文 / 輕工業(yè)鐘表研究所 張曄 司馬斌 劉茂平 邊寧濤

機(jī)械擺鐘機(jī)心及模塊化附加功能設(shè)計

文 / 輕工業(yè)鐘表研究所 張曄 司馬斌 劉茂平 邊寧濤

本文給出了機(jī)械擺鐘的數(shù)學(xué)模型，介紹了機(jī)械擺鐘機(jī)心的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，結(jié)合理論計算，設(shè)計出擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)振動周期為2s，延續(xù)走時為15天的機(jī)械擺鐘機(jī)心。并引入模塊化設(shè)計理念，在同一機(jī)心上設(shè)計可互換的附加功能組件，分別實現(xiàn)了8音及12音兩種不同功能的機(jī)械擺鐘機(jī)心功能。

擺鐘機(jī)心；機(jī)心設(shè)計；

1.引言

擺鐘屬于振動計時儀器，該儀器的原理是利用了一個周期恒定、持續(xù)振動的振動系統(tǒng)，振動系統(tǒng)的振動周期乘以被測過程內(nèi)的振動次數(shù)，就得到該過程經(jīng)歷的時間。即：時間=振動周期×振動次數(shù)。

擺鐘的振動周期與擺長有關(guān)，當(dāng)擺長和持續(xù)走時時間確定后，振動周期與輪系傳動比即可確定。根據(jù)奏樂功能的不同，機(jī)械擺鐘機(jī)心最常用的可分為8音和12音。

2.擺鐘工作原理

2.1數(shù)學(xué)擺

式中：

L為擺長，即質(zhì)點m至桿a懸掛點O的距離；

m為質(zhì)點的質(zhì)量；

g為重力加速度；

φ為任何瞬間擺相對于鉛垂線的偏轉(zhuǎn)角；

.φ.為φ對時間t的二階倒數(shù)（擺的角加速度）；

其中：ml2為擺的轉(zhuǎn)動慣量，而mgLsinφ則為擺的恢復(fù)力矩。

圖1：數(shù)學(xué)擺簡圖

2.2擺的引用長度和振動周期的關(guān)系

式中：TM為振動周期（秒）ly為擺的引用長度（毫米）g 為重力加速度

表1 擺的引用長度和振動周期的關(guān)系

2.3機(jī)械擺鐘結(jié)構(gòu)組成及功能

表2 機(jī)械擺鐘結(jié)構(gòu)組成

（1）走時傳動輪系：根據(jù)固定擺長確定的周期，與擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)配合用于顯示時間的一系列輪系，具有獨(dú)立的原動組件。

（2）擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)：控制機(jī)械擺鐘振動周期的機(jī)構(gòu)，包括擒縱輪、擒縱叉、擺。

（3）報刻奏樂傳動輪系：實現(xiàn)每刻鐘及整點奏樂功能的一系列輪系，具有獨(dú)立的原動組件。

（4）報時傳動輪系：實現(xiàn)每整點報時功能的一系列輪系，具有獨(dú)立的原動組件。

（5）報時報刻控制系統(tǒng)：實現(xiàn)走時顯示與報時打點數(shù)同步功能；每刻鐘及整點顯示與奏樂同步功能；自動止報功能；完全止報功能。包括抬閘杠桿、扇形齒、十二角凸輪、開關(guān)杠桿、大小開關(guān)、止停桿和自動止停桿等零部件。

2.4傳動輪系設(shè)計

以擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)振動周期為2s，持續(xù)走時時間為15天的機(jī)械擺鐘機(jī)心設(shè)計為例：

表3 走時傳動輪系齒輪順序及齒數(shù)

圖2：走時傳動輪系

式中：N為擺鐘上一次發(fā)條（或重錘）的連續(xù)工作天數(shù)；n為上足一次發(fā)條（或重錘）鏈輪的工作圈數(shù)。

故頭輪至分輪的各齒輪齒數(shù)滿足設(shè)計要求，實際走時應(yīng)大于15天。

2.5報時輪系及報刻奏樂輪系設(shè)計

表4 報時報刻傳動輪系齒輪順序及齒數(shù)

圖3：報時傳動輪系

圖4：報刻傳動輪系

3.擒縱機(jī)構(gòu)設(shè)計

格拉哈姆擒縱機(jī)構(gòu)是擺鐘最常用的擒縱機(jī)構(gòu)之一，通過設(shè)計確定：

擒縱輪齒數(shù)：齒39

包角：78° 24'36''

鎖角：1° 2 4'12''

沖角：1°30'24''

擒縱輪齒頂圓直徑：?mm29f

根據(jù)作圖法繪制的擒縱機(jī)構(gòu)如圖5所示

圖5：擺鐘擒縱機(jī)構(gòu)

4.擺簧片設(shè)計計算

當(dāng)T（ 擺動周期）=T0（簧片小幅擺動周期）時，為擺簧片設(shè)計最佳狀態(tài)。

其中: m 擺錘質(zhì)心質(zhì)量g 重力加速度E擺簧彈性模量b擺簧寬度h擺簧厚度

本設(shè)計中

則：擺剛度

T≈T0，故擺簧片的設(shè)計符合要求。

5.模塊化附加功能設(shè)計

圖6：8音擺鐘與12音擺鐘機(jī)心對比圖

圖7：8音擺鐘奏樂系統(tǒng)

圖8：12音擺鐘奏樂系統(tǒng)

如圖6所示，本設(shè)計中8音擺鐘和12音擺鐘機(jī)心的結(jié)構(gòu)基本相同。各傳動輪系、擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)、報時報刻控制系統(tǒng)等都可作為通用件使用。不同之處在于報刻奏樂功能上的不同，8音擺鐘奏樂系統(tǒng)只能選擇一種音樂，而12音擺鐘則可以通過止停桿更換檔位，選擇3種不同的音樂。由于12音擺鐘奏樂音樂選擇的多樣化，所以12音擺鐘相對于8音鐘的奏樂部分更為復(fù)雜。

8音擺鐘奏樂功能的實現(xiàn)是由奏樂傳動輪、奏樂凸輪組件，報刻打錘固定板、打錘等零部件完成的。奏樂凸輪組件上有4個凸起點角度不同的凸輪，繞奏樂凸輪軸同時轉(zhuǎn)動；4個打錘分別固定在四個報刻打錘固定板上，4個打錘固定板依次穿在報刻打錘回轉(zhuǎn)軸上，相互之間可繞該軸獨(dú)立轉(zhuǎn)動；由于4個奏樂凸輪與4個報刻打錘固定板安裝位置平行。當(dāng)奏樂傳動輪帶動奏樂凸輪組件轉(zhuǎn)動，4個形狀不同的凸輪上的凸起點會先后撥動4個不同的報刻打錘固定板，從而使4個打錘先后敲擊音簧產(chǎn)生音樂。

12音擺鐘與8音擺鐘的奏樂原理相同，由于又增加了4個奏樂打錘，音樂旋律更加豐富，如果能在同一個機(jī)心上通過更換相應(yīng)的模塊化組件分別實現(xiàn)8音擺鐘與12音擺鐘的奏樂功能，則會給實際生產(chǎn)，售后維修帶來很多便利。

止停桿是擺鐘的奏樂開關(guān)，止停桿在下方時，奏樂系統(tǒng)處于打開狀態(tài)，當(dāng)抬至最上方時，止停桿會推起大開關(guān)以鎖住奏樂系統(tǒng)。

12音擺鐘奏樂系統(tǒng)的基本原理與8音擺鐘相同，在不改變8音擺鐘機(jī)心整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在前面板上增加了擋位片和檔位連接片，擋位片上有4個厚度不同的凹槽，其中最下面的兩個凹槽厚度相同。當(dāng)止停桿上下移動時，會通過擋位片連接片帶動擋位片一起上下移動，這樣檔位軸會依次被頂入4個不同的凹槽內(nèi)，需要說明的是，12音擺鐘的奏樂凸輪部件上共有20個凸輪，并可以軸向運(yùn)動，這樣固定在檔位軸組件上的撥片會撥動奏樂凸輪部件軸向前后移動，當(dāng)檔位軸與擋位片從上至下的三個凹槽接觸時，奏樂凸輪部件上的20個凸輪會分3組分別與8個報刻打錘固定板配合工作，帶動打錘打出3種不同的音樂。當(dāng)繼續(xù)將止停桿推到最上方，止停桿會推起大開關(guān)鎖住奏樂系統(tǒng)，由于第三、第四個凹槽的厚度一樣，故凸輪不會再發(fā)生軸向移動。

6.結(jié)論

機(jī)械擺鐘的擺長和持續(xù)走時時間決定了擺鐘擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)的振動周期及走時輪系的傳動比，結(jié)合擒縱調(diào)速機(jī)構(gòu)和擺的設(shè)計，即可實現(xiàn)走時功能。根據(jù)擺鐘持續(xù)走時時間和具備的報時、報刻等各項功能，即可設(shè)計原動組件、報時、報刻傳動輪系及奏樂系統(tǒng)。本文設(shè)計通過在同一機(jī)心上設(shè)計可互換的附加功能組件，分別實現(xiàn)了8音及12音兩種不同功能的機(jī)械擺鐘機(jī)心功能。

[1]機(jī)械計時儀器天津科學(xué)技術(shù)出版社 [2]機(jī)械擺鐘設(shè)計與工藝中國輕工業(yè)鐘表研究所培訓(xùn)中心

[3]機(jī)械手表制造工藝學(xué)天津科學(xué)技術(shù)出版社