楊靜嫻

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

1 概述

機(jī)械鐘表是純機(jī)械鐘表，設(shè)有鬧鐘功能。鬧鐘功能主要有動力系統(tǒng)、機(jī)械傳動以及指示系統(tǒng)和鬧鐘系統(tǒng)。整個鐘表整體高度14 cm，寬度為10 cm，鏡面直徑8 cm。外殼通體為金屬。鐘表外殼是由2片金屬殼體擠壓形成彈性變形。外圈金屬管壁連接部位設(shè)有1圈壓痕，連接時，壓痕部產(chǎn)生彈性變形，整個圓圈部分受力均勻。殼體通過金屬拉伸制成，上部有3個沖孔形成小孔，使得鬧鐘的鬧鈴與響鈴能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)鏈接。為了固定部件能夠穩(wěn)定，這2個孔是沖加工而成的。背部沖孔使得各種螺母可以穿出殼體，更穩(wěn)定支撐，確定機(jī)械鐘內(nèi)部構(gòu)成各零部件的位置。整體金屬可以保護(hù)內(nèi)部精密結(jié)構(gòu)，金屬特有光澤可以體現(xiàn)機(jī)械感冷酷的工業(yè)感。鐘表表面是玻璃材質(zhì)，由機(jī)器切割而成。

替代的方案有塑料，塑料易于加工，顏色艷麗，可作為鬧鐘外殼，但塑料剛度強(qiáng)度不夠，與金屬相比并不能很好保護(hù)機(jī)械鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但塑料柔和的光澤也可以賦予鬧鐘溫馨感，且塑料色彩豐富，應(yīng)用到了很多鬧鐘產(chǎn)品上。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 概述

內(nèi)部結(jié)構(gòu)由動力機(jī)構(gòu)、傳動齒輪組、擒縱結(jié)構(gòu)、指針指示機(jī)構(gòu)（金屬固定板另一邊）組成。動力為機(jī)械鐘提供動力，經(jīng)過傳動齒輪組傳送力量使得擒縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺動運(yùn)動，再由擒縱機(jī)構(gòu)傳能量到擺輪游絲組，游絲反彈彈力使得傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，其中，幾個齒輪帶動指針機(jī)構(gòu)指示時間。

2.2 用戶交互部分

很多需要用戶操作或調(diào)節(jié)的零件軸都伸出殼體由螺母進(jìn)行螺紋連接。其中，發(fā)條部分（包含鬧鐘發(fā)條、時鐘發(fā)條）是蝶形螺母，蝶形螺母與手接觸面積大，易于用戶操作，且僅允許單項操作，可以防止誤操作。時分針螺母是過盈連接，螺母上有凹槽，摩擦力使用戶較為省力。因為蝶形螺母占地面積過大，此處再設(shè)置蝶形螺母在使用過程中是不便的。鬧鐘部分使用了墊圈可以減震，單一方向的螺母進(jìn)行螺紋連接。機(jī)械鐘使用的是右旋螺紋，普遍易于生產(chǎn)和用戶體驗。

2.3 動力結(jié)構(gòu)

機(jī)械鐘的動力結(jié)構(gòu)是由發(fā)條、發(fā)條軸、發(fā)條外鉤組成。發(fā)條的彈性形變是機(jī)械鐘的動力源，通過上條撥針系使發(fā)條旋緊，產(chǎn)生彈力。發(fā)條與齒輪直接連接，發(fā)條上軸伸出殼體，有蝶形螺母搭配，使得上發(fā)條時更省力氣，且只能單向運(yùn)動，避免操作失誤。與發(fā)條連接的齒輪上有凸起和棘爪。棘爪是一片結(jié)構(gòu)復(fù)雜的貼片，在上發(fā)條過程中棘爪與凸起擠壓摩擦產(chǎn)生摩擦力并且經(jīng)過凸起會有脆響，使得上發(fā)條有明顯感知反饋和聲音反饋，棘爪還可以防止齒輪反轉(zhuǎn)。

2.4 傳動結(jié)構(gòu)

傳動結(jié)構(gòu)由齒輪組和擒縱結(jié)構(gòu)組成。齒輪組由4個大小不一結(jié)構(gòu)不同的齒輪組成稱為二輪、三輪、四輪。二輪也叫中心輪，是連接第一個齒輪，呈順時針轉(zhuǎn)動，它將力傳遞到下一個齒輪，且這個輪軸伸出殼體，有一個有凹槽的螺母進(jìn)行螺紋連接，可以越過動力傳動結(jié)構(gòu)，直接調(diào)節(jié)指針結(jié)構(gòu)。用戶直接轉(zhuǎn)動螺母，螺母帶動中間齒輪軸轉(zhuǎn)動，齒輪軸傳遞到指針輪，進(jìn)而改變分針位置。齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，第三個銀色齒輪順時針轉(zhuǎn)動傳遞能量，第四個金色秒輪緊接著逆時針轉(zhuǎn)動，秒輪直接連接可控制秒針。由于是在金屬固定板兩側(cè)，所以，秒輪逆時針轉(zhuǎn)動秒針順時針轉(zhuǎn)動；接下來能量繼續(xù)傳遞到第五個金色齒輪，是一個擒縱輪，擒縱輪順時針轉(zhuǎn)動并且與擒縱叉接觸受擒縱叉控制。擒縱叉叉針被擺動使得擺輪游絲組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生彈性形變，游絲反彈形成反作用力使得擒縱叉擺動使得秒輪轉(zhuǎn)動形成一個間隔，就是日常生活中看到感受到的“秒”的概念。齒輪均為金屬，由齒輪加工工藝制成，也會有切屑加工工藝。齒輪之間是齒輪連接，與金屬固定板是銷連接。

齒輪組中心輪片到秒輪的齒軸傳動比必須等于60，發(fā)條的1小格運(yùn)動使得中心輪轉(zhuǎn)整整1圈，中心輪的1小格運(yùn)動讓二輪轉(zhuǎn)1圈；以此類推，使得擒縱輪可以轉(zhuǎn)很多圈，以60的倍數(shù)這樣增長，這樣使得上一點發(fā)條，第一個齒輪動一點，擺輪可以轉(zhuǎn)動多次，這樣機(jī)械鐘可以運(yùn)動很長的時間。

擺輪游絲組由游絲、擺軸、擺輪組成，有著固有振動周期擒縱調(diào)速系。它具有可以獨立進(jìn)行振動的、有穩(wěn)定周期的振動系統(tǒng)，可以起計時功能作用。通過擒縱輪齒和叉瓦（進(jìn)瓦或出瓦）的作用（擺動）轉(zhuǎn)變?yōu)闆_量傳送給擒縱叉；通過擒縱叉的叉口和雙圓盤的沖擊圓盤上的擺釘?shù)南嗷プ饔?，再將能量反傳給振動系統(tǒng)。擺釘和擒縱叉的喇叭口是保證機(jī)構(gòu)正常工作的保險裝置。游絲是精密的彈簧絲，必須保持其平衡，機(jī)械鐘才有可能迅速、一致地運(yùn)轉(zhuǎn)。擺輪部件有幾個小孔，不同的機(jī)械鐘小孔大小位置不同，是因為擺輪屬于粗加工，削掉一些金屬以保持?jǐn)[輪平衡。

2.5 指針系統(tǒng)

指針系統(tǒng)中，指針材質(zhì)是ABS塑料，通過注塑形成。秒針與齒輪直接連接，分針指針與時針指針隨著秒輪轉(zhuǎn)動而改變。其中，秒輪在表機(jī)芯的中央。直接傳動式是經(jīng)常采用的傳動系之一，在這種傳動方式中，分輪上部有凹槽，分輪依靠摩擦與中心輪管相配合，走針機(jī)構(gòu)的運(yùn)動由中心輪來帶動。動力系統(tǒng)也是由發(fā)條被發(fā)條軸固定動力輪進(jìn)行旋緊使之彈性形變產(chǎn)生能量。傳動系統(tǒng)是由齒輪組組成的。第一個齒輪與發(fā)條緊密連接，在發(fā)條的水平位置有一個小固體，是一個類似凸輪的不規(guī)則圓形，它可以使發(fā)條在運(yùn)動過程中不影響到齒輪傳動系統(tǒng)，也可以讓彈力完美傳輸。

無固有振動周期擒縱調(diào)速系統(tǒng)中沒有能夠獨立進(jìn)行振動的振動系統(tǒng)，這種調(diào)速系中的所謂的“振動系統(tǒng)”的往復(fù)振動，完全依靠擒縱機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動。機(jī)械鬧鐘中的鬧時系統(tǒng)的擒縱調(diào)速系屬于此類。

2.6 鬧鈴部分

鬧鈴的傳聲系統(tǒng)有1個特殊結(jié)構(gòu)的鬧鈴擊打器和2個金屬鈴鐺。當(dāng)用戶調(diào)整時間時，調(diào)整紅色齒輪位置，白色齒輪跟隨時鐘轉(zhuǎn)動。紅色白色齒輪之間有凹槽，當(dāng)凹槽重合時，紅白齒輪之間間距變短，帶動鬧鈴擊打器向鐘表方向移動，結(jié)構(gòu)上一跟圓弧形鉤子脫離彈性鐵片的束縛，受齒輪轉(zhuǎn)動獲得能量，不斷左右搖擺，擊打器擊打鈴鐺，產(chǎn)生聲響。用戶在控制面板按下由透明塑料包裹的支撐固件，推動彈片使得彈片重新控制鬧鐘擊打器。在固定板螺紋連接處有葉形彈片，可以減壓，減輕用戶受力感覺。

以上為機(jī)械鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及功能分析。

參考文獻(xiàn)：

［1］李婷婷.從日晷到原子鐘：計時工具的演進(jìn)［J］.力學(xué)與實踐，2009，31（01）：96-98.