全文總共12000字，110張動態(tài)演示圖,，多圖預(yù)警,。閱讀需要一定耐心，但是讀懂了這一篇,，基礎(chǔ)款的機(jī)械表,，你都可以動手試試。歡迎點(diǎn)贊收藏,！

機(jī)械表

在現(xiàn)代便攜式設(shè)備的世界里,，很難相信僅僅在幾十年前，最方便的計(jì)時(shí)方式是機(jī)械表,。與石英表和智能表不同,，機(jī)械表無需使用任何電池或其他電子元件即可運(yùn)行。

在本文中,，我將通過一些動畫模型來更加立體的演示,，你所不容易看到的機(jī)械機(jī)芯的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

您在此處看到的稱為機(jī)芯——機(jī)械表的內(nèi)部部件,，通常封裝在金屬外殼中,。在這篇文章中，我關(guān)注的是手表機(jī)芯本身,，因?yàn)槠恋谋須ぶ皇请[藏了復(fù)雜的機(jī)械裝置,，而這些機(jī)械裝置才是真正的明星。

整個(gè)手表機(jī)芯有很多零件,，在這篇文章中我將解釋每個(gè)零件的用途,。制表行業(yè)充滿了行話，因此許多組件可能都有不熟悉的名稱,，但您不用感到壓力——它們的名稱和零件將采用顏色編碼以便于參考,。

雖然整個(gè)手表機(jī)芯有很多部分，但構(gòu)成任何手表核心功能的計(jì)時(shí)系統(tǒng)僅由七個(gè)主要元素組成,，我們可以直線排列：

它可能看起來不多,，但這些部件有很多有趣的細(xì)節(jié)，以幫助秒針以正確的速度旋轉(zhuǎn)。我們將從整個(gè)裝置的動力來源開始梳理探索這些細(xì)節(jié),。

動力

純機(jī)械設(shè)備有幾種不同的方式來為自己供能,，但儲存能量的最簡單方法之一是使用彈簧。我們在日常生活中看到的大多數(shù)彈簧都是螺旋彈簧：

當(dāng)這樣的彈簧被壓縮時(shí),，它會儲存一些能量,，然后在失去壓縮張力時(shí)釋放這些能量。機(jī)械表通常使用不同種類的彈簧——螺旋扭力彈簧,。這種類型的彈簧在扭轉(zhuǎn)時(shí)會被壓縮,，松開時(shí)，扭力彈簧會向相反的方向展開,，最終回到最初的狀態(tài)：

在機(jī)械表中,，我們最終希望通過齒輪旋轉(zhuǎn)帶動指針指示時(shí)間，因此扭簧提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動特別有用,。機(jī)械表中使用的彈簧具有稍微復(fù)雜的形狀——您可以在下面看到它處于放松狀態(tài)的樣子,。拖動滑塊時(shí)，它會壓縮纏繞在一起積蓄能量,，一旦松開,，它就會恢復(fù)到原來的形狀：

正如你所看到的，這個(gè)發(fā)條彈性非常強(qiáng)勁,。為了容納彈簧,，我們將其放入稱為發(fā)條盒的外殼中：

進(jìn)入發(fā)條盒，彈簧仍想膨脹到原來的狀態(tài),，但發(fā)條盒的壁將其保持在原位,。這個(gè)彈簧是手表的能量儲存器，它的名字——主發(fā)條,，反映了它的重要性,。

但是，在這種狀態(tài)下,，主發(fā)條無法發(fā)揮任何作用——它已經(jīng)擴(kuò)展到可能的最大尺寸,。為了在其中儲存更多能量，我們需要使用連接在主發(fā)條內(nèi)側(cè)的心軸將其緊緊纏繞：

如果您仔細(xì)觀察,，主發(fā)條螺旋形的內(nèi)部有一個(gè)小孔——您可以在演示圖中看到它,。發(fā)條軸心有一個(gè)小鉤子可以抓住那個(gè)洞：

當(dāng)心軸轉(zhuǎn)動時(shí)，它會拉動主發(fā)條,，使其旋轉(zhuǎn)纏繞積蓄能量。在下面的演示中,，我們保持發(fā)條盒不動,，通過拖動滑塊來轉(zhuǎn)動發(fā)條軸心：

請看，一旦我們釋放滑塊松開心軸，主發(fā)條就會將心軸向右轉(zhuǎn)回到放松狀態(tài),。這并不理想——我們希望保持心軸固定,，改為發(fā)條盒轉(zhuǎn)動，以便它可以從主發(fā)條中獲得動能,，為手表的其他部分提供動力,。

為了在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)心軸被緊緊固定，主發(fā)條最終旋轉(zhuǎn)發(fā)條盒,，就像上面的演示一樣,。我們需要注意另外兩個(gè)使這種機(jī)制更可靠的小細(xì)節(jié)：

1、主發(fā)條的末端固定有一條金屬條,。這條金屬條回彈狀態(tài)是筆直的,，它為主發(fā)條向外提供了額外的張力，它推向發(fā)條盒的壁,，會產(chǎn)生很大的摩擦力,，使主發(fā)條保持在原位：

當(dāng)心軸在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)時(shí)，這會鎖定主發(fā)條的外端,。直到我們一直給發(fā)條上弦超過其最大容量,，他們就會克服摩擦，讓主發(fā)條在發(fā)條盒內(nèi)部滑動——這可以作為防止零件斷裂的安全機(jī)制,。

2,、如我們所見，主發(fā)條在其放松狀態(tài)下,，形成一個(gè)具有不同曲率的 S 形,。請注意，纏繞彈簧的內(nèi)部部分的半徑比外部部分小得多,，并且外部是反向S形纏繞,。如果回彈的彈簧只是一塊直的金屬，那么在纏繞之后,，內(nèi)部部分會比外部部分彎曲得多,。但對于 S 形彈簧，彈簧的外部部分也處于類似的張力下,，因?yàn)樗鼈兿胍氐较蛳喾捶较驈澢那€,，這有助于平衡發(fā)條在發(fā)條盒內(nèi)時(shí)不同部分的張力。

為了固定主發(fā)條并防止灰塵進(jìn)入,，我們用一個(gè)蓋子關(guān)閉發(fā)條盒：

我們已經(jīng)設(shè)法讓一些零件旋轉(zhuǎn),，人們可能會天真地認(rèn)為我們可以在發(fā)條盒上安裝一個(gè)表針來讓它計(jì)量時(shí)間。但是,，這不會真正起作用——你可以在下面的演示中看到這一點(diǎn),。當(dāng)這個(gè)“手表”在你用滑塊給主發(fā)條上弦并放開后表現(xiàn)如何：

我們顯然還有一些工作要做——指針旋轉(zhuǎn)得太快了,，在發(fā)條盒內(nèi)的主發(fā)條耗盡存儲的能量之前它只旋轉(zhuǎn)了幾圈。顯然,，這個(gè)裝置沒辦法以任何可靠的方式計(jì)量時(shí)間,。

如果我們想讓我們的手表在一次上滿鏈后連續(xù)運(yùn)行大約 40 小時(shí)，我們就需要分針在這段時(shí)間內(nèi)完成 40 次旋轉(zhuǎn),。此外,，秒針在這段時(shí)間內(nèi)應(yīng)該完成大約 40 × 60 = 2400 次完整的旋轉(zhuǎn)。我們需要找到一種方法,，將發(fā)條盒的少量轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為指針的大量轉(zhuǎn)數(shù),。這就是齒輪的用武之地。

輪系

齒輪可用于改變兩個(gè)不同軸之間的旋轉(zhuǎn)速度,。在下面的演示中,，您可以通過觀察我在每個(gè)齒輪上放置的小點(diǎn)來見證——黃色齒輪由較大的紅色齒輪驅(qū)動，它旋轉(zhuǎn)完成一圈所需的時(shí)間要少得多：

兩個(gè)匹配齒輪的一個(gè)重要參數(shù)是它們的齒數(shù),。一個(gè)齒輪上的齒與另一個(gè)齒輪上的齒互相咬合,，因此在單位時(shí)間內(nèi)兩個(gè)齒輪旋轉(zhuǎn)相同的齒數(shù)。如果兩個(gè)齒輪的齒數(shù)不同,，則這兩個(gè)齒輪完成一次旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)間往往不同,。在下面的演示中,，您可以更改驅(qū)動紅色齒輪和從動黃色齒輪之間的齒數(shù)比,，以查看它如何影響該黃色齒輪的旋轉(zhuǎn)速度：

這些齒輪旨在相互配合,，因此齒數(shù)比等于齒輪半徑比。當(dāng)主動齒輪比從動齒輪的齒數(shù)多時(shí),，從動齒輪比主動齒輪轉(zhuǎn)速更快,。我們可以通過這種機(jī)制來使手表的秒針在發(fā)條盒一次旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)多次。

我們計(jì)算一下必須在這里提高多少速度,，發(fā)條盒可以在一次上鏈后旋轉(zhuǎn)近 7 次,，但我們希望秒針在同一時(shí)間內(nèi)完成大約 2400 轉(zhuǎn)。這需要的齒數(shù)比或半徑比約為 343:1,。讓我們看看這在實(shí)踐中會是什么樣子,。在下面的演示中，您可以使用滑塊從更遠(yuǎn)的地方查看兩個(gè)齒輪：

正如你所看到的,，這個(gè)比例是荒謬的——要使紅色齒輪適合任何尺寸合理的手表,，黃色齒輪必須非常小，而且兩個(gè)齒輪都只能使用非常細(xì)小從而脆弱的小齒,。

取而代之的是,，機(jī)械表使用一系列齒輪，多個(gè)齒輪成對工作——每一對都會在一定程度上提高速度,。在下面的演示中,，您可以看到參與此進(jìn)程的四個(gè)輪子,。請注意,，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸上有兩個(gè)齒輪,。您可以使用滑塊控制此齒輪系的旋轉(zhuǎn)速度：

發(fā)條盒作為第一個(gè)輪子，它驅(qū)動第二個(gè)輪子,，第二個(gè)輪子驅(qū)動第三個(gè)輪子,，最后驅(qū)動第四個(gè)輪子。請注意,，每個(gè)大齒輪驅(qū)動一個(gè)稱為pinion的小齒輪,。小齒輪與下一個(gè)大齒輪安裝在同一軸上，因此我們能夠不斷提高每個(gè)軸上的速度,。這種方法具有顯著的優(yōu)勢——我們能夠使整體機(jī)構(gòu)更小,，更快使用一個(gè)以較慢速度旋轉(zhuǎn)的中間輪來驅(qū)動分針和時(shí)針。

在我們講完齒輪之前,，讓我快速提一下齒輪的形狀,。雖然許多較大的機(jī)器對其輪齒的輪廓使用漸開線形狀，但機(jī)械表通常使用——通過在另一個(gè)圓的表面上滾動一個(gè)圓而獲得的擺線輪廓,。

讓我們看看當(dāng)我們通過主發(fā)條的心軸上鏈并讓手表運(yùn)行時(shí),，我們組裝的輪系是如何工作的：

我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了秒針在發(fā)條盒一次上滿鏈后旋轉(zhuǎn)多次的目標(biāo)，但是指針的旋轉(zhuǎn)速度仍然完全不受控制,。我們需要找到一種方法來控制儲存在主發(fā)條中的能量的釋放速率——我們將通過擒縱機(jī)構(gòu)來做到這一點(diǎn),。

擒縱系統(tǒng)

讓我們先來看看構(gòu)成擒縱系統(tǒng)的兩個(gè)組件——擒縱輪和擒縱叉：

請注意擒縱輪齒的不尋常形狀——它與我們之前看到的齒輪非常不同。它的頂部有一個(gè)形狀規(guī)則的齒輪,，可以用來驅(qū)動這個(gè)輪子,。

擒縱叉本身是由金屬制成，但請注意其末端的兩個(gè)粉紅色透明部分,，他們是由合成紅寶石制成的,。這種化合物不僅非常堅(jiān)硬，可以防止磨損,，而且與鋼的摩擦系數(shù)也很低,。我們可以通過觀察這兩個(gè)組件如何相互作用來了解為什么這些屬性很重要：

擒縱輪想要旋轉(zhuǎn)，如紅色箭頭所示,。擒縱叉阻止了這種運(yùn)動,，但是當(dāng)我們來回轉(zhuǎn)動擒縱叉時(shí)，可以讓擒縱輪短暫地從那個(gè)牢籠中逃脫,，然后再次停止,。

我們可以從下圖中看到這種交互的細(xì)節(jié)，這個(gè)機(jī)制可以通過簡單地將擒縱叉從一側(cè)移動到另一側(cè)來控制擒縱輪的旋轉(zhuǎn),。在下面的演示中,，發(fā)條盒上滿鏈后,，通過齒輪系試圖旋轉(zhuǎn)擒縱輪，而使用兩個(gè)按鈕可以切換擒縱叉的位置：

由于齒輪減速,，發(fā)條盒的旋轉(zhuǎn)幾乎是看不見的,。但是，如果您觀察安裝在第四個(gè)輪子上的指針,，您會看到它在您前后擺動擒縱叉時(shí)輕輕旋轉(zhuǎn),。

現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)條能量慢慢釋放以驅(qū)動指針快速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)還剩下的最后一個(gè)組件,，它會自動在擒縱叉瓦上來回敲擊,。為了讓手表正確計(jì)量時(shí)間，敲擊動作必須以適當(dāng)?shù)墓?jié)奏發(fā)生,。這就是擺輪的用武之地——它構(gòu)成了手表跳動的心臟,。

擺輪系統(tǒng)

讓我們回看一下我們之前看到的第一個(gè)扭力彈簧，一旦你從原來的位置扭轉(zhuǎn)它,，它就會來回?cái)[動,，一段時(shí)間后才會穩(wěn)定下來：

我們可以通過調(diào)整兩個(gè)參數(shù)來控制這種周期性運(yùn)動的速率。第一個(gè)是彈簧的剛度,，主要取決于它的高度,、厚度和長度，以及制造它的材料類型,。第二個(gè)是質(zhì)量及其分布,，或者更準(zhǔn)確地說，是彈簧旋轉(zhuǎn)的物體的慣性矩,。當(dāng)更多的質(zhì)量遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸時(shí),，慣性矩會增加。在下面的演示中,，您可以調(diào)整彈簧的剛度和附加質(zhì)量的慣性矩,，以查看這些參數(shù)如何影響旋轉(zhuǎn)周期：

通過調(diào)整這些參數(shù)，我們可以使該系統(tǒng)以所需的速率振蕩,。這種使用帶有附加質(zhì)量的扭力彈簧的結(jié)構(gòu)正是機(jī)械表用作精確計(jì)量時(shí)間的理論基礎(chǔ),。擺輪系統(tǒng)由游絲和擺輪構(gòu)成，在手表中,，擺輪會以相當(dāng)高的頻率來回?cái)[動：

在擺輪的底部的圓盤上,，你會發(fā)現(xiàn)另一個(gè)粉紅色的透明寶石，叫做圓盤釘,。雖然很小,，但這部分非常重要——當(dāng)擺輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，這顆寶石撞擊擒縱叉的另一端,，進(jìn)而推動擒縱叉來回?cái)[動,。讓我們首先看一下擺輪如何與其他部件相互作用的,。在下面的演示中，滑塊可以減慢或加快速度：

讓我們仔細(xì)看看這種互動,，它值得更仔細(xì)地研究,。下面的演示中，將一步步展示擺輪和擒縱叉互動的每一個(gè)動作,。

隨著擺輪擺動,，圓盤釘撞擊擒縱叉,，從而解鎖擒縱輪,。一旦解鎖，由主發(fā)條驅(qū)動的擒縱輪推動擒縱叉,，擒縱叉通過圓盤釘推動擺輪本身,。這會導(dǎo)致擺輪獲得一些能量，從而防止它在一段時(shí)間后停止——這相當(dāng)于推動一個(gè)正在秋千上擺動的人,。當(dāng)擺輪回來時(shí),，它執(zhí)行相同的動作，只是在另一個(gè)方向,。

您可能還注意到擒縱叉末端黃色的突出horn和擺輪上綠色帶缺口的圓盤之間的微妙舞蹈,。這些部件確保擒縱叉只能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻更換位置 -——這是一種安全機(jī)制，可防止手表在搖晃或掉落時(shí)鎖定,，也就是我們俗稱的跳擺,。

一旦擒縱叉解鎖擒縱輪，該輪會開始非?？焖俚匦D(zhuǎn),。這也是為什么齒輪的輪片上會鏤空一部分的原因——這減少了齒輪的慣性矩，以便發(fā)條盒可以更快地加速它們,。

值得一提的是,，輪系不僅提高了齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，而且還減少了作用在擺輪上的力,。發(fā)條盒本身轉(zhuǎn)動得相當(dāng)有力,，但在擒縱輪處的扭矩大大降低，從而防止擒縱輪通過擒縱叉,，給擺輪施加過度的力,。

讓我們最后一次看一下到目前為止我們所構(gòu)建的全部內(nèi)容。我現(xiàn)在以正常速度運(yùn)行該機(jī)制：

在這款腕表機(jī)芯中,，擺輪每秒進(jìn)行四次完整的來回?cái)[動,，在每個(gè)周期內(nèi)敲擊擒縱叉兩次，總共每秒 8次或每小時(shí) 28,800 次,。雖然不同的手表可能有不同的速率,，但它們都會每秒多次轉(zhuǎn)動秒針,，這給機(jī)械手表帶來了秒針運(yùn)動非常流暢的錯(cuò)覺。

原則上,，我們這里擁有的部件足以讓手表運(yùn)行,，但我們?nèi)匀蝗鄙僖恍┘?xì)節(jié)。更重要的是,，我們剛剛將零件懸掛在空中,，所以是時(shí)候開始正確組裝完整的手表機(jī)芯了。

主夾板

我們將從構(gòu)成機(jī)芯主體的主夾板開始：

請看,，它上面有很多不同的安裝孔位——我們將隨著本文一點(diǎn)點(diǎn)填裝它們,。粉紅色的元素又是紅寶石。它們充當(dāng)軸承,，各種部件的軸可以在其中旋轉(zhuǎn),。讓我們近距離看一個(gè)簡單的紅寶石：

請看，紅寶石的一面上凹進(jìn)去一個(gè)小盆,。這是為了減少旋轉(zhuǎn)部件的能量損失,，方便在該空腔中放置少量特殊潤滑油。這種潤滑油會附著在寶石和在其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的軸上,，以進(jìn)一步減少摩擦,，從而使手表在上鏈后運(yùn)行更長時(shí)間，同時(shí)還減少了精密機(jī)械部件的磨損,。

我們將安裝上主板的前兩個(gè)組件是擒縱輪和擒縱叉：

然后在擒縱叉頂部裝擒縱叉夾板,。該夾板固定擒縱叉軸的另一端，并用兩個(gè)螺釘固定在主板上：

請注意,，在這款手表中,，擒縱叉的左右移動受到擒縱叉夾板中央兩個(gè)點(diǎn)的限制：

這確保了擒縱輪只能推動擒縱叉在這兩點(diǎn)間左右擺動。接下來,，我們可以把輪系的其余部分放進(jìn)去,。所有四個(gè)輪子都巧妙地排列，只占很小的空間：

請注意,，第四個(gè)輪子直接穿過手表的中心——它的長軸從主夾板另一邊戳出,。在組裝結(jié)束時(shí)，我們將在長軸的末端連接秒針,。

為了將所有元件固定到位,，我們用輪系夾板將它們蓋住，它為所有旋轉(zhuǎn)部件的軸的另一端提供支撐,。輪系夾板用螺絲固定在主板上,，以將所有東西固定到位：

我們尚未安裝的初始結(jié)構(gòu)唯一剩下的部分是擺輪，它由一些小組件構(gòu)成。我們將所有部件連接到擺輪夾板來構(gòu)建它：

請注意,，擺輪游絲非常精密,，這是手表保持精準(zhǔn)的核心部件。黃色組件（游絲外樁）和青色組件（游絲內(nèi)樁）都可以調(diào)節(jié)擺輪的參數(shù),。讓我們看看它們是如何工作的：

黃色的部件（游絲外樁）牢固的將游絲外端固定在擺輪夾板上,，通過轉(zhuǎn)動它們，我們可以調(diào)整擺輪及其圓盤釘?shù)撵o止位置,。這可以用來確保擺輪擺動的“滴”和“答”階段花費(fèi)相同的時(shí)間,。

青色組件（游絲內(nèi)樁）可以在游絲上自由滑動，但它們會減少或增加其有效長度,，因?yàn)樗鼈儠柚褂谓z的尾部自由擺動,。通過調(diào)整青色組件的位置，我們可以修改單個(gè)節(jié)拍的持續(xù)時(shí)間并使手表運(yùn)行得稍微快一點(diǎn)或慢一點(diǎn),。該速度調(diào)節(jié)也可以使用頂部的螺絲進(jìn)行微調(diào)——它是一個(gè)偏心螺絲,，所以轉(zhuǎn)動時(shí)它會輕微左右移動青色叉子。

游絲由Nivarox等特殊合金制成,，特殊的合金材料可以保持游絲的彈性不受溫度差異的影響，從而提高整體計(jì)時(shí)精度,。

擺輪組件的最后一部分是防震裝置,，它由外殼、兩顆寶石和一個(gè)將所有部件固定到位的小彈簧組成：

當(dāng)手表突然抖動時(shí),，這種機(jī)制可以保護(hù)擺輪軸的脆弱尖端不被折斷,。讓我們看看當(dāng)擺輪軸晃動時(shí)這些部件如何協(xié)同工作：

當(dāng)手表震動時(shí)，軸的震動會被彈簧吸收,，類似于汽車中的懸架系統(tǒng),。如果震動非常強(qiáng)，那么擺輪軸更粗更堅(jiān)固的部分會接觸夾板承擔(dān)負(fù)載,，從而保護(hù)脆弱的尖端不被折斷?，F(xiàn)在，我們將整個(gè)擺輪組件安裝到迄今為止我們構(gòu)建的機(jī)芯的其余部分,。

請注意,，擺輪軸的另一端也位于嵌入主板的防震寶石上：

完成這一步，我們實(shí)際上已經(jīng)完成組建了之前看到的漂浮在空中的手表的核心結(jié)構(gòu),。但是,，您可能還記得有關(guān)如何確保主發(fā)條保持上弦狀態(tài)的小細(xì)節(jié)。讓我們看看如果我們真的嘗試使用發(fā)條軸心給手表上弦會發(fā)生什么,。為了清楚起見,，我在發(fā)條盒的頂部切了一個(gè)洞，這樣你就可以看到里面的彈簧：

只要固定心軸，主發(fā)條就可以為手表的其余部分提供動力——您可以看到手表另一側(cè)第四輪的秒針的旋轉(zhuǎn),。然而,，當(dāng)我們松開心軸時(shí)，主發(fā)條找到了一種簡單的方法,，只需將心軸轉(zhuǎn)回即可釋放其張力——彈簧很快失去所有儲存的能量,，手表停止。

為防止主發(fā)條自行松開,，我們需要限制心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),，同時(shí)仍允許其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以便為發(fā)條上弦,。這個(gè)看似復(fù)雜的問題可以通過一種稱為止逆棘爪（click）的非常簡單的裝置來解決——讓我們看看它是如何工作的,。

止逆棘爪（click）

為了繼續(xù)開發(fā)我們的組件，我們首先需要安裝一個(gè)發(fā)條夾板——來固定發(fā)條盒并為其他部件提供支撐,。在發(fā)條夾板下面,，我們還將附加安裝一個(gè)小杠桿，稍后我們將講解它的用途：

然后,，我們將大鋼輪擰到發(fā)條軸心上,。請注意，大鋼輪中心有一個(gè)方形開口,，與軸心頂部的方形相匹配,，可以套在軸心頂部：

當(dāng)大鋼輪轉(zhuǎn)動時(shí)，與之匹配的方形將驅(qū)動軸心轉(zhuǎn)動,。我暫時(shí)卸下螺絲以使這一過程看得清楚：

以下是這個(gè)難題的三個(gè)關(guān)鍵部分,。首先，我們把止逆棘爪安裝在條夾板頂端的開口處：

在有限的范圍內(nèi),，止逆棘爪能夠以其小軸為圓心來回旋轉(zhuǎn)：

第二塊拼圖是棘爪彈簧,。這小塊金屬很有彈性。當(dāng)我們擠壓它時(shí),，它想彈回來：

我們稍微壓縮一下這個(gè)棘爪彈簧,，然后把它放進(jìn)條夾板里：

請注意，當(dāng)我們嘗試旋轉(zhuǎn)click時(shí),，一旦松開,，棘爪彈簧就會將其推回原位：

最后一塊拼圖是小鋼輪，它使用左旋螺紋螺釘固定在條夾板上—— 與大多數(shù)常規(guī)螺釘不同,，這個(gè)螺釘在逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)固定：

請注意小鋼輪的齒如何與大鋼輪相互作用,。同時(shí),，小鋼輪兩個(gè)齒中的間隙剛好可以讓止逆棘爪上的小柱落在兩齒之間,。如果我們逆時(shí)針轉(zhuǎn)動小鋼輪,，它將與大鋼輪嚙合并為發(fā)條上弦。注意看小鋼輪的齒每次如何將止逆棘爪推開,，但只要有一些空間,，它就會彈回：

當(dāng)止逆棘爪的小柱彈回并擊中小鋼輪時(shí),，就會發(fā)出咔噠聲,，這就是它的名字click的由來。

小鋼輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動讓我們能夠給主發(fā)條上弦,，而當(dāng)我們嘗試將其向相反方向轉(zhuǎn)動時(shí)會發(fā)生什么,。在下面的模擬中，請注意小鋼輪的齒是如何被止逆棘爪卡住,，從而阻止了小鋼輪旋轉(zhuǎn)的：

這個(gè)簡單裝置允許我們通過轉(zhuǎn)動小鋼輪來為主發(fā)條上弦,，您可以在下面的演示中看到這一點(diǎn)。止逆棘爪還可以防止主發(fā)條自行松開：

手表除了計(jì)量時(shí)間,，手表的功能性也應(yīng)包括顯示分鐘和小時(shí),。讓我們看看這款手表機(jī)芯是如何通過一組齒輪組成所謂的運(yùn)動作品來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的。

時(shí)間顯示

在我們的機(jī)芯中,，秒針被巧妙地安裝在動力傳動系統(tǒng)的第四輪上,，因?yàn)樵撦喚珳?zhǔn)的每分鐘旋轉(zhuǎn)一次。為了使分針以正確的速度轉(zhuǎn)動,，我們需要另一個(gè)比這慢 60 倍的齒輪,。值得慶幸的是，這款手表機(jī)芯的設(shè)計(jì)師使用了一種巧妙的方法來利用其他齒輪的一些減速效果,。

仔細(xì)看,，可以看到手表輪系的第三個(gè)輪子一端的小齒輪，通過一個(gè)開口從主甲板另一側(cè)露了出來,。

我們可以將帶有驅(qū)動輪（藍(lán)色部分）的分輪安裝到手表的中心，并讓驅(qū)動輪與小齒輪嚙合：

當(dāng)?shù)谌齻€(gè)輪子轉(zhuǎn)動時(shí),，它轉(zhuǎn)動驅(qū)動輪,，從而帶動分輪。通過將分針安裝在分輪上——所有相關(guān)齒輪的齒數(shù)都經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算,，以實(shí)現(xiàn)與秒針相比所需的 60 倍減速,。讓我們看看下面演示中的秒針和分針：

時(shí)針需要比分針慢 12 倍，但我們可以使用兩個(gè)額外的齒輪輕松實(shí)現(xiàn),?？巛啠t色）與分輪嚙合，時(shí)輪（黃色）與跨輪的小齒輪嚙合：

通過將時(shí)針安裝在時(shí)輪上,，我們就可以完成驅(qū)動手表指針的機(jī)構(gòu)的組裝,。我還附上了一個(gè)標(biāo)有十二小時(shí)的表盤——它讓我們可以讀取指針顯示的時(shí)間：

計(jì)時(shí)是每塊手表的基本功能，但手表還可以添加一些簡單卻實(shí)用的功能,，比如日期,。雖然我們的機(jī)芯不是很復(fù)雜，但它仍然可以在表盤右側(cè)的小窗口中顯示當(dāng)前日期。讓我們看看這個(gè)功能是如何實(shí)現(xiàn)的,。

日期功能

這款手表的日期裝置由四個(gè)主要部分組成——日歷卡簧,、日歷輪、帶有齒輪的日歷夾板和日歷盤——上面印有所有可能的 31 天：

為了解釋這個(gè)機(jī)制是如何工作的,，我將首先隱藏所有不相關(guān)的部分,。我還將從日歷輪上取下蓋子，它露出隱藏在其中的小扭力彈簧,。讓我們看看當(dāng)時(shí)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)這些部件如何協(xié)同工作：

當(dāng)時(shí)輪轉(zhuǎn)動時(shí),，它會轉(zhuǎn)動日歷夾板上的齒輪，然后該齒輪的另一側(cè)帶動日歷輪和它的扭力彈簧,。扭力彈簧勾在日歷盤的齒上并彎曲積蓄力量,，但在某個(gè)時(shí)候它開始向前推動日歷盤移動。當(dāng)日歷盤旋轉(zhuǎn)足夠多時(shí),，日歷卡簧將迅速卡到日歷盤下一個(gè)齒的位置,，以實(shí)現(xiàn)日期的變換。

您可能想知道為什么我們首先需要這種復(fù)雜的機(jī)制,。人們可以天真地假設(shè)我們可以直接將日期環(huán)的旋轉(zhuǎn)與時(shí)輪的旋轉(zhuǎn)聯(lián)系起來,，類似于我們?nèi)绾螌r(shí)輪與分鐘同步旋轉(zhuǎn)，盡管速度較慢,。但是,，這會導(dǎo)致當(dāng)前日期在表盤的小窗口下不斷旋轉(zhuǎn)，難以閱讀,。您可以在下面的演示中看到左側(cè)的行為：

在右側(cè),，您可以看到由我們剛剛構(gòu)建的機(jī)制操作的日期顯示——日期僅在午夜左右發(fā)生變化。您可能已經(jīng)意識到,，我們機(jī)芯中的日期跟蹤并不是特別聰明,。這只手表每個(gè)月總是計(jì)算 31 天，所以我們必須在較短的月份發(fā)生后的第二天更改日期,。此外,，如果手表有一段時(shí)間沒有運(yùn)行，時(shí)間本身可能設(shè)置錯(cuò)誤,。我們需要找到一種方法來快速調(diào)整手表上的日期和時(shí)間,。

值得慶幸的是，驅(qū)動分針,、時(shí)針和日期的齒輪都是相連的,，所以我們可以通過轉(zhuǎn)動一個(gè)齒輪來調(diào)整這一切。我將簡要隱藏時(shí)輪以使事物可見：

請注意,，當(dāng)我們轉(zhuǎn)動撥針過輪（紅色）時(shí),，只有分輪上半部分（綠色）轉(zhuǎn)動,。通常分輪的上半部分（綠色）和分輪的驅(qū)動齒輪（藍(lán)色）緊緊地咬合在一起——它們通常一起轉(zhuǎn)動。然而,，當(dāng)驅(qū)動齒輪因?yàn)楸惠喯档钠溆嗖糠郑ㄈ啠┳钃醵鵁o法旋轉(zhuǎn)時(shí),，分輪上半部分（綠色）可以克服互相間的摩擦力并自行旋轉(zhuǎn)。這讓我們可以在不干擾輪系的情況下設(shè)定時(shí)間,。

時(shí)輪就位后,，撥針過輪的旋轉(zhuǎn)也會設(shè)置小時(shí)，如果我們轉(zhuǎn)動齒輪足夠長的時(shí)間,，日期也可以隨之變更：

我們的手表每走一步都變得更加完整,，但我們的操作方式仍然存在一些不便。要改變時(shí)間和給主發(fā)條上弦,，我們必須轉(zhuǎn)動機(jī)芯的內(nèi)部齒輪,，這些齒輪通常隱藏在表殼內(nèi)。

此外,，對于持續(xù)時(shí)間少于 31 天的每個(gè)月,，我們目前都只能通過調(diào)整時(shí)間變更日期，因?yàn)檫@是目前調(diào)整日期的唯一方法,。理想情況下,，我們會找到一種方法將日期與時(shí)間分開設(shè)置。

為了解決這些問題,，我們將引入上條撥針裝置,，這是一種可以讓我們解決所有這些問題的機(jī)制。

上條撥針系統(tǒng)

首先,，讓我們看一下表冠,，它是操作手表的主要部件，以及連接在表冠上的把桿 ：

表冠位于手表的外部,，由用戶直接觸摸,。請注意，把桿的前端一個(gè)有方形橫截面的部分,。把桿帶有兩個(gè)附加組件——立輪和離合輪：

立輪有中心是圓形開口，因此它可以輕松地在把桿上旋轉(zhuǎn),。然而,，離合輪中心是方形開口，該方形開口剛好套在把桿前段的方形部分,。當(dāng)表冠轉(zhuǎn)動時(shí),，這種方形聯(lián)鎖使離合輪與把桿一起旋轉(zhuǎn)：

讓我們將這些部件放入主夾板中。我暫時(shí)移除了日期盤,，以免妨礙我們：

請注意,，立輪與手表另一面的小鋼輪嚙合,。

要真正轉(zhuǎn)動立輪，我們首先必須推動離合輪與它嚙合——我用下面的藍(lán)色箭頭表示這種推力,。如果我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)動表冠,，立輪和離合輪上相鄰表面的匹配形狀會使它們互鎖。我們最終能夠通過順時(shí)針轉(zhuǎn)動表冠來轉(zhuǎn)動小鋼輪和主發(fā)條上弦裝置的其余部分：

但是,，如果我們將表冠朝另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),，兩個(gè)齒輪相鄰表面的形狀會將立輪推開，因?yàn)樾′撦喓土⑤啿荒艹喾捶较蛐D(zhuǎn),。這種安全機(jī)制確保表冠在“錯(cuò)誤”方向上的任何強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)都不會破壞機(jī)芯,。

此時(shí)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過簡單地轉(zhuǎn)動表冠上弦的目標(biāo),。但是,，我們還有一個(gè)小問題要解決——我們需要一些裝置來施加將離合輪推向立輪的力。此外,，在某些情況下,，我們希望表冠的旋轉(zhuǎn)用于不同的目的。除了給主發(fā)條上弦外,，我們還希望能夠快速調(diào)整日期,，以及單獨(dú)調(diào)整時(shí)間。

我們將通過推進(jìn)和拉出表冠來選擇和實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能,，首先,，我們將拉檔（綠色） 和活動機(jī)（黃色）放置到位：

當(dāng)我們將表冠推進(jìn)拉出時(shí)，這兩個(gè)部件將在它們的小樞軸上旋轉(zhuǎn),，它們之間的相互作用相當(dāng)復(fù)雜：

讓我們隱藏其他部件,，單獨(dú)觀察——當(dāng)我們推進(jìn)和拉出表冠時(shí)，拉檔和活動機(jī)發(fā)生的錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)動：

把桿上的一個(gè)凹槽與拉檔（綠色）上的一個(gè)小柱子鎖定,，使其隨著表冠的拉動而旋轉(zhuǎn),，同時(shí)防止表冠被拔出。拉檔上的另一個(gè)柱子推動并與校正活動機(jī)的位置,，使其也跟著旋轉(zhuǎn),。

到目前為止，該機(jī)制并沒有做出任何有趣的事情,，所以讓我們將撥針輪（橙色）放在活動機(jī)的頂部：

此時(shí),，撥針輪可以繞著它的軸心自由旋轉(zhuǎn)。但如果我們將表冠推進(jìn)拉出,，我們可以看到撥針輪與跨輪相嚙合：

通過轉(zhuǎn)動撥針輪,，我們就可以設(shè)置手表上的時(shí)間，但要轉(zhuǎn)動該輪,，我們需要滑動離合輪與其嚙合,，以便表冠和連接的離合輪旋轉(zhuǎn)撥針輪：

這帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)——我們需要精準(zhǔn)控制離合輪的位置,，以調(diào)整不同模式接合立輪來為主發(fā)條上弦，或使用撥針輪來設(shè)置時(shí)間,。這就是離合桿的作用：

在下面的特寫中,，您可以觀察到離合桿安裝在離合輪上的凹槽中，因此當(dāng)離合桿移動時(shí),，它將推動滑動離合輪滑動到不同位置,。而當(dāng)我們拉動表冠時(shí)，離合桿本身會被拉檔（綠色）推動：

整個(gè)上條拔針裝置設(shè)計(jì)完成,，我們還需要完善一些小細(xì)節(jié),。首先，我們希望將所有部件保持在原位——確保它們都保持在精心放置的初始位置上,。其次,，當(dāng)我們拉動表冠時(shí)，它的運(yùn)動并沒有明顯的起止點(diǎn)——轉(zhuǎn)動表冠時(shí),，我們可能會不小心改變當(dāng)前模式,。最后，當(dāng)我們將表冠完全推入以切換回上鏈模式時(shí),，我們希望離合桿能夠準(zhǔn)確的返回其初始位置,。這就是拉檔夾板（紫色）的用武之地——它可以滿足以下三個(gè)目的：

拉檔夾板（紫色）是用螺絲固定在主夾板上的，這樣有助于壓住其他部件,，防止組件位移,。讓我們看看拉檔夾板如何幫助我們解決其他兩個(gè)問題。注意我用灰色箭頭指出的三個(gè)小凹槽：

當(dāng)我們推入和拉出表冠時(shí),，拉檔上的小柱最終會卡入這三個(gè)位置之一,。為了在凹槽之間跳躍，那個(gè)小柱子會彎曲拉檔夾板的長臂,，這會產(chǎn)生將那個(gè)小柱子推入最近的凹槽的張力,。我們最終得到了三個(gè)不同的檔位，所有部件都會參與其中——一旦鎖定,，我們就可以可靠地轉(zhuǎn)動表冠,，而不會有意外改變當(dāng)前模式的風(fēng)險(xiǎn)。

最后,，在拉檔夾板的另一端,，我們還有一個(gè)薄的彈性鋼片（箭頭部位），它保持離合桿恢復(fù)初始位置的張力——我用灰色箭頭指出它的位置：

當(dāng)離合桿旋轉(zhuǎn)時(shí),，那塊有彈性的金屬片想要將離合桿拉回來。當(dāng)表冠處于日期或時(shí)間設(shè)置模式時(shí),，拉檔會阻止離合桿返回,，但一旦我們返回上鏈模式,，拉檔夾板上的彈性金屬片會將離合桿旋轉(zhuǎn)回來，導(dǎo)致離合輪也向后移動,。

此外,，如果您還記得，我們在開始研究上鏈機(jī)構(gòu)之前,，在主板上放置了一個(gè)小杠桿,，這個(gè)小杠桿叫止秒簧。止秒簧的短端安裝在離合輪的凹槽中,。當(dāng)我們拉動表冠并移動離合輪時(shí),，該杠桿就會旋轉(zhuǎn)：

當(dāng)轉(zhuǎn)動到最終位置時(shí)，止秒簧的長端會與擺輪摩擦,，阻止其移動——這會使手表停止運(yùn)轉(zhuǎn),。所以，當(dāng)我們將表冠完全拉出進(jìn)入時(shí)間設(shè)置模式時(shí),，止秒簧會擋住擺輪,，從而使手表停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這種動作被稱為hacking,。這讓我們可以停止秒針設(shè)置時(shí)間,，從而進(jìn)行更精確的時(shí)間調(diào)整。

讓我們在所有部件都到位的情況下再看一下整個(gè)機(jī)制的運(yùn)行,。當(dāng)表冠完全推入時(shí),，它的旋轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)離合輪，從而轉(zhuǎn)動立輪,，然后是小鋼輪,，最后是大鋼輪來為主發(fā)條上鏈：

當(dāng)表冠被完全拉出時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動離合輪,，撥針輪,，然后是跨輪，時(shí)輪和隱藏的分輪,，讓我們可以設(shè)置時(shí)間：

最后,，當(dāng)表冠被推到一半時(shí)，我們進(jìn)入日期設(shè)置模式,，但要快速設(shè)置日期,，我們需要增加一個(gè)安裝在主夾板上小凹槽中的日期校正器（黑色）：

請看，日期校正器可以在該凹槽中自由滑動,，當(dāng)我們將表冠拉到第二檔位并轉(zhuǎn)動它,，我們最終會通過旋轉(zhuǎn)撥針輪（橙色）旋轉(zhuǎn)日期校正器，然后它可以與日期盤內(nèi)側(cè)的齒嚙合,。日期卡簧確保我們將日期盤鎖定在有效位置：

就個(gè)人而言,，我認(rèn)為這個(gè)被稱為上鏈撥針系的整個(gè)機(jī)制是一個(gè)真正的機(jī)械奇跡,。錯(cuò)綜復(fù)雜的互動平衡，每個(gè)部分都扮演著許多不同的角色,。較舊的懷表由單獨(dú)的鑰匙上弦,，表冠僅用于設(shè)置時(shí)間，但現(xiàn)代手表沒有上弦鑰匙,，只需幾個(gè)精心塑造的部件和一個(gè)表冠,，我們就可以控制手表的各種設(shè)置。在我們繼續(xù)之前,，讓我們用日歷夾板固定剩下的部分：

我們幾乎完成了手表機(jī)芯的構(gòu)建,，只剩下最后一個(gè)組件，將使手表在我們手臂擺動時(shí)自動上弦,。

自動上鏈

當(dāng)佩戴手表的人移動手臂時(shí),，這只手表也在不斷變化著方位。即使是悠閑地散步,，手表也會相對于地面輕微擺動,。通常情況下，用于移動手表的所有能量都會浪費(fèi)掉,，但自動上鏈結(jié)構(gòu)能夠捕獲其中的一部分來為主發(fā)條上弦,。

自動上鏈機(jī)制的主要部分是可以圍繞中心自由旋轉(zhuǎn)的自動陀（藍(lán)色）。當(dāng)自動陀旋轉(zhuǎn)時(shí),，它會驅(qū)動一堆齒輪,，最后連接到大鋼輪上，驅(qū)使大鋼輪為隱藏在發(fā)條盒內(nèi)的主發(fā)條上弦：

自動陀可以自由旋轉(zhuǎn)在這里至關(guān)重要,。在下面的演示中,，您可以看到當(dāng)手表在空間中旋轉(zhuǎn)時(shí)，自動陀是怎么運(yùn)動的,。始終向下的重力——它總是將自動陀向下拉動,，使其相對于機(jī)芯的其余部分轉(zhuǎn)動：

如果您還記得我們對手表上弦的討論，您可能還記得小鋼輪只能向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動,，止逆棘爪會阻止主發(fā)條自行松開,。然而，自動陀可以來回?cái)[動,，這通常意味著連接到該自動陀的任何齒輪系統(tǒng)也將在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn),。

如果我們單獨(dú)觀察自動上鏈機(jī)構(gòu)，您會發(fā)現(xiàn)——當(dāng)滑塊來回?cái)[動自動陀時(shí),，輸出齒輪（橙色）只向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動,。我在那個(gè)齒輪上放了一個(gè)小黑點(diǎn)，以便更容易觀察到：

要了解這是如何發(fā)生的，讓我們首先看看機(jī)制中涉及的所有部分：

綠色齒輪直接鉚合配重的自動陀,，因此當(dāng)自動陀旋轉(zhuǎn)時(shí),，該齒輪轉(zhuǎn)動兩個(gè)黃色自動輪。這種組合的大部分與我們之前看到的東西相似,，齒輪由夾板固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩＿@里的關(guān)鍵就是這對雙向自動輪,，我們用黃色和藍(lán)色分別標(biāo)記自動輪的上下兩部分,，讓我們看看它的內(nèi)部構(gòu)造是怎樣的：

藍(lán)色齒輪可以在黃色齒輪上自由轉(zhuǎn)動，而魚形杠桿也可以通過藍(lán)色齒輪上的孔圍繞其軸線旋轉(zhuǎn),。請注意,，黃色齒輪的內(nèi)部具有特定的形狀。在下面的演示中,，我移除了藍(lán)色齒輪的中央部分,，以便您可以清楚的查看兩者是如何相互作用：

請看，當(dāng)我們逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)藍(lán)色齒輪時(shí),，杠桿只是在黃色齒輪的內(nèi)部滑動,。但是，當(dāng)我們順時(shí)針旋轉(zhuǎn)藍(lán)色齒輪時(shí),，其中一個(gè)杠桿卡住黃色齒輪內(nèi)部的凸起,，并開始轉(zhuǎn)動黃色齒輪。這種巧妙的機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)僅在一個(gè)方向上將動力從藍(lán)色齒輪傳遞到黃色齒輪,。

自動上鏈組件包含兩個(gè)這樣的齒輪——一個(gè)在順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)驅(qū)動輸出齒輪,，一個(gè)在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)轉(zhuǎn)動輸出齒輪。在下面的演示中,，您可以看到當(dāng)自動陀左右擺動驅(qū)動綠色齒輪時(shí),，兩個(gè)自動輪是怎么工作的：

請注意，只有當(dāng)它們將動力從自動陀齒輪直接傳遞到輸出齒輪時(shí),，我才會突出顯示起作用的那一對黃色和藍(lán)色齒輪,。一次只有一對這樣的齒輪處于工作狀態(tài)——另一對要么空轉(zhuǎn)，要么充當(dāng)中間件來改變旋轉(zhuǎn)方向,，以確保輸出齒輪始終在給主發(fā)條上鏈,。

請注意，輸出齒輪相對于鉚合在自動陀上的齒輪旋轉(zhuǎn)量非常小,，通常自動陀旋轉(zhuǎn)許多圈,，輸出齒輪才旋轉(zhuǎn)一圈。因此需要大量擺動手臂才能完全上滿主發(fā)條,。當(dāng)然,，在一天的活動中，通常八到十個(gè)小時(shí)就可以確保主發(fā)條處于滿鏈狀態(tài)。

機(jī)芯的大小

到目前為止,，在所有演示中,，我們都可以輕松地以相當(dāng)大的放大倍率查看零件，但在下面的最后一個(gè)演示中,，您可以看到所有組件的微小程度：

圍繞機(jī)芯的圓角矩形對應(yīng)于信用卡的大小——希望這能說明我們討論過的所有部件有多小,。

最后的話

在 1970 年代，機(jī)械表開始被石英表取代,，石英表通過電子計(jì)數(shù)石英晶體的振動來計(jì)量時(shí)間,。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代聰明的轉(zhuǎn)世與他們的原型,，只是在形狀和手腕上的位置上相似,。

機(jī)械表不如數(shù)字表準(zhǔn)確，它們需要維護(hù)并且更脆弱,。盡管存在所有這些缺點(diǎn),，但這些設(shè)備顯示出真正的工程技術(shù)。通過創(chuàng)造性地使用微型齒輪,、杠桿和彈簧,，機(jī)械表讓一堆休眠的部件，成為真正的生命,。