機械常識淺談 —— 解開可替代性擒縱系統秘密

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10月 2014

在鐘錶史上,人們花在擒縱系統上的精力比鐘錶的任何功能都要多。18世紀,當現在大多數系統都已經被發明時,擒縱系統不只是鐘錶的基礎配置,更是聲譽的象徵。Breguet,Graham和Leroy就是他們其中之一,都在不斷研究,想找到解決穩定性和精確度問題的辦法,那也是那個年代時計的最大困擾。就像在運行的列車與調節器之間的接口一樣,擒縱系統就是動力與頻率之間一個非常複雜的鏈接。提高它的效率對整個機制,動力儲存,精確度,使用壽命和聲譽都會有很大的影響。

 走走停停

擒縱系統既是剎車又是油門。一方面,能量儲存在主遊絲發條盒內等待釋放,但要控制好;另一方面,擺輪和遊絲的組合需要由力量和頻率都相當穩定的動力來驅動。擒縱系統通過擺輪的擺動產生一個穩定頻率來釋放能量從而很好地控制能量。擺輪頻率的3,4或5赫茲正好代表着六分之一秒,八分之一秒或十分之一秒。而機芯里的上游組件,齒輪組則將這些分數用秒,分,時甚至更長的時間區間表現出來。

另外一種了解其工作原理的方法,就是把擺輪和遊絲看成是電腦控制的固定頻率打鳴時鐘。這種等時性現象只可能在一些條件同時滿足是才會發生,而這大多都與擒縱系統相關。它就像是半導體的兩種狀態,要麼開,要麼關,完全取決於擒縱輪工作與否。事實上,擒縱輪很多時候都是靜止的。因此,一個運行的腕錶機芯花許多時間去阻止擒縱系統被鎖住。這個鐘錶悖論可以用高速相機來分解進行欣賞。

 對能量的無止境索取

擒縱系統消耗許多的能量,其機械效率很難超過50%,這就意味着擒縱系統就消耗掉發條盒一半的能量。能量的浪費主要在與擒縱系統運作相關的幾個摩擦點。儘管有潤滑,並且盡力減少摩擦源,但是擒縱爪寶石和擒縱輪齒間的摩擦仍然消耗很多能量。然而,關於擒縱系統的研究在19世紀50年代後近乎停滯。再者,在槓桿式擒縱系統被發明的250年後,它的瑞士版本達到最佳性能,也讓更多圍繞擒縱系統的研發都毫無意義。其組件實際上很容易製造,而且操作也簡便:槓桿上的兩顆擒縱爪寶石同時扮演着制動和推動擺輪的作用。但是瑞士槓桿擒縱系統的關鍵性作用更像是為了防震,而其縮小版則是腕錶的理想配置。

 為什麼要徹底改造擒縱輪?

在20世紀70年代之前,瑞士的鐘表業大量產出機械機芯,也沒有致力改造擒縱輪。這個情況,直到20世紀80年代,George Daniel的專利共軸擒縱系統的出現才得以改變,並在1999年被歐米茄採用。最近,它被大量廣泛地應用。然而,它後面有三類可替代性的超複雜擒縱系統。

第一次關於簡化擒縱系統的嘗試,是從18世紀60年代 Pierre Le Roy發明天文鐘擒縱系統開始的,最近又被Urban Jürgensen再次引入,系統在暫停的單鎖定位置只有一個擒縱爪寶石。它通過爬升來釋放擒縱輪,直接推動擺輪通過,之後又落回並鎖住擒縱輪。儘管這個原理很直接,但是應用到經常會晃動的腕錶上卻沒那麼簡單。

 分工

第二種方法是減少槓桿擒縱爪和擒縱輪齒間的接觸。但是,這反而是通過增加擒縱爪和接觸點的數量來實現的,因為鎖緊和推動功能是分開的。這便是共軸擒縱系統和愛彼 Audemars Piguet系統的工作原理。Paul Gerber朝着這個方向做了一些嘗試性的努力。

第三種解決方案是基於Abraham-Louis Breguet的自然擒縱系統實驗上的兩個相連的擒縱輪。他們被交替鎖住,在每次擺輪的擺動時,轉化成能量和信息。動力直接來自擺輪,極大提高能量的效率。François-Paul Journe (F.P. Journe), Ulysse Nardin, Kari Voutilainen 和 Laurent Ferrier的擒縱系統都是基於這個理論。只是他們的版本在尺寸和槓桿的形狀,以及與之互動的擒縱輪上有所區別。從某種程度上說,芝柏Girard-Perregaux的恆定動力擒縱系統也是同樣的工作原理,通過獨一無二的能量管理系統增強性能。

 克服慣性

在開發的同時,組件生產的研究也為擒縱系統性能的提高做出了貢獻。摩擦減小時,慣性會產生相對大的影響,這也是為什麼許多系統都在盡力減重,鏤空擒縱齒和槓桿,或是運用鈦金屬和硅材料。與此同時,電鑄技術和附加鍍鋅法可以做到極小公差。如果Abraham-Louis Breguet, Thomas Mudge 或者 Robert Robin也專研過提高標準配件精度和可靠性的話,他們所製作的相對精良的系統肯定會有一個不一樣的未來。

 瑞士槓桿式擒縱系統

瑞士杠杆式擒纵系统
瑞士槓桿式擒縱系統

它實際上從20世紀20年代開始就成了機械腕錶的標配。這都是因為它的實用性。一根帶雙爪的槓桿,輪流鎖緊和釋放擒縱輪。每半個振動周期擺輪都會得到動力。

然而,動力並非直接動力,且機械效率低。儘管它的構造簡單直接,槓桿爪會沿着擒縱輪齒滑動一定距離,產生許多摩擦。不管怎樣,整個手錶都習慣了。最佳的槓桿擒縱系統可以有300度的振幅和近乎完美的頻率。

優點: 簡單,便宜,穩固,常見。

缺點: 太普通,機械效率低。

 恆定動力擒縱系統

恒定动力擒纵系统
恆定動力擒縱系統

唯有芝柏製造的擒縱系統在嚴格意義上來講擁有恆定動力。它不管是樣子還是運作方式看起來都是獨一無二的。

一片微彎薄片橫穿一個大型的翼型框架,這實際上是硅制擒縱系統的夾板。擺輪擺動讓薄片前後彎曲,一次釋放擒縱輪的一個齒。當擺輪變換方向時,一切重新開始。

要動力足夠時,薄片才會彎曲,每次也會釋放同等的能量,提供恆定動力。帶兩個動力輪的系統,擁有許多雙輪擒縱系統的優點。

優點:革新,恆定動力,雙倍動力。

缺點: 昂貴,複雜, 過大。

 等容橢圓擒縱系統

等容椭圆擒纵系统
等容橢圓擒縱系統

它存在的時間不長。最先裝配在大翻轉系列Triptyque腕錶的Calibre 175機芯上,最後還是被積家拋棄,因為在腕錶的精準度不比傳統的槓桿擒縱系統。

它是天文鐘擒縱系統的變體,沒能成功克服對衝擊的敏感性,還是太易損了,即便是裝在Triptyque翻轉系列的陀飛輪框架裡面。陀飛輪本身實際上並不是擒縱系統,但它是擒縱系統的「附屬品」。然而,即便像積家Jaeger-LeCoultre這種大廠都沒法在這上面做到可靠的創新。

優點 振幅高,名氣大,迷人。

缺點 在腕錶上不如瑞士槓桿式擒縱系統,複雜。

 愛彼 AUDEMARS PIGUET 擒縱系統

爱彼Audemars Piguet擒纵系统
愛彼Audemars Piguet擒縱系統

愛彼擒縱系統的槓桿看上去很像傳統槓桿,但有第三根擒縱叉。對於愛彼來說,這是個槓桿與掣子的混合體,受到了Robin擒縱系統的啟發。正如在共軸擒縱系統中一樣,擒縱輪和擒縱叉之間的接觸是相切的。

接觸面從0.4毫米減少到0.05毫米。擒縱輪齒也做成了鏤空來提高效率。

這個擒縱系統現在只適合兩款機芯,最近一款都得追溯到2009年。第一款機芯擁有10天動能儲存,秒鐘顯示功能,頻率為6赫茲。遺憾的是,一款如此高效且靈活的機芯卻被邊緣化了。

優點: 高效,實際,無需潤滑。

缺點: 僅限超複雜功能機芯,被忽視。

 共軸擒縱系統

共轴擒纵系统
共軸擒縱系統

Georges Daniels發明,並被歐米茄 Omega 所收購,共軸擒縱系統是除了瑞士槓桿式擒縱系統之外,唯一量產的替代選擇。因為一個中間體和共軸擒縱輪的關係,擒縱叉瓦的穿透深度也遠比槓桿式擒縱系統的要淺得多。

摩擦的減小是因為與寶石的接觸成了切面。機芯的精確度可能並沒有提高,但是質保期卻從兩年延長到四年。歐米茄也非常滿意瑞士天文台的精密計時器證書。

基礎機芯的動能儲存55小時左右。

優點: 減少摩擦,使用壽命長,省錢,僅需少量上油。

缺點: 佩戴者有限的好處,動能儲存沒有增加。

 雙擒縱系統

双擒纵系统
雙擒縱系統

作為一個新興的小眾品牌,Laurent Ferrier利用這個自然擒縱系統的變體在眾多更專業品牌中占得一席之地。

他的系統在同一根槓桿上連着兩個動力齒輪,齒的形狀也是專門為與槓桿的接觸而設計的——精簡成一根簡單得沒有棘爪的拉杆。這個雙動力擒縱系統不同於F.P. Journe 或 Voutilainen的版本。

這是因為槓桿的材質是硅。

優點: 高振幅,高效,與眾不同,自我潤滑。

缺點: 太神秘,與其他雙輪擒縱系統相似。

 樞軸式天文鐘擒縱系統

枢轴式天文钟擒纵系统
樞軸式天文鐘擒縱系統

掣子可鎖住擒縱輪,它是處於槓桿尾部一個簡單的擒縱叉瓦。擺輪能將掣子提起很短的時間,釋放擒縱輪。

在彈簧上,掣子將會回落到擒縱輪上。動力直接給到擺輪上,但僅在每次擺動時,減少能量流動的穩定性,這卻相應地減少了摩擦。

優點 精準,高效,非常適用於腕錶。

缺點: 難以實現,僅停留在實驗階段。

 高頻雙軸擒縱系統

高频双轴擒纵系统
高頻雙軸擒縱系統

在很長一段時間裡,François-Paul Journe為寶璣式自然擒縱系統做了一個後抽屜式設計。

他的雙軸擒縱系統在兩根槓桿上有兩個動力齒輪,會在擺輪的每半個振動時輪流釋放。動力為直接動力,且鈦合金槓桿非常巨大。恆定動力發條盒,增加頻率。

這個高頻雙軸擒縱系統更有可能是為Chronomètre Optimum這種表款所定製的。

優點: 高效,免潤滑,自我啟動。

缺點: 太獨占,複雜。

 雅典表擒縱系統

雅典表擒纵系统
雅典表擒縱系統

雅典表在2000年為奇想系列腕錶裝配這個擒縱系統,直到現在它還是這個系列腕錶的獨占擒縱系統。品牌至此也將研發重心從擒縱系統和調節系統轉移到了專有機芯的研發。

正如自然擒縱系統一樣,它是一個雙齒輪擒縱系統,直接動力在擺輪上。它的槓桿非常短,更像是一塊小的金屬板。

這個系統看起來簡單但是很精細。齒輪的齒非常特別。這都是為了減少摩擦。適合高精度電鑄生產技術。

優點: 無需潤滑,名氣大,獨創,高機械效率。

缺點: 稀有,複雜,昂貴。

Europa Star 2014年八月,九月刊

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