[心得] 錶的心臟-擒縱系統

[hank7444 (zxcv)]

錶的心臟-擒縱系統

[簡介]

擒縱系統是機芯的心臟，擒縱輪帶動擒縱叉一擒一縱，
完成鎖接、傳衝、釋放的動作，將動力傳輸給擺輪，由擺輪完成時間的分配，
達到調速的作用。可以說機械表的準確與否與擒縱機構有最大的關聯。

由於歷史上有記載的擒縱系統達數千種，無法全部介紹，
這邊只挑具有代表性的幾種介紹給大家。

[種類]

1. verge escapment 機軸擒縱, 又稱 冠狀輪擒縱機構（crown-wheel escapement)

http://i.imgur.com/LU4zvKl.gifv
http://i.imgur.com/qv7qiiG.jpg

http://i.imgur.com/BGy7Dgj.png
http://i.imgur.com/G81HaxI.jpg

14世紀在歐洲出現的早期擒縱機構，用了將近400年之後，到了19世紀後期，
逐漸開始流行輕薄款懷錶，冠狀輪都做得很小，因此磨損效果被放大，導致上緊發條時，
鐘錶會運行得非常快，每天都會走快好幾小時，成為最不準確的擒縱系統，
才逐漸被其他更好的擒縱系統取代。

機構擒縱主要的組成部分是一個形似西方王冠的“冠狀輪”作為擒縱輪，
它的凸齒與“機軸”上的兩個“擒縱片”相咬合。
當時這種機構使用在大型的機械鐘裏面與芝麻鏈懷錶中
(跟芝麻鏈合併一起又稱verge fusee)

機軸擒縱的優點是就是不需要加油，也不需要很精細的製作工藝。
而缺點是，每一次齒輪與擒縱叉咬合時，擺桿形成反作用力，
推動冠狀輪向後一小段距離(回退)

冠狀輪上的輪齒數必須為奇數，通常兩片擒縱叉之間的夾角為90°-105°，
從而使鐘擺的擺角為80°-100°。

為了減少鐘擺的擺動，增加等時性，法國人將擒縱叉之間的角度加大到115°。
這樣鐘擺的擺角為50°左右，減少回退。

但機軸需要被安裝得離冠狀輪非常近，因此輪齒與擒縱叉相碰時離軸很近，減少了槓桿作用，增加了摩擦力，
造成擒縱機構的磨損以及走時的不精確。

運行影片: https://www.youtube.com/watch?v=LuuBUzGrn3w




2. Anchor escapment 錨式擒縱

http://i.imgur.com/l2kVUUz.gifv
http://i.imgur.com/8oUkZrx.jpg


由英國博物學家Robert Hooke於1660年左右發明的錨式擒縱機構迅速地取代機軸擒縱機構，成為19世紀擺鐘所使用的標準擒縱機構。
比起機軸擒縱機構，其鐘擺的擺角減少了3-6°，增加等時性，而且其更長、移動更慢的鐘擺消耗更少的能量。
錨式擒縱機構大多數用於狹長型的擺鐘裡，尤其是老爺鐘。

運行影片: https://www.youtube.com/watch?v=z_7rE8afFfo




3. Detent escapment 衝擊式天文台擒縱

http://i.imgur.com/59uK1Oo.jpg

衝擊式天文台擒縱，是一種自由式擒縱，最常用於航海天文鐘，在18世紀和19世紀的一些精密鐘錶內也使用這種擒縱機構。
衝擊式天文台擒縱由四個主要部分組成：擒縱輪，衝擊圓盤，解鎖圓盤和製動器。

最好的船鐘，請參考Hamiltion 21號船鐘: http://tieba.baidu.com/p/2935917104

不同的製動器將衝擊式天文台擒縱機構分為兩種：轉動回彈式（pivoted detent）和彈片回彈式（spring detent）。轉動回彈式是法國製表師Pierre Le Roy於1748年發明，他將製動器安裝在轉動軸上，制動器棘爪將擒縱輪鎖定並帶回原位，而這個機械臂後來被一根固定在金屬板上的彈簧，或者是一根安裝在轉軸上扁平的螺旋彈簧替代。

彈片回彈式的製動器和彈簧是呈一體的。彈簧的彈性使得通過將鎖定臂帶到一邊而解鎖擒縱輪，並且之後將鎖定臂帶回原位。
彈片回彈式擒縱機構是英國製表師John Arnold設計的。
英國製表師Thomas Earnshaw之後在Arnold設計的基礎上進行了修改。他將帶齒輪的擒縱輪變成平滑的擒縱輪，還改變了鎖定時壓力的方向。

這種擒縱被認為是最準確的擒縱之一，平放時誤差每月只有1~2秒，
但是這種擒縱並不適合用在懷錶或手錶上，因為它很脆弱，抗干擾(震動)能力差，有一點震動可能會造成擒縱停擺。
另外製作與安裝維修的技術含量很高，難以量產，也限制了這種擒縱的普及與發展。

懷錶時代也只有很少數的產品有使用，因此品相好的衝擊式擒縱非常有收藏價值。
而現代除了極少數錶廠(ex: Urban Jurgensen)使用外，幾乎已經絕跡。


Urban Jurgensen detent escapment 運行影片:
https://www.youtube.com/watch?v=ylHg9hZp-v0

detent escapment 運行影片:
https://www.youtube.com/watch?v=Z-bSZ1VTq8Q



4. Cylinder escapement 氣缸式擒縱(俗稱工字輪)

http://i.imgur.com/8bxNzPk.png

1695年，英國製表師Thomas Tompion發明工字輪擒縱。 1720年左右，Tompion的繼任者George Graham對此加以改進，其擒縱輪齒的形狀類似於中國的“工”字，因此得名。

工字輪擒縱的一大優點就是它可以被做得非常薄，但是太容易磨損，
所以在18世紀只用在少數擒縱輪與擺輪有使用紅寶石的高端懷錶上。

到了19世紀，法國透過淬火過的鋼增加了工字輪與圓柱輪的耐磨性，
因此被大量的使用在法國與瑞士的懷錶與小鐘上，通常在懷錶上配合著
lepine機芯使用。

備註: Jean-Antoine Lépine(1720-1814) 法國錶匠, lepine機芯採用分離式夾板設計，
相對于verge fusee全甲板的設計，讓擺輪可以跟其他輪系放在一起，對薄化懷錶機芯帶來革命性突破，
也是後來瑞士山谷式機芯的前身。

lepine機芯:
http://i.imgur.com/MmGLub3.jpg
http://i.imgur.com/x8utnAz.jpg
http://i.imgur.com/asqbwGD.jpg

瑞士山谷機芯:
http://i.imgur.com/HbEisz6.jpg


另外這種夹板成本比全夾版低很多，因此當時很多瑞士的低檔懷錶都使用，當時瑞士可是很窮的...。

工字輪擒縱主要由工字輪（擒縱輪）和圓柱輪（擺輪）組成。工字輪一般有15個輪齒。
當工字擒縱輪的輪齒撞擊圓柱的套管，它靠在套管表面上，直到擺輪游絲的作用使其朝圓柱的凸緣方向移動，輪齒的衝面開始給擺輪動力。

工字輪擒縱的缺點是不容易製造，有些脆弱，擒縱輪與擺輪一直接觸容易導致磨損，所以要定期保養。

cylinder escapment 運行動畫: http://www.clock-watch.de/index.html?html/tec/hem/zyl.htm
cylinder escapment 運行影片: https://www.youtube.com/watch?v=zfcbvRdqfuk




5. Duplex escapement 復式擒縱

http://i.imgur.com/jLU1HTp.png

1700年左右，英國博物學家Robert Hooke發明了複式擒縱機構。
隨後，Jean Baptiste Dutertre和Pierre Le Roy加以改良，直到1782年，Thomas Tyrer完成最後設計，併申請到專利。
在Tyrer的專利中描述的是一個“帶有兩個輪子的”擒縱機構。

之後的幾年內，其他人裝置製作的則是由一個單輪和兩套輪齒組成的擒縱機構，
也許這是為了規避專利的方式。然而，使用單輪也有可能是出於技術原因，因為單輪具有較小的慣性。複式擒縱很難製造，
但比紅寶石工字輪擒縱機構的性能更好。它被應用於1790年至1860年間高品質的英國懷錶中，以及1880-1898年廉價的美國懷錶中。

複式擒縱機構是非自由式擒縱機構，擺輪不會脫離擒縱輪，因為輪齒緊靠著滾軸。
因為擒縱叉和脈衝齒幾乎平行運轉，很少有滑動摩擦，所以很少需要潤滑。
但是複式擒縱機構對沖擊力很敏感，如果在擺輪順時針擺動時突然受到震動，那就不能再啟動。

duplex escapment 運行動畫 http://www.clock-watch.de/index.html?html/tec/hem/zyl.htm
duplex escapment 運行影片 https://www.youtube.com/watch?v=_vELGz9IdrM




6. Lever escapement 槓桿式擒縱，俗稱馬式擒縱

瑞士式，又稱內連式(Inline lever escapement)，瑞士與美國使用
http://i.imgur.com/ZMtg8St.jpg

英國式(English lever escapement)，英國使用
http://i.imgur.com/mCozsMH.jpg

槓桿式擒縱是分離式的擒縱，從而使手錶或時鐘的計時完全免於來自擒縱的干擾。
槓桿式擒縱是由英國製表師Thomas Mudge在1750年發明的，
後來經過了包括Breguet和Massey在內的製表師們開發，被應用到大多數機械手錶、懷錶和許多小型機械鐘(非擺鐘)裡，

它被普遍使用的原因，是因為有結構簡單可靠、容易加工與裝配、易於校準、對外界干擾的容忍度高，在受外界干擾導致擒縱系統停止時，
能夠自啟動等優點。

缺點是擒縱輪施加推力的方向與擒縱叉運動方向不一致，通常這兩個方向有近60度的夾角，因而只有50%的動力被傳遞給擺輪，能量浪費顯著；
此外擒縱輪齒與擒縱叉瓦之間作用過程滑動摩擦較大，必須依靠額外的潤滑，否則阻力將顯著增加
白話講就是浪費能量跟重度依靠潤滑。

因此現代機械錶90%以上都是使用瑞士式槓桿式擒縱，是目前使用最普遍的擒縱系統。


附註: 為何能夠自啟動?
因為它是"雙沖擊"的，也就是說擺輪來回擺動一個來回接受兩次能量傳遞。
與之相對應的衝擊擒縱或是複式擒縱的“單衝擊”。理論上講，"單衝擊"對振動系統的影響較小，獲得精度也較高。
但在受外界干擾強烈的手錶中，這種優勢簡直可以忽略不計，因為振動系統會受到比來自擒縱系統多得多的干擾。
反之"雙沖擊"對外界干擾的承受能力要好得多。在受到強烈振動或是轉動使擺輪停在平衡位置的時候，"雙沖擊"可以接受能量繼續運轉


英式運行動畫: https://www.youtube.com/watch?time_continue=9&v=deGneKi2Tm8
瑞士式運行動畫: https://www.youtube.com/watch?v=ejgyCZELQ64




7. Co-axial escapement 同軸擒縱

http://i.imgur.com/a59dwLz.jpg

槓桿式擒縱由於整個運動過程中所產生的摩擦方向都是垂直的，導致大量能量被消耗，只有少部分能量被傳遞給擺輪，
所以鐘錶師們希望能夠另闢蹊徑，製造出更為先進的擒縱機構。
20世紀英國製表大師George Daniels(1926-2011)，

http://i.imgur.com/ADMXdoQ.jpg

利用自己多年的製表經驗以及對古董表的研究，于1974年創造出同軸擒縱，
後來經過長時間的拜訪、參展與談判(30年)後，跟swatch集團合作，早期的omega cal.2500，就是用ETA改的同軸擒縱。

在經過數年砸下大筆的研發費用與實驗性的發展(例如omega常發生偷停的cal.2500)，
omega終於做出穩定的同軸系列機芯，如cal.8500與cal.9300。

http://i.imgur.com/qCkecEI.jpg

缺點是零件加工精度要求較高，部件之間配合度要求也很高，只有有一點點偏差就會造成問題，
白話一點就是保養難度比槓桿式難多了。

優點為傳動機械效率提高，有更高的上鏈效率，更長的續航時間，
確保持久穩定的精度，擒縱部件之間摩擦減少使得工作壽命長。

Co-axial escapement 運行影片: https://www.youtube.com/watch?v=NMWpT-MniFo

更詳細的同軸擒縱發展歷史請看這篇: http://www.watchlead.com/wbbs/thread-295494-1-2.html
槓桿式擒縱與同軸擒縱機構優劣性分析: http://www.watchlead.com/wbbs/forum.php?mod=viewthread&tid=263623





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