[心得]鐘錶的動力來源 - 發條(main spring)

[hank7444 (zxcv)]

鐘錶的動力來源 - 發條(main spring)

人要吃飯，錶要上鏈，機械錶的動力來源就在那捲的跟蚊香一樣的發條,
透過上鏈將扭力儲存起來再慢慢釋放，由此驅動整個錶的運行

[材料]

在20世紀以前，冶金技術還不發達，
大師們用來製作手錶的發條還是簡單的普通鋼製發條。
這種發條是用鋼條軋扁後淬火得來，因為表面為了防銹，
所以做了烤藍防銹處理，所以我們也叫它藍鋼發條。
但是這種碳鋼合金缺點非常多，
包括長期使用容易彈性疲乏,
彈性不夠上鏈太緊容易斷裂, 容易受到氣溫導致膨脹收縮等

過了1945年後，錶匠們開始改用了運用鐵，鎳和鉻與加入鈷，鉬，或鈹的合金,
這種合金幾乎不會彈性疲乏，而且有更高的彈性，有些還不受磁，因此之後就全面
取代了傳統的碳鋼合金作為發條的主要材料。



[能量釋放不均的挑戰]

早期的發條不像我們現在的鬆開呈S形的，
而是簡單的盤繞像蚊香一樣的形狀，
當上緊發條它就會向中心收緊，但是這種發條會造成一開始扭力太大，
而發條快要完全鬆開時，扭力又急劇衰退，
造成滿鍊跟發條彈簧快將完全放鬆兩種狀態之間會出現很大的扭力差距。
http://i.imgur.com/MSTUJc9.jpg
http://i.imgur.com/ARPCI7B.png

當發條動力不足時, 擺輪的擺幅會變小, 導致行程變短而擒縱做動變快, 導致錶走快.
相反的, 發條動力過大, 擺倫的擺幅會變大, 導致行程變長而擒縱做動變慢, 導致錶走慢

當然這只是針對發條出力這個條件所得的結論,
影響走時的因素還有很多, 例如游絲與擺輪的狀態, 溫度導致零件熱脹冷縮,
方位差, 震動, 快慢針, 有無受磁等等, 這邊就不一一闡述。

於是表匠們對於如何令動力輸出更平均，
盡量把滿鍊和無鍊之間的扭力差距收窄這個難題，
做出了一些努力, 以下是各種改善的方法:



1. 寶塔形調速裝置 學名為均力圓錐輪, 俗稱芝麻鏈

發明于15世紀, 當發條上滿弦時帶動的是寶塔的最上端，牽動最小的那圈塔輪，
當發條塊釋放完能量時帶動的是寶塔結構最下端的也是最大的那圈塔輪，
改變了傳動比和力矩，因此實現發條能量的穩定輸出。
講簡單點就同等於腳踏車的變速裝置，
一開始力量大的時候我就轉到1檔,
力量小的時候轉到3檔, 用這樣的方式保持出力平均
http://i.imgur.com/gtCKxyQ.png
http://i.imgur.com/PHjdnuX.jpg
http://i.imgur.com/Yxf8rVo.png

為何要叫芝麻鏈呢? 因為鏈子小的跟芝麻粒一樣，故名芝麻鏈，
在當時這些鏈子可都是手工製作的。
很多都外包給家庭代工，一家子大大小小在那邊串芝麻鏈。
要知道在當時可是沒有電的時代，
在光線不足又做如此精細的工作，
當時有很多童工都因此瞎了眼，真是超級血汗的:(
http://i.imgur.com/kqhH7q0.jpg

現代鐘錶高級品牌如 A.Lange 與 寶璣也有出有芝麻鏈的手錶，
但是主要是為了技術展現耍帥用，其實對走時影響已經不大了。
http://i.imgur.com/pqG9jhb.jpg
http://i.imgur.com/8vB482T.jpg



2. 馬爾他十字裝置, 學名為 Geneva stop 或 Geneva stop work

發明于17或18世紀, 如果前後端出力不均，那就截掉不使用好了，
馬爾他十字就是這樣的一種構造，
可防止過度上鏈, 並且將發條力量釋放限制在穩定輸出的範圍內(最優段),
但是缺點是原本發條可能有30小時的儲能,
用了馬爾他十字可能只剩24個小時，
但是在當時時間准不準確可能攸關性命的年代(航海),
寧可頻繁上發條也不要時間不精准,
算是一種折衷的辦法
http://i.imgur.com/3TNxAL4.jpg
http://i.imgur.com/ewqqyH9.png
http://i.imgur.com/TB1pXDN.png

D.Dornbluth有馬爾他十字運作過程的動畫，
供大家參考: http://www.dornblueth.com/swf/malteserstellung.html



3. 合金發條

半扭轉、反轉, 簡單說就是S型發條發明後，
力量的輸出得到了優化, 因次上面兩個裝置其實就沒有必要性了，目前現代的手錶
幾乎都是S行發條, 算是這個問題的普遍最佳解.

http://i.imgur.com/lMqmoK2.png




4. 擒縱系統恆動力裝置

簡單說就是在擒縱輪上在加一個力量卡放裝置，
等於另一個擒縱系統專門穩定輸出力量用,
所以等於一隻錶有兩個擒縱系統, 一個從發條取得能量,
透過游絲吸收能量收縮，再透過游絲的彈性將力量釋放給附加的擒縱叉控制，
讓能量平穩輸出給真正的走時擒縱。

這玩意成本高，一般都是高級品牌耍帥用, 基本上一隻300萬以上的錶才有可能見到

http://i.imgur.com/0Cy2Ciq.jpg




[其他發條上的裝置]

1. 上鏈保護器, 離合器打滑裝置(slippingclutch device)

在1950年代自動手錶發明後，最常發生造成手錶維修的問題就是發條斷裂，
因為早期沒有上鏈保護器，
導致自動上鏈器一直上鏈一直上鏈直到發條斷掉，
因為有了上鏈保護器的這項裝置。

http://i.imgur.com/OikzL7A.png

這個裝置跟汽車離合器很像，當上鏈的扭力超過上鏈保護器可承受的力量時，
上鏈保護器就會開始打滑將多餘的力量釋放掉，
在手上鏈時可以明顯感受到龍頭越來越緊，
突然龍頭就鬆掉了，並且發出喀喀喀的聲響，這就代表上鏈保護器發揮效用了。



[結論]

發條通常都藏在發條盒裡面，但是它同等於一隻機械錶的發電廠，它停工了錶也死了，
幾百年來無數的鐘錶大師為它絞盡腦汁，為了是讓錶走得更精準，
讓我們現在能夠有一天誤差不到3秒，天文台等級的機械錶可戴，
也許每當上鏈的時候，我們可以感受到那些看不見裝置的作動，
徐徐地傳到手指，遙想過去這些大師智慧的結晶。

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