機(jī)械手表中快慢針結(jié)構(gòu)的作用及影響分析

摘 要：文章詳細(xì)說明了機(jī)械手表機(jī)芯中的快慢針調(diào)速原理，并進(jìn)一步分析了引入快慢針結(jié)構(gòu)給調(diào)速系統(tǒng)帶來的游絲力矩非線性的影響及解決措施。

關(guān)鍵詞：走時(shí)快慢調(diào)節(jié)；頻率；節(jié)拍；外樁

中圖分類號(hào)：TH714.521 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0182-02

Abstract： In this paper， the principle of speed regulation with fast and slow needle in the movement of mechanical watch is explained in detail， and the nonlinear influence of speed needle structure on speed regulation system and its solution are further analyzed.

Keywords： speed adjustment； frequency； beat； external pile

自從機(jī)械計(jì)時(shí)機(jī)芯有了快慢針機(jī)構(gòu)，機(jī)械手表的調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)整工作效率得到了很大的提高，也為一般用戶自己動(dòng)手調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)精度帶來了可能，那么快慢針結(jié)構(gòu)調(diào)整的原理是什么？該結(jié)構(gòu)的引入對(duì)機(jī)芯調(diào)整帶來方便的同時(shí)是否也會(huì)產(chǎn)生不好的影響呢？

1 快慢針工作原理分析

頻率、節(jié)拍和周期都是標(biāo)志手表走時(shí)特性的參數(shù)。其中周期是研究調(diào)速機(jī)構(gòu)工作特性時(shí)最常用的基本參數(shù)，它主要由擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和游絲剛度所決定，可由下列公式計(jì)算：

式中：T-周期；J-擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M0-游絲剛度。

游絲剛度是指游絲在扭轉(zhuǎn)一弧度時(shí)所產(chǎn)生的力矩，是由游絲的材料、斷面尺寸以及長(zhǎng)度所決定的，它的計(jì)算公式如下：

式中：E-游絲材料的彈性系數(shù)；b-游絲寬度；h-游絲厚度；L-游絲的工作長(zhǎng)度；

將M0代入上式可得

可以看出，如果在擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、游絲材料和斷面尺寸都已定型的情況下，上述公式中J、E、b、h的數(shù)值都已給定的情況下，要改變或調(diào)整周期，就只有采取改變游絲工作長(zhǎng)度的辦法。

通過上面兩個(gè)公式，我們還可以看出：游絲的工作長(zhǎng)度和游絲的剛度成反比，而和周期成正比。當(dāng)工作長(zhǎng)度增大時(shí)，周期增加；工作長(zhǎng)度減小時(shí)，周期也縮短。

前面提到周期是指調(diào)速機(jī)構(gòu)中擺輪往復(fù)兩次擺動(dòng)過程中所經(jīng)歷的時(shí)間。所以周期的變化實(shí)質(zhì)上就是調(diào)速機(jī)構(gòu)工作時(shí)間的變化，也就是機(jī)芯走時(shí)快慢的變化。當(dāng)周期大于額定時(shí)間時(shí)，表就走慢；周期小于額定時(shí)間時(shí)，表就走快。將這一概念與上述游絲工作長(zhǎng)度和周期的關(guān)系聯(lián)系起來，就可以得到這樣的結(jié)論：

增加游絲的工作長(zhǎng)度——機(jī)芯走慢；

減少游絲的工作長(zhǎng)度——機(jī)芯走快。

圖1是游絲工作長(zhǎng)度和快慢針內(nèi)外夾移動(dòng)方向?qū)炻樣绊懙氖疽鈭D。

改變游絲工作長(zhǎng)度后，在不考慮其他因素的情況下，對(duì)手表日差的具體影響，可以采用下式計(jì)算：

式中：ω-日差；L-游絲工作長(zhǎng)度；δL-游絲工作長(zhǎng)度變化，86400是24小時(shí)的秒數(shù)。

舉例說明：某機(jī)械手表機(jī)芯的游絲實(shí)際工作長(zhǎng)度為154.286mm，當(dāng)快慢針內(nèi)外夾在游絲工作長(zhǎng)度上移動(dòng)0.1mm后所產(chǎn)生的24小時(shí)日差為：

得ω=28秒。

2 快慢針調(diào)節(jié)特點(diǎn)分析

用快慢針來調(diào)整手表走時(shí)快慢，操作起來很方便，并且在調(diào)整時(shí)手表照常運(yùn)行。它的缺點(diǎn)是產(chǎn)生游絲力矩非線性，從而影響擺輪游絲系統(tǒng)的等時(shí)性。即當(dāng)撥動(dòng)快慢針時(shí)，為了使游絲不變形，游絲在夾子活動(dòng)范圍內(nèi)的那一段形狀應(yīng)該是以擺軸為中心的圓弧，并且游絲與夾子之間要有一定的間隙。這個(gè)間隙的存在，是快慢針造成游絲力矩非線性的根本原因。舉兩個(gè)典型情況進(jìn)行分析：

（1）擺輪游絲系統(tǒng)工作時(shí)，游絲有時(shí)帖內(nèi)夾，有時(shí)貼外夾。

（2）擺輪游絲系統(tǒng)工作時(shí)，游絲只貼到一夾（內(nèi)夾或外夾），而貼不到另一夾。

第一種情況下，當(dāng)擺輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，游絲漸漸卷緊在夾子間的部分逐漸貼向內(nèi)夾。設(shè)當(dāng)擺輪由平衡位置轉(zhuǎn)過角度？棕1游絲剛好貼上內(nèi)夾，在擺輪轉(zhuǎn)過？棕1角之前，游絲實(shí)際的工作長(zhǎng)度為L(zhǎng)g+△L，其中△L為游絲從夾子到外端固定點(diǎn)的長(zhǎng)度，也稱為游絲的余長(zhǎng)。擺輪轉(zhuǎn)過？棕1角以后，游絲貼上內(nèi)夾，這時(shí)可以認(rèn)為游絲的余長(zhǎng)不起作用， 游絲實(shí)際工作長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)g。因此，在擺輪轉(zhuǎn)過？棕1角之前，游絲力矩M1應(yīng)為：

M1=-M01？棕=■？棕

式中M01-擺輪轉(zhuǎn)過帶，？棕1角之前的游絲剛度；？棕-擺輪偏轉(zhuǎn)角。

公式前的負(fù)號(hào)表示游絲力矩的方向與偏轉(zhuǎn)角？棕的增量方向相反。

同樣， 當(dāng)擺輪反時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，游絲向外擴(kuò)展，假設(shè)擺輪由平衡位置轉(zhuǎn)過&2角后， 游絲貼上外面內(nèi)夾。其工作長(zhǎng)度為L(zhǎng)g，此時(shí)的游絲力矩為：

M2=■&

而游絲在擺輪轉(zhuǎn)過&2角前， 其工作長(zhǎng)度為L(zhǎng)g+△L； 游絲力矩為：

M2=■&

如果把擺輪轉(zhuǎn)角與游絲力矩的關(guān)系用曲線表示。

經(jīng)推導(dǎo)，可得出第一種情況時(shí)系統(tǒng)的周期T：

T1=T0[1-■（arcsin■+arcsin■）]

T1-T0=△T

式中 T-游絲標(biāo)夾子之間無間隙情況下系統(tǒng)的周期；&0-振幅；△T-有了快慢針之后周期的增量。

當(dāng)△T值為正時(shí)，表示周期增加，手表走慢，反之，△T為負(fù)時(shí)，表示周期減小，手表走快。

既然△T為一個(gè)周期的增量，而周期T0的計(jì)量單位是秒，因此用■乘以一天的秒數(shù)（86400）即可折算出日差值？覣為：

？覣=86400■

可以把上式改為：

？覣=43200 ■（arcsin■+arcsin■）

由上式可以看出：

日差是振幅&0的函數(shù)，它隨振幅的變化而變化，即振動(dòng)系統(tǒng)成為非等時(shí)性系統(tǒng)。而且振幅越大，則日差越小。因此，當(dāng)擺輪的振幅由大到小時(shí)，手表會(huì)相對(duì)走慢。

當(dāng)游絲夾子之間的間隙為零時(shí)，則

&1=&2=0

因此

？覣=0

為了減小快慢針對(duì)系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量減小內(nèi)夾（或外夾）之間的間隙。

當(dāng)△L越小，Lg越大時(shí)，同樣的振幅變化所引起的日差變化越小。所以，快慢針與活動(dòng)外樁之間的夾角一般控制在40～85度范圍內(nèi)，使△L之不致過大，而游絲圈數(shù)一般不少于10圈，以避免Lg過小。

在目前的生產(chǎn)中，常常通過調(diào)整游絲內(nèi)樁位置，使系統(tǒng)處于平衡位置時(shí)，游絲在雙夾的中間位置。當(dāng)擺輪擺動(dòng)后，游絲時(shí)而貼這個(gè)內(nèi)夾，時(shí)而又貼那個(gè)內(nèi)夾。這種現(xiàn)象稱為“蕩框”。為了便于掌握這種調(diào)整方法，作了如下規(guī)定：

如果系統(tǒng)處在平衡位置時(shí)游絲是帖在某一夾子上，則轉(zhuǎn)動(dòng)擺輪使游絲離開夾子，這時(shí)擺輪所轉(zhuǎn)過的角度稱為起跳角（當(dāng)游絲在兩夾中間，則起跳角為零），起跳角應(yīng)小于70度。

游絲工作的第二種情況是這樣的：系統(tǒng)在平衡位置時(shí)，游絲帖在一個(gè)夾上。當(dāng)擺輪轉(zhuǎn)過起跳角&3后，游絲離開此夾。而擺輪轉(zhuǎn)到振幅位置，游絲也不與另一夾接觸。這種現(xiàn)象稱為“小蕩框”，在“小蕩框”情況下的日差公式為：

？覣=43200■arccos■

在這種情況下，日差？覣隨振幅？棕0的增大而增大，即擺輪從大振幅變化到小振幅時(shí)，鐘表相對(duì)走快。可利用“小蕩框”的方法來改善小振幅走慢的現(xiàn)象。

綜上所述，通過撥動(dòng)快慢針實(shí)現(xiàn)游絲有效工作長(zhǎng)度的調(diào)整從而決定游絲振動(dòng)的周期，實(shí)現(xiàn)走時(shí)快慢的調(diào)節(jié)。為了進(jìn)一步提升和控制調(diào)節(jié)精度，開發(fā)出快慢針微調(diào)機(jī)構(gòu)，在原有“粗”調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了更精確的調(diào)節(jié)。例如鵝頸式微調(diào)結(jié)構(gòu)、偏心螺釘式微調(diào)結(jié)構(gòu)等。而快慢針結(jié)構(gòu)中內(nèi)外夾間隙的存在，造成游絲力矩非線性。為了減小快慢針對(duì)系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量減小內(nèi)夾（或外夾）之間的間隙。這個(gè)間隙也造成了另一個(gè)現(xiàn)象“蕩框”及“小蕩框”的出現(xiàn)，可以通過控制起跳角小于70度緩解蕩框?qū)ψ邥r(shí)的影響，至于“小蕩框”現(xiàn)象，通過分析及實(shí)踐證明，可利用“小蕩框”的方法來改善小振幅走慢的現(xiàn)象。

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