钟表维修师必知的手表机心摆轮详解

中国钟表培训基地2021-09-09 14:25:11

摆轮英文为Balance Wheel,是以来回摆动的运动词翻译。Balance摆轮在腕表内部,是一个机械零件的名称。由会来回摆动的有轴臂的轮组成,内有螺旋状游丝。摆轮、游丝等共同构成了机心的调速器。对表的走时有决定性影响。摆轮上连结的游丝带动它进行往返运动,将时间切割为完全相同的等分。所以说,机械表走的准不准,很大一个因素是摆轮的摆幅,也就是轮子摆动的幅度。


测摆幅是机械表状态检测基础项目。一般的摆轮摆幅在270到315度之间。我们经常说的手表振频,就是摆轮摆动次数,例如说振频是28800次/时,就是摆轮在一个小时内来回摆动28800次,折合14400个来回。(40年前的手表振频基本都是18000次/时的(俗称“慢摆”),30年前的手表基本都是21600次/时的(俗称“快摆”),现在的手表基本都是28800次/时的,真力时的手表很多都是36000次/小时。


现在摆轮的优点,必须要知道摆轮几百年的发展到底是在解决什么问题,或者说是那些因素会影响摆轮的正常运行?

答案是温度的变化!

温度变化对表有负面影响,因为温度会改变钢制游丝的弹性和有效活动长度。高温会使游丝膨胀,摆轮速率降低,而低温则会使摆轮加速。所以,在自动补偿游丝发明以前,瑞士的制表师们都采用双金属补偿摆轮。即依靠两种金属不同的膨胀系数来达到温度误差补偿的目的。200多年前,英国人John Arnold发明了截断式双金属补偿摆轮:在靠近轴臂附近有两个截断处,作为金属热胀冷缩的缓冲。这种摆轮的外层是铜,约占摆轮厚度2/3,内层是钢,占1/3。


两种金属拥有不同的膨胀系数,当温度上升时,铜外层膨胀系数大于钢内层,迫使在截断处摆轮环向内弯曲,缩小了摆轮半径,降低了惯性力矩,从而补偿了随温度升高而改变弹性和长度的游丝的变化。当温度降低时,铜外层收缩系数大于钢内层,迫使摆轮环向外弯,有效半径增大,力矩增大速率放慢,补偿了由于低温而加速了的游丝的变化,这就是冷热温度补偿(Cold and Heat Adjust)。

值得一提的是广泛用在天文台级机心的光摆,在铜铍镍合金被用在摆轮上以前,大多数是铜制的摆轮,但由于铜本身受温度影响,误差变化较大,而且比重不均一,所以天文台机心都采用了铜铍镍合金作为摆轮材料,它质地均匀,稳定,受温度影响变化较小,是一种理想的材料。


对于钟表最基本的要求就是走时精准,而作为决定走时精准摆幅的第一责任人摆轮,却有个致命的弱点——温度变化。

摆轮是金属制造的圆形,温度变化导致零件尺寸变化,温度升高直径变大,同时金属游丝变软,表就会明显走慢。摆轮受温度的影响是非常敏感的,经过测算,最早的钢制摆轮和游丝,温度升高60华氏度约合33摄氏度,就会每天走慢393秒,也就是6分半,这是计时工具无法接受的。

温度变化导致钟表误差,老百姓过日子也就凑合了,但对于早期航海定位有重大影响。

约翰-哈里森

1707年英国政府推出Longitudeprize经线奖金,奖金额为2万英镑,约合现在425万美元,2800万人民币。臝得大奖的哈里森(John Harrison)只是一个自学成才的木匠,而正因为这个伟大贡献,在BBC评选的公众投票选出的100位杰出英国人(100 Greatest Britons)中排名39位。这真是给制表师挣足了光!威斯敏斯特修道院(Westminster Abbey,意译为西敏寺)里都有他的纪念碑,上面骄傲的刻着制表师(Clockmaker)。哈里森生于1693年,活了83岁,他多才多艺,还是教堂唱诗班的指挥。

截断式双金属补偿摆轮

哈里森发明了截断式双金属补偿摆轮,所谓截断,就是在靠近轴臂附近有两个截断处(如上图),作为金属热胀冷缩的缓冲。这种摆轮的外层是铜,约占摆轮厚度2/3,内层是钢,占1/3。

两种金属拥有不同的膨胀系数,当温度上升时,铜外层膨胀系数大于钢内层,迫使在截断处摆轮环向内弯曲,缩小了摆轮半径,降低了惯性力矩,从而补偿了随温度升高而改变弹性和长度的游丝的变化。

当温度降低时,铜外层收缩系数大于钢内层,迫使摆轮环向外弯,有效半径增大,力矩增大速率放慢,补偿了由于低温而加速了的游丝的变化。简单说就是温度升高,游丝变软的时候,摆轮直径变小了,两者作了抵消补偿。这就是冷热温度补偿(Cold and Heat Adjust)。


这是一项伟大的发明,在材料的局限下,成功解决了温度补偿,是非常具有智慧的设计。现在的古董市场还可以见到哈里森当年制造的怀表,可以看到哈里森的双金属截断摆轮上并没有螺钉。

在截断式摆轮发明后,进一步的发明就是在摆轮的外边缘增加螺丝,加大了摆轮的质量,增加了旋转时的惯性,进一步提高了温度补偿的效果。这是另一位钟表巨匠约翰.阿诺德(John Arnold)的贡献。阿诺德是同宝玑齐名的钟表巨匠,沿用至今的跳框游丝也是他的发明。他将哈里森的设计原型投入了实用化,制造出基于双金属摆轮原理的经济实惠的钟表产品,并使精准的船钟普遍得到推广。

随着科技的发展,温度问题的彻底解决是在材料上改进。从此,摆轮不再有两个缺口。

双金属摆轮加上砝码摆,效果已经很不错了。在18世纪制造的船钟上使用这样的结构的摆轮,在很大的温度变化下,日差一般可以达到3-4秒。这样的设计的有一个精度的极限,也就是摆轮和温度补偿螺丝会设定在面对的最高温和最低温之间,中间范围也必然会受到温度影响也就是中间误差,精度的极限通过计算是日差1秒。这样的误差极限,是结构改进所不能克服的。日常生活,日差1秒没有问题,但船钟上日差一秒,2个月累积下来,导航定位的误差会达到27公里。


查尔斯·爱德华·纪尧姆

要更加精益求精,就只有通过材料上的改进了。摆轮材料革命的第一个高峰是1896年因此获得诺贝尔奖的瑞士籍法国物理学家查尔斯·爱德华·纪尧姆(Charles Edouard Guillaume)的Invar因瓦合金,也就是含有35.4%镍的铁合金,常温下具有很低的热膨胀系数(-20^ ~20t之间,其平均值约1.6x10-6/0,号称金属之王。自从有了因瓦钢,调校困难的双金属截断摆轮就走到了尽头。 摆轮不再开两个缺口了。

材料进步的第二个高峰是1930年发明的因瓦钢的后续进步 Nivarox合金,其中除镍外增加了其他元素,含铁54%,镜38%, 铬8%,钛1%,硅0.2%,猛0.8%,铍0.9%,含碳小于0.1%。使用Nivarox的摆轮和游丝受温度影响的日差精度极限是0.3秒。

第三个高峰,也是目前应用最广泛的材料,就是Glucydur铍铜合金。因瓦钢使得摆轮不再使用双金属截断的结构。Glucydur被铜合金使得摆轮上取消了螺钉,光摆(smooth Glucydur balance)大行其道。光摆大大降低了摆轮的制造和调校的难度,大幅度的降低了钟表的制造成本。这种合金不但膨胀系数低,而且不具有磁性,坚硬布氏硬度达到400,而旦特别耐腐蚀。目前Glucydur铍青铜材质的摆轮是高端钟表的标配。


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