机械摆钟机心及模块化附加功能设计

文 / 轻工业钟表研究所 张晔 司马斌 刘茂平 边宁涛

机械摆钟机心及模块化附加功能设计

文 / 轻工业钟表研究所 张晔 司马斌 刘茂平 边宁涛

本文给出了机械摆钟的数学模型，介绍了机械摆钟机心的结构组成和工作原理，结合理论计算，设计出擒纵调速机构振动周期为2s，延续走时为15天的机械摆钟机心。并引入模块化设计理念，在同一机心上设计可互换的附加功能组件，分别实现了8音及12音两种不同功能的机械摆钟机心功能。

摆钟机心；机心设计；

1.引言

摆钟属于振动计时仪器，该仪器的原理是利用了一个周期恒定、持续振动的振动系统，振动系统的振动周期乘以被测过程内的振动次数，就得到该过程经历的时间。即：时间=振动周期×振动次数。

摆钟的振动周期与摆长有关，当摆长和持续走时时间确定后，振动周期与轮系传动比即可确定。根据奏乐功能的不同，机械摆钟机心最常用的可分为8音和12音。

2.摆钟工作原理

2.1数学摆

式中：

L为摆长，即质点m至杆a悬挂点O的距离；

m为质点的质量；

g为重力加速度；

φ为任何瞬间摆相对于铅垂线的偏转角；

.φ.为φ对时间t的二阶倒数（摆的角加速度）；

其中：ml2为摆的转动惯量，而mgLsinφ则为摆的恢复力矩。

图1：数学摆简图

2.2摆的引用长度和振动周期的关系

式中：TM为振动周期（秒）ly为摆的引用长度（毫米）g 为重力加速度

表1 摆的引用长度和振动周期的关系

2.3机械摆钟结构组成及功能

表2 机械摆钟结构组成

（1）走时传动轮系：根据固定摆长确定的周期，与擒纵调速机构配合用于显示时间的一系列轮系，具有独立的原动组件。

（2）擒纵调速机构：控制机械摆钟振动周期的机构，包括擒纵轮、擒纵叉、摆。

（3）报刻奏乐传动轮系：实现每刻钟及整点奏乐功能的一系列轮系，具有独立的原动组件。

（4）报时传动轮系：实现每整点报时功能的一系列轮系，具有独立的原动组件。

（5）报时报刻控制系统：实现走时显示与报时打点数同步功能；每刻钟及整点显示与奏乐同步功能；自动止报功能；完全止报功能。包括抬闸杠杆、扇形齿、十二角凸轮、开关杠杆、大小开关、止停杆和自动止停杆等零部件。

2.4传动轮系设计

以擒纵调速机构振动周期为2s，持续走时时间为15天的机械摆钟机心设计为例：

表3 走时传动轮系齿轮顺序及齿数

图2：走时传动轮系

式中：N为摆钟上一次发条（或重锤）的连续工作天数；n为上足一次发条（或重锤）链轮的工作圈数。

故头轮至分轮的各齿轮齿数满足设计要求，实际走时应大于15天。

2.5报时轮系及报刻奏乐轮系设计

表4 报时报刻传动轮系齿轮顺序及齿数

图3：报时传动轮系

图4：报刻传动轮系

3.擒纵机构设计

格拉哈姆擒纵机构是摆钟最常用的擒纵机构之一，通过设计确定：

擒纵轮齿数：齿39

包角：78° 24'36''

锁角：1° 2 4'12''

冲角：1°30'24''

擒纵轮齿顶圆直径：∅mm29f

根据作图法绘制的擒纵机构如图5所示

图5：摆钟擒纵机构

4.摆簧片设计计算

当T（ 摆动周期）=T0（簧片小幅摆动周期）时，为摆簧片设计最佳状态。

其中: m 摆锤质心质量g 重力加速度E摆簧弹性模量b摆簧宽度h摆簧厚度

本设计中

则：摆刚度

T≈T0，故摆簧片的设计符合要求。

5.模块化附加功能设计

图6：8音摆钟与12音摆钟机心对比图

图7：8音摆钟奏乐系统

图8：12音摆钟奏乐系统

如图6所示，本设计中8音摆钟和12音摆钟机心的结构基本相同。各传动轮系、擒纵调速机构、报时报刻控制系统等都可作为通用件使用。不同之处在于报刻奏乐功能上的不同，8音摆钟奏乐系统只能选择一种音乐，而12音摆钟则可以通过止停杆更换档位，选择3种不同的音乐。由于12音摆钟奏乐音乐选择的多样化，所以12音摆钟相对于8音钟的奏乐部分更为复杂。

8音摆钟奏乐功能的实现是由奏乐传动轮、奏乐凸轮组件，报刻打锤固定板、打锤等零部件完成的。奏乐凸轮组件上有4个凸起点角度不同的凸轮，绕奏乐凸轮轴同时转动；4个打锤分别固定在四个报刻打锤固定板上，4个打锤固定板依次穿在报刻打锤回转轴上，相互之间可绕该轴独立转动；由于4个奏乐凸轮与4个报刻打锤固定板安装位置平行。当奏乐传动轮带动奏乐凸轮组件转动，4个形状不同的凸轮上的凸起点会先后拨动4个不同的报刻打锤固定板，从而使4个打锤先后敲击音簧产生音乐。

12音摆钟与8音摆钟的奏乐原理相同，由于又增加了4个奏乐打锤，音乐旋律更加丰富，如果能在同一个机心上通过更换相应的模块化组件分别实现8音摆钟与12音摆钟的奏乐功能，则会给实际生产，售后维修带来很多便利。

止停杆是摆钟的奏乐开关，止停杆在下方时，奏乐系统处于打开状态，当抬至最上方时，止停杆会推起大开关以锁住奏乐系统。

12音摆钟奏乐系统的基本原理与8音摆钟相同，在不改变8音摆钟机心整体结构的基础上，在前面板上增加了挡位片和档位连接片，挡位片上有4个厚度不同的凹槽，其中最下面的两个凹槽厚度相同。当止停杆上下移动时，会通过挡位片连接片带动挡位片一起上下移动，这样档位轴会依次被顶入4个不同的凹槽内，需要说明的是，12音摆钟的奏乐凸轮部件上共有20个凸轮，并可以轴向运动，这样固定在档位轴组件上的拨片会拨动奏乐凸轮部件轴向前后移动，当档位轴与挡位片从上至下的三个凹槽接触时，奏乐凸轮部件上的20个凸轮会分3组分别与8个报刻打锤固定板配合工作，带动打锤打出3种不同的音乐。当继续将止停杆推到最上方，止停杆会推起大开关锁住奏乐系统，由于第三、第四个凹槽的厚度一样，故凸轮不会再发生轴向移动。

6.结论

机械摆钟的摆长和持续走时时间决定了摆钟擒纵调速机构的振动周期及走时轮系的传动比，结合擒纵调速机构和摆的设计，即可实现走时功能。根据摆钟持续走时时间和具备的报时、报刻等各项功能，即可设计原动组件、报时、报刻传动轮系及奏乐系统。本文设计通过在同一机心上设计可互换的附加功能组件，分别实现了8音及12音两种不同功能的机械摆钟机心功能。

[1]机械计时仪器天津科学技术出版社 [2]机械摆钟设计与工艺中国轻工业钟表研究所培训中心

[3]机械手表制造工艺学天津科学技术出版社