機械錶的動力

現代社會,時間的度量可以通過手機、電腦時鐘,或者客廳的咖啡機來實現,時針、分針的緩慢走動對於現代人而言猶如來自異域的陌生事物。漸漸地,人們發現時間並不是想像的那麼簡單,簡單到兩根指針可以涵蓋。它彷彿心臟的跳動,在他(它)們獨處的那一刻,齒輪的嚙合,擺輪的擺動,擺幅和位置的偏差,以及對於動力的需要傳入了他們的耳朵,猶如觸摸到了自己的脈搏那般……

腕錶是一台以某個特定速率讓主發條得以釋放的機器

精巧的錶殼、新穎的時間顯示、奇異的複雜功能,一切的目不暇接都使人很輕易地忽略這樣一個簡單不過的事實:腕錶是一台以某個特定速率讓主發條得以釋放的機器。

動力伊始

腕錶的存在,從真正意義上來說是讓他的主人知道,主發條正在以一個什麼樣的速度釋放。估計動力描記器和動力指針就是這麼來的吧!如果主發條要繼續為腕錶提供動力,那就必須定期給發條上鏈,雖然上完鏈後機心只需要具備運行24小時的能力,但實際上所需的動力儲備卻更長。然而,有一個事實卻鮮為人知——主發條各部分傳輸的動力並不相同。試想:當一根發條釋放時,其所傳輸的動力是一個變數;發條上得越緊,其通過動力系傳輸給擒縱機構的扭力也越大。當發條釋放的同時,動力輸也開始減弱。在接近腕錶動力儲存的極限時,即在發條幾近完全釋放的情況下,擺幅—擺輪在滴答滴答的擺動過程中的程度便開始減弱,腕錶走速的穩定性開始接受考驗。長動力儲備能夠確保在日常使用中,每天消耗掉主發條輸出的一部分最為恆定的動力,以此來更好地確保腕錶精確走時。

為防止發條過鬆開得過快,發條接觸發條盒內壁的一端被彎成了S型

早期鐘錶及主發條的發展演變

現代鐘錶業大約起源於13世紀的歐洲,主要是出於當時宗教祈禱的需要,一些教堂與市政當局的高大建築上出現了最早的「大鐘」。它們的運轉原理極為簡單——依靠一根系著重物的繩索拉動一個粗大的滾筒或者是滾軸,讓後者再帶動一根指針便可指示時間了。

進入14世紀以後,這樣的鐘越來越多,類似的鐘塔也在歐洲成熟起來,並增添了報時以及活動人偶等複雜功能。功能的添加意味著增加了動力需求,如何保證這些複雜的大鐘走時準確,並更有效地利用動力？尤其是輸出力矩的問題亟待解決(與現代鐘錶滿發條時扭矩過大,發條即將耗盡時扭矩過小的現狀一樣)。隨著14世紀中後期的鐘錶結構越來越複雜(已經能夠反映出太陽、月亮以及星辰的運轉),科學界的介入成為推動鐘錶技術發展的動力,因此一系列使動力釋放更均勻的齒輪、擒縱機械系統應運而生。

這是發條在發條盒中完全鬆開的狀態,此時機心已停止運轉。

在製表業最為晦暗的早期,讓鍾持續運行1天是一種挑戰。而以早期發條形式驅動的鐘,其傳動系只有3個齒輪(現代鐘錶結構為4齒輪),且運行時間不足14個小時。這類鐘的不同尋常並不在於走時的精確,而是在於它們能夠運轉。對於時鐘而言,優秀的計時功能一直到鐘擺擒縱機構的研發才實現。而懷錶直到螺旋擺輪遊絲的出現,才使其走時誤差每一天保持在幾分鐘之內。在這種情況下,懷錶走時常常不足24小時已不再是一個很大的實用問題。

從早期工匠自己在火爐邊打造螺旋鋼絲,到現代帶有高科技色彩的Inox(鉻鎳鋼)、Nivaflex(鈷、鎳、鉻鋼),不僅發條的材質與外觀有不小的變化,相應的機械結構也有眾多的發展。主發條是一根盤捲起來的金屬條,一般長度能達到400-500毫米,盤繞8-10圈(通常發條1圈可提供6小時動力)。發條連續收縮、放鬆10,000-20,000次毫無磨損,動力就是在這一松、一緊之間產生。在工作狀態下,發條是從外端開始向內逐漸釋放動力的。一般來說,發條在完全繞緊的情況下動力最充足,而發條鬆弛的狀況下動力往往不足。初期的主發條反映了所有早期製表業的缺陷:「鋼製,彈性很快趨於消失,傳輸至擒縱機構的扭力變化不定。」如今的發條已經不太易斷、易碎,且動力輸出均勻,不太容易受磁場等自然因素的影響。最常見的Nivaflex發條採用鐵、鎳和鉻合金製造,同時加入了鈷、鉬、鈹等稀有元素,不但能夠具有防磁、防腐蝕、不易斷裂、不受溫度變化影響、抗拉與抗衝擊等功能,而且還韌性十足,利於動力平緩地釋放。然而,一個發條尚未誕生時就困擾著鐘錶的老問題——均衡的動力輸出卻始終是個問題。如何在功能越發複雜的情況下越精準地控制動力輸出,是所有機械動力表必須解決的難題。

動力釋放

帕瑪強尼在長動力表款方面頗有建樹

現代機械手錶考慮到尺寸與造型等因素,發條是被裝嵌在發條盒中的。發條收緊,動力釋放。道理簡單,實現的方法並不簡單。首先,發條與發條盒之間材料的摩擦力越小越好。發條傳遞出的動力只有自身能量的55%-60%,因此改善材料依然是充分利用動力的思路之一。依靠發條運行的機械必須在結構與材料上加以改進,以減少對動力的無用耗損。在這方面,採用更加輕質的材料顯然能夠起到一定的作用,同時一些圍繞著傳動齒輪等結構的改進也能夠讓動力輸出更加有效。

Lange 31腕錶在第四齒輪處另設一套動力回收系統

降低擺輪擺動的頻率(以後簡稱擺頻)是個非常簡單的增加動力的方法,但這樣往往會影響手錶的運行精度,已經比較少地被利用。圍繞著擺輪,有一個在設計與製造手錶時都非常難處理的問題:當動力充足時,擺輪擺動穩定,走時能比較精確地控制;而當動力不太強勁時,擺幅(擺輪擺動的幅度,稱輪幅)就會明顯減小,相應地擺動頻率就加快,導致手錶運行偏快,當動力即將耗盡時,手錶就會完全停止運行,這種停止很被動。為了讓那些動力比較強的手錶能均勻地釋放動力,現代絕大部分機械機心都設置了外部的發條鉤以及其它的「減速裝置」,如制動彈簧、制動錐、制動齒輪等,讓發條能夠更加均勻地釋放自己的能量,且會在能量低到影響運行精度之前截停機心(同樣長度的發條,如果沒有上述那些機構,還能走得更久,但精度很差)。許多產品中設計有一個剎車裝置,當動力不足以維持運行時就讓乾脆機心停止運轉。類似的問題經常表現在一些小型台鐘上,8天動力鍾雖然能走出10天的「業績」,後兩天的準確度卻十分差勁。大型鐘可以通過更複雜的機械結構讓發條利用率大幅提高,造出動力超過一年的鐘也不在話下,而手錶最新的紀錄也有31天的動力。

積家Reverso 8天動力腕錶的視窗數字動力儲存顯示非常便利

1913年曾經有一款叫做Hebdomas的手錶率先取得了長達8天的動力,到了1930年代,不少錶廠以超長發條為主,製造出能夠運行一周以上的長動力表。今天,一些錶廠依然堅持認為依靠一個單發條盒輸出的動力最為可靠,不太容易出現複雜零件帶來的易磨損等毛病。考慮到一個發條盒輸出的動力難以達到運行一周甚至更加持久,於是有人開始研製在鐘錶中裝置多個發條盒以提供更大的驅動力。早在18世紀,瑞士的兩位偉大的鐘錶發明家Henni Louis Jaquet-Droz與寶璣(Abraham-Louis Breguet)都曾經將兩個發條盒並聯起來以發揮更加大的推動力,而德國格拉蘇蒂的製表大師Alfred Helwig則設法通過兩個串聯起來的發條盒為手錶提供動力。相對而言,使用串聯發條盒的品牌居多,其目的之一就是讓機心能夠在保持自動上鏈與較長動力的同時,還可以造得更加單薄。無論是並聯還是串聯,解決協調兩個不同的動力源都是問題的關鍵,另外多發條盒帶來的機械零件的增加也成為困擾工程師的重要難題。多發條盒的結構使得發條動力的輸出更加均勻,同時減輕了傳動機構的壓力。近年來,對於長動力手錶越來越熱的追捧以及手錶尺寸的增加,使得3發條盒與4發條盒等創新結構不斷地出現,採用如此多的發條盒有時只是為了手錶機械的布局更加合理,而不一定單純為了獲取更長久的動力。