從定時器探究擒縱機構之美

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廚房定時器，常見又便宜（二十來塊錢），可是小小的身體里卻有複雜的機械結構：齒輪組、擒縱機構、遊絲……直接點說就是：它其實就是機械錶的結構！對，就是那個動輒幾十萬的機械錶，裡面的結構。

第一期的拆解，就從拆解廚房定時器開始～

生活中很多電器都有定時功能，比如電扇、烤箱等，直接旋轉一定角度，就聽見噠噠噠的齒輪聲，等時間到了，就有叮鈴鈴的響聲。現在也有將定時功能單獨剝離出來的小器件：廚房定時器。不需要電，純粹的機械結構，就能實現定時和響鈴，那麼它是怎麼實現精確定時的？到時間後又是怎麼實現響鈴呢?

定時器的用法是：將上殼旋轉大約一周，然後反向旋轉到需要計時的時間刻度處，就可以了，定時器開始嗒嗒地運行，到最後預定的時間到了，定時器會發出響鈴聲

我們直接拆解， 看看其中結構

從外觀看，只有一顆螺絲露在外面，在底殼的中心，卸下螺絲，拆下下殼：

這顆螺絲拆下後，可以看到金屬罩部分和塑料上殼部分，經過各種奇特的觀察，發現二者似乎是直接過盈配合的，所以直接開撬：用螺絲刀輕輕撬動中間的金屬主體部分，使其與塑料上殼脫離。

撬起金屬部分後，畫面是這樣:

中心軸和外殼的插槽的確是直接靠過盈配合裝在一起的

拆到這一步，我們知道，扭動上下殼，其實就是在扭動中心軸。

繼續拆金屬罩部分，卸掉螺絲:

去掉金屬罩部分後，主體機構上看到一個金屬片，拿掉金屬片，可以看到盤式彈簧：

盤式彈簧的末端分別卡在中心軸和側邊軸（鬧時軸）上。常見的盤式彈簧是單軸的，比如自動繞線的耳機，捲尺。中心軸對應的就是「定時」過程，「鬧時軸」對應的就是鬧鈴過程，也就是定時時間達到後，發出「叮叮叮」的聲音。

扭動中心軸時，將能量儲存在了彈簧上，給了中心軸持續的轉矩。

中心軸和鬧時軸通過齒輪嚙合，轉動中心軸，鬧時軸也跟著轉動。

先以內部整體角度看下定時器工作過程：

圖5 gif 扭動彈簧--遊絲--擒縱--齒輪組--慢慢釋放---最終響鈴

扭動中心軸後，定時結構就開始運作，內部齒輪組、擒縱機構等就開始運行，到時間結束，響鈴機構開始運行。

為了知道具體每一步的原理，我們繼續拆。

現在還剩下3顆螺絲，其中一顆螺絲上固定有小凸輪。後面會知道小凸輪的作用。

拆掉螺絲，露出所有結構，下圖中出現了兩個定時器（是的，為了拆解，我買了兩個……）右邊是完整版，左邊的被我拆成上下兩部分，並且！把複雜的那一部分加了一塊透明亞克力來固定，方便直觀地觀察工作過程

先看看裡面大致包含哪些結構：

上部基本就是「定時軸」和「鬧時軸」的軸上固定了齒輪，將動力傳輸下去：

下部比較複雜：

圖中指出的部分都是定時功能的機構，未指出部分為響鈴功能的機構。（圖中透明亞克力是我為了方便觀察自己切割並加上去的，不是物品本身的零件）

繼續分析它的工作原理：

先來看計時功能：

計時線路可以分為「齒輪組」「擒縱機構」「遊絲」三大部分；其中」擒縱機構」就是整個定時器設計的精髓，讓人驚嘆於機械設計之巧妙。我們通過手動推動齒輪，來觀察擒縱機構的工作過程：

計時線路工作過程：

1.中心軸上固定的大齒輪，經過三級減速齒輪帶動擒縱輪轉動，

2.擒縱輪上的齒推動擒縱叉的出瓦，從而帶動整個擒縱叉開始擺動，

3.由於擒縱叉的叉頭釘與遊絲的擺軸是嚙合的，所以擒縱叉的叉頭釘會給遊絲一個動量

4.遊絲在擒縱叉的推動下開始擺動，擺軸上的圓盤釘超出擒縱叉的範圍時，擒縱叉被限位釘卡住而不能轉動，這時擒縱叉的進瓦會卡住擒縱輪，使其不能繼續轉動

(製作這個動圖簡直累死寶寶了)

5.遊絲（彈簧）擺動一定幅度後，在自身的回復力作用下會開始反向擺動，當擺軸上的圓盤釘擺回到擒縱叉的範圍內時，開始帶動擒縱叉擺動擒縱叉的反向運動使進瓦與擒縱輪脫開，擒縱輪沒有了進瓦的「阻攔」就又可以繼續沿著原來的方向旋轉了。

6.擒縱輪旋轉一個齒的角度後，就會又與擒縱叉的出瓦碰撞，工作流程又回到了步驟1.

人話版：

轉動發條，給了擒縱輪轉動的動力， 但擒縱輪的轉動總被擒縱叉的進瓦和出瓦限制住了節奏，一擒一縱，節奏都是跟著擒縱叉走，而擒縱叉的擺動節奏又由遊絲決定，遊絲的擺動周期是固定的，所以實現了擒和縱的間隔是固定的，而每一個固定的間隔里，擒縱輪總是只釋放一個齒！這樣，就達到了擒縱輪的轉速恆定，從而實現了準確計時。

剛剛的解釋里，直接拿出了一些結論，比如「遊絲的周期固定」，那麼

1. 遊絲是什麼？

遊絲是一種很細的盤式彈簧。

2.遊絲的擺動周期為什麼是固定的？

因為遊絲的擺動為一種簡諧運動

2.簡諧運動是什麼

隨時間按餘弦（或正弦）規律的振動，或運動。

簡諧運動的頻率（或周期）跟振幅沒有關係，而是由本身的性質（在單擺中由初始設定的繩長）決定。

常見的簡諧運動：單擺、彈簧等；

遊絲的擺動周期由彈簧的勁度係數和彈簧的質量決定，也就是一個遊絲製作好後，它的擺動周期就已經是確定的了，跟擺動的幅度沒有關係。

人話版：

物理課本里寫過一個小故事：伽利略注意到教堂里懸掛的那些長明燈被風吹後，有規律地擺動，他按著自己脈搏的跳動來計時，發現它們往複運動的時間總是相等，由此發現了擺的等時性。1657年，荷蘭物理學家惠更斯根據伽利略的發現將鐘擺引入了時鐘，製作出了擺鐘。

第一篇先只介紹定時過程的原理，下篇文章再講響鈴過程原理.

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