鄰兩日的日差差值。簡(jiǎn)單解釋： 機(jī)械手表是由外觀部件和機(jī)心組成。外觀部件指表殼、表盤(pán)、指針等能直接看到的部件：主傳動(dòng)輪系、擒縱調(diào)速系、指針傳動(dòng)輪系和上發(fā)條撥針機(jī)構(gòu)等。機(jī)械手表機(jī)件是靠上，由

14、中，下，三層夾板把他們組合起來(lái)的，下層夾板是主甲板，是基礎(chǔ)件。上層夾板包括條夾板、擺夾板、上夾板。中層夾板是由申夾板，叉夾板組成的。裝配時(shí)機(jī)械手表都靠主夾板的位釘和位釘管定位。只要我們把機(jī)械手表擒縱調(diào)速系、傳動(dòng)輪系零件裝在夾板的相應(yīng)位置上，用螺絲分別把各央板與主夾板裝配在一起，就能確保機(jī)件位置的準(zhǔn)確。為拆裝夾板方便，在主夾板上銑有鑷子口。所有這些機(jī)心部件都裝在表完里，平時(shí)是看不見(jiàn)的。 機(jī)械手表的工作原理是運(yùn)用振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制，使其產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的周期，以周期乘以某過(guò)程的振動(dòng)次數(shù)，就得到該過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。即：時(shí)間=振動(dòng)周期x損動(dòng)次數(shù) 機(jī)械手表機(jī)件在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，由于振動(dòng)系統(tǒng)在工作中存在無(wú)法避免的運(yùn)動(dòng)阻力，如：軸承摩擦、空氣阻力、彈性件之間的摩擦，而使振動(dòng)的幅度逐漸衰減。為了防止這種衰減，使振動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)不斷地工作，就必須周期性地給機(jī)械手表補(bǔ)充