机械钟表原理

机械钟表中，利用带簧(发条)恢复变形所放出的能量或利用重物下降的重力作能源，以机械振动系统为时间基准，实现计量时间和时段的机械机构。机械钟表机构有多种类型，但一般都由原动系、传动系、擒纵调速系、上条拨针系和指针系组成，工作原理基本相同（图1[机械钟表工作原

包括日历（或双历）机构，自动手表中还包括自动上条机构。

原动系储存和传递工作能量的机构。分为重锤原动系和弹簧原动系两类。重锤原动系利用重锤的重力作能源。多用于简易挂钟（图2 [简易挂钟传动示

和落地摆钟。重锤原动系结构简单，力矩稳定，但当上升重锤时，传动系与原动系脱开，钟表机构停止工作。弹簧原动系利用卷成螺线形的带簧（发条）恢复变形所放出的能量作能源。带簧一端与轴连接，另一端与一个不动的零件或发条盒的壳体连接。弹簧原动系用作携带式钟表的能源，也用于摆钟上。弹簧原动系有带固定条盒式、不带条盒式和带活动条盒式等3种类型。传动系将原动系的能量传给擒纵调速系的一组传动齿轮。通常由一系列轮片和齿轴组成（图3[ 机械手

在主传动中轮片是主动齿轮,齿轴是从动齿轮。传动比按照以下公式进行计算：i=Z/Z式中Z为主动齿轮齿数，Z为从动齿轮齿数。对于有秒针装置的钟表，其中心轮的轮片到秒轮的齿轴的传动比必须等于60。钟表传动系的齿形绝大多数是专门设计的（见钟表齿形）。传动系可按“二轮”（时轮和分轮）在表机芯的平面配置分为两类：①中心二轮式，二轮在表机芯的中央。它又包括直接传动式、秒簧式、短秒针和无秒针式、双三轮式。②偏二轮式，二轮不在表机芯中央。它又包括头轮传出式、二轮传出式、三轮传出式。直接传动式是经常采用的传动系之一（图3[ 机械手表传动示

在这种传动方式中，分轮上部有一凹槽，分轮依靠摩擦与中心轮管相配合；走针机构的运动由中心轮来带动。擒纵调速系由擒纵机构和振动系统构成。按振动系统的特点可分为两类：①有固有振动周期擒纵调速系。它具有可以独立进行振动的、有稳定周期的振动系统。手表、闹钟中的走时系统的擒纵调速系属于此类。②无固有振动周期擒纵调速系（图4 [无固有振动周期擒纵

调速

它没有能够独立进行振动的振动系统。这种调速系中的所谓振动系统的往复振动，完全依靠擒纵机构的往复运动。机械闹钟中的闹时系统的擒纵调速系属于此类。这种调速系精度要求不高，结构简单，工作可靠，抗外界干扰能力强，在机械式定时器和钟表引信中大量采用。

擒纵机构联系传动系和振动系统的一种机构。其作用是把原动系的能量传递给振动系统，以维持振动系统的等幅振动；并把振动系统的振动次数传给指针机构，达到计量时间之目的。擒纵机构种类很多，按其与振动系统联系的程度可分为两类。①非自由式擒纵机构：擒纵机构和振动系统经常保持运动上的联系。它包括直进式、后退式和工字轮式擒纵机构等。

②自由式擒纵机构：只有在释放和传冲阶段，擒纵机构和振动系统才保持运动上的联系，其余阶段振动系统处于自由运动状态。它包括有销钉式、叉瓦式和天文钟式擒纵机构等。

后退式擒纵机构（图5[后退式擒纵机构] ）:广泛用于低精度摆钟。它的叉瓦锁面和冲面是同一平面（工作面）；进瓦的工作面是一圆柱面，其圆心与擒纵叉的转动中心不重合；出瓦的工作面是一平面。叉瓦和擒纵叉作成一体。传冲后，叉瓦工作面将迫使擒纵轮后退一个角度。

叉瓦式擒纵机构（图6[叉瓦式擒纵机构] 应用最广的擒纵机构之一。工作时，擒纵轮由传动系取得能量，通过擒纵轮齿和叉瓦（进瓦或出瓦）的作用转变为冲量传送给擒纵叉；通过擒纵叉的叉口和双圆盘的冲击圆盘上的摆钉的相互作用，再将冲量传给振动系统。双圆盘的保险圆盘和叉头钉，摆钉和擒纵叉的叭口是保证机构正常工作的保险装置

销钉式擒纵机构（图7[销钉式擒纵机构]

与叉瓦式擒纵机构的不同之处是，在擒纵叉上用两根圆柱销钉代替叉瓦，冲量只沿擒纵轮齿冲面传递。这种擒纵机构结构简单，精度要求低，制造方便，多在闹钟和低精度表中采用，俗称粗马结构。振动系统作为时间基准的机构。振动系统的振动周期乘以被测过程内的振动次数，即为该过程经历的时间。机械钟表常用的振动系统有摆、扭转摆和摆轮游丝振动系统。

①摆：由摆锤、摆杆、挂摆装置和周期调节装置等组成。用于固定式钟中(图2 [简易挂钟传动示

)。当摆锤在外力作用下偏离铅垂线（平衡位置）任一角度而放开后,在重力作用下,摆锤将绕支点作往复运动。振动过程是摆的动能和位能交替转换的过程。

②扭转摆:主要由摆盘和悬丝组成（图8[扭转摆] ）。悬丝下端固定摆盘，上端固定在不动的

支点上。悬丝的截面可为矩形或圆形。扭转摆常与后退式擒纵机构或叉瓦式擒纵机构构成擒纵调速系。扭转摆有较长的振动周期（几秒～几十秒），多用于能量较节省而走时延续时间较长的固定式钟。

③摆轮游丝振动系统（图9[ 摆轮游丝振动系

）：游丝的内外端分别固定在摆轴和摆夹板上。摆轮受外力作用偏离其平衡位置开始摆动时，游丝就被扭转而产生位能，通常称为恢复力矩。该力矩促使摆轮向其平衡位置运动。

上条拨针系卷紧原动系中的发条和拨动时针、分针以校正钟表所指示时间的机构（图10[上条拨针动作

上条时，立轮和离合轮处于啮合状态。拨针时，离合轮和立轮脱开而与拨针轮啮合。参考书目天津大学精仪系计时教研室编:《机械计时仪器》,天津科学技术出版社，天津，1980。陈昌山编著：《手表结构原理》，上海科学技术出版社，上海，1980。