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摆轮

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摆轮是在所使用的计时装置的机械表和小时钟,类似于摆在摆钟。它是加权轮子前后旋转,由螺旋朝向其中心位置返回扭转弹簧,被称为平衡弹簧或游丝。它由擒纵机构驱动,从而改变手表齿轮系的旋转运动。转化为传递到摆轮的脉冲。轮子的每次摆动(称为“滴答”或“节拍”)都允许齿轮系前进设定的量,从而向前移动指针。摆轮和游丝共同构成了一个谐振子,由于共振,它优先以特定的频率振荡,它的共振频率或“节拍”,并抵抗以其他速率振荡。摆轮的质量和游丝的弹性相结合,使每次摆动或“滴答”之间的时间保持非常恒定,因此它几乎普遍用作机械表中的计时员。从14世纪发明到音叉和石英运动在20世纪60年代面世,几乎所有的便携式计时装置中使用某种形式的平衡轮。

摆轮概述

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直到20世纪80年代摆轮被使用的计时技术、天文钟、银行金库时间锁定,时间引信的弹药、闹钟、厨房定时器和秒表,但石英技术已经接管了这些应用程序,主要剩余用途是在品质的机械腕表.

现代(2007)手表平衡轮通常由Glucydur,的低热膨胀合金铍,铜和铁,具有弹性合金的低热系数的弹簧,如NIVAROX。两种合金相匹配,因此它们的残余温度响应相互抵消,从而导致温度误差更低。轮子是光滑的,以减少空气摩擦,枢轴由精密宝石轴承支撑。较旧的平衡轮使用轮辋周围的配重螺钉来调整平衡(平衡),但现代车轮在工厂中由计算机平衡,使用激光在轮辋上烧出一个精确的凹坑以使其平衡。摆轮每次摆动大约旋转1.5圈,即向其中心平衡位置的每一侧旋转大约270°。摆轮的速率通过调节器进行调节,调节器是一个末端带有狭缝的杠杆,摆轮游丝从中穿过。这使狭缝后面的弹簧部分保持静止。移动杠杆会使缝隙在摆轮游丝上上下滑动,改变其有效长度,从而改变摆轮的共振频率。由于调节器会干扰发条的动作,因此天文台表和一些精密手表具有“自由弹簧”摆轮,没有调节器,例如Gyromax。它们的速率由平衡轮缘上的配重螺钉调节。

天平的振动率传统上以每小时节拍(节拍)或BPH来衡量,但也使用每秒节拍和赫兹。节拍的长度是摆轮的一次摆动,在方向反转之间,因此在一个完整的循环中有两个节拍。精密手表中的摆轮采用更快的节拍设计,因为它们受手腕运动的影响较小。闹钟和厨房定时器的频率通常为每秒4次(14,400BPH)。1970年代之前制造的手表通常每秒跳动5次(18,000BPH)。目前的手表有6(21,600BPH)、8(28,800BPH)和一些每秒10次(36,000BPH)。AudemarsPiguet目前生产的手表摆轮振动频率非常高,达到12次/秒(43,200BPH)。在二战期间,Elgin生产了一款非常精确的秒表,每秒运行40次(144,000BPH),因此获得了“Jitterbug”的绰号。

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摆轮的历史

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最早的摆轮图可能是乔瓦尼·德·唐迪(GiovannideDondi)于1364年在意大利帕多瓦建造的天文钟。摆轮(表冠形状、顶部)的节拍为2秒。在追查说明从他的1364时钟的论文,伊尔逻辑哲学论Astrarii。

摆轮在14世纪的欧洲与xxx批机械钟一起出现,但似乎不知道它首次使用的确切时间和地点。它是foliot的改进版本,这是一种早期的惯性计时器,由一个以中心为轴的直杆组成,两端有重物,来回摆动。对开权重可以在杆上滑入或滑出,以调整时钟的速率。北欧的xxx批钟表使用的是叶轮,而南欧的钟表则使用摆轮。随着钟表变得更小,首先是作为支架钟和笼钟,然后是1500年后的xxx款大型手表,平衡轮开始用于代替叶轮。由于它的更多重量位于远离轴的轮辋上,因此摆轮可以比相同尺寸的叶轮具有更大的惯性矩,并保持更好的时间。车轮形状也具有较小的空气阻力,其几何形状部分补偿了由于温度变化引起的热膨胀误差。

添加游丝

这些早期的摆轮是粗糙的计时工具,因为它们缺少另一个基本要素:游丝。早期的摆轮被擒纵机构推向一个方向直到与擒纵轮上的齿接触的边缘标志滑过齿尖(“逃逸”)并且擒纵机构的动作逆转,将擒纵轮推回另一方向。在这样的“惯性”轮中,加速度与驱动力成正比。在没有游丝的时钟或手表中,驱动力既提供加速轮的力,也提供减速和反转的力。如果驱动力增加,加速和减速都增加,这导致轮子被更快地前后推。这使得计时强烈依赖于擒纵机构施加的力。在手表中,主发条提供的驱动力,通过钟表的齿轮系应用于擒纵机构,在手表运行期间随着主发条的松开而下降。如果没有一些平衡驱动力的方法,手表在上弦之间的运行期间会因为发条失去力而变慢,导致它走时。这就是为什么所有预平衡游丝手表都需要保险丝(或在少数情况下使用stackfreeds)来平衡主发条到达擒纵机构的力,以达到最小的精度。即使使用这些设备,摆轮游丝之前的手表也非常不准确。

摆轮游丝的灵感来自观察到的观察结果,即增加了弹性猪鬃路缘以限制车轮的旋转,从而提高了其准确性。罗伯特·胡克(RobertHooke)于1658年首次在摆轮上应用了金属弹簧,1674年让·德·霍特弗耶(JeandeHautefeuille)和克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens)将其改进为目前的螺旋形式弹簧的加入使摆轮谐波振荡器,每个现代时钟的基础。这意味着车轮以自然共振频率振动或“跳动”并抵抗由摩擦或改变驱动力引起的振动率变化。这项重要的创新极大地提高了手表的精度,从每天几个小时增加到每天10分钟,将它们从昂贵的新奇产品变成了有用的计时器。

温度错误

添加游丝后,剩下的一个主要误差来源是温度变化的影响。早期的手表具有由普通钢制成的游丝和由黄铜或钢制成的摆轮,温度对这些的影响显着影响了速率。

由于热膨胀,温度升高会增加游丝和摆轮的尺寸。弹簧的强度,即它在挠曲时产生的回复力,与其宽度和厚度的立方成正比,与其长度成反比。如果温度升高仅影响其物理尺寸,则实际上会使弹簧更坚固。然而,由普通钢制成的游丝的一个更大的影响是弹性随着温度升高,弹簧金属的强度显着降低,最终效果是普通钢弹簧随着温度升高而变弱。温度升高也会增加钢或黄铜摆轮的直径,增加其转动惯量和转动惯量,使摆轮游丝更难加速。温度升高对游丝和摆轮的物理尺寸的两种影响,游丝的强化和摆轮转动惯量的增加,具有相反的影响,并在一定程度上相互抵消。温度对手表速度的主要影响是游丝随温度升高而减弱。

在没有补偿温度影响的手表中,较弱的弹簧需要更长的时间将摆轮返回到中心,因此“节拍”变慢,手表会浪费时间。FerdinandBerthoud在1773年发现,一个普通的黄铜摆轮和钢游丝,在温度升高60°F(33°C)的情况下,会损失393秒(6+1⁄2分钟)每天,其中312秒是由于弹簧弹性下降。

温度补偿摆轮

18世纪英国法国对天文导航的精确时钟的需求推动了平衡技术的许多进步。即使航海天文钟每天出现1秒的误差,在2个月的航行后也可能导致船舶位置出现17英里的误差。约翰哈里森于1753年首次将温度补偿应用于摆轮,在xxx批成功的航海天文钟H4和H5中使用弹簧上的双金属“补偿限制”。这些实现了每天几分之一秒的精度,但由于其复杂性,没有进一步使用补偿限制。

双金属温度补偿摆轮,来自1900年代早期的怀表。直径17毫米(1)将相反的一对重物移近臂的末端会增加温度补偿。(2)松开辐条附近的重物对会减慢振荡速率。调整单个重量会改变平衡或平衡。

1765年左右,PierreLeRoy设计了一个更简单的解决方案,并由JohnArnold和ThomasEarnshaw改进:Earnshaw或补偿摆轮。关键是使摆轮随温度变化尺寸。如果可以使摆轮在温度升高时直径缩小,则较小的惯性矩将补偿游丝的减弱,从而保持摆动周期不变。

为此,摆轮的外缘由两种金属的“三明治”制成;内侧的一层钢与外侧的一层黄铜融合在一起。这种双金属结构的条带在加热时会向钢侧弯曲,因为黄铜的热膨胀比钢大。轮辋在轮辐旁边的两点处被切开,因此它类似于带有两个圆形双金属“臂”的S形(见图)。这些轮子有时被称为“Z平衡”。温度升高使臂向轮子中心向内弯曲,质量向内移动会降低摆轮的惯性矩,类似于旋转的溜冰者可以通过拉动她的手臂来减少她的惯性矩。转动惯量的这种减少补偿了较弱的游丝产生的减少的扭矩。补偿量通过手臂上的可移动重量进行调整。配备这种天平的航海天文钟在很宽的温度范围内每天的误差仅为3-4秒。到1870年代,补偿天平开始用于手表。

中间温度误差

标准的Earnshaw补偿平衡xxx减少了由于温度变化引起的误差,但并没有消除它。正如JGUlrich首次描述的那样,在给定的低温和高温下,经过调整以保持正确时间的补偿天平在中间温度下每天会快几秒钟。原因是摆轮的转动惯量随着补偿臂半径的平方而变化,因此也随着温度的变化而变化。但弹簧的弹性随温度呈线性变化。

为了缓解这个问题,天文台制造商采用了各种“辅助补偿”方案,将每天的误差减少到1秒以下。例如,此类方案包括连接到摆轮内部的小型双金属臂。这种补偿器只能向着摆轮中心的一个方向弯曲,而向外弯曲会被摆轮本身挡住。受阻运动导致非线性温度响应,可以稍微更好地补偿弹簧的弹性变化。在1850年至1914年之间的年度格林威治天文台试验中,大多数首先出现的天文台表都是辅助补偿设计。由于其复杂性,辅助补偿从未在手表中使用过。


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  1. 摆轮
  2. 摆轮概述
  3. 摆轮的历史
  4. 添加游丝
  5. 温度错误
  6. 温度补偿摆轮
  7. 中间温度误差

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