技術講堂 | 機械表的大心臟——遊絲

王老師 2021/09/25 檢舉 我要評論
 

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遊絲發條是機械鐘錶得以運作的核心,在遊絲被發明之前,機械鐘依靠鐘擺作為振盪器實現能量走時。

17世紀,荷蘭物理學家克利斯蒂安·惠更斯發明的遊絲大幅縮小了鐘錶尺寸。如今,我們常說的遊絲專指擺輪上的遊絲(Balance Spring或者Hair Spring),儘管發條(Barrel Spring)也是遊絲(Spring)的一種。遊絲的出現,是懷錶、腕表出現的基礎,也是擺鐘輝煌時代的終結。

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機心的重要零件

遊絲的能量會隨著機心運行一段時間後,緊緊盤在遊絲軸上的發條會慢慢鬆開,它的能量隨之下降。遊絲從十五世紀就開始運用于計時工具之上,至今仍然沒有太大的改變。其原理是借由遊絲釋放出來的彈力來驅動輪系運轉,因此遊絲的質量優劣,關係著計時工具的穩定與否,同時也影響產品的耐久性。隨著歷史的演變,現在遊絲的材質、形狀、與提供能量這些方面,都有了卓越的改善,與當年的遊絲質量是不可同日而語。一般的遊絲長度約在20至40公分左右,厚度約0.05mm到0.2mm之間,當然這是指一般機心的發條尺寸,多日鏈與大型懷錶就不適用于此。早期的遊絲除了動力不足之外,還有著容易斷裂、容易生銹等問題。根據記載最早期的遊絲需要每天上滿兩次鏈,才能提供足夠的能量,另外頻繁的上鏈動作也容易使遊絲金屬疲勞,造成斷裂的情況;但依靠人們的努力,這些問題如今也都慢慢有了改善。今天的機械表基本上都可以應付的了手動、自動頻繁上鏈的需求。在二十世紀,由于冶金學的進步,容易生銹的發條已改為合金鋼製作,這對于計時工具的質量有了非常大的貢獻。

▲ 發條盒結構

發條盒所含的零件其實相當少,主要分為發條盒、發條盒蓋、發條盒軸心、發條等。

▲ 發條上鏈的狀態,發條在上鏈之前(左)與上滿鏈條後的狀態(右)。

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發條質量的提升

在1933年,Straumann博士在Waldenbourg實驗室研發出不易變形、不易氧化、不易熱脹冷縮的特殊合金- Nivarox,這是日後製作遊絲的最主要材質。同樣的,具有這種特性的合金也適合做為發條,在1952年Nivaflex合金正式發表,它主要的金屬成分由七種元素組成:(45%鈷+ 21%鎳+ 18%鉻+ 5%鐵+ 4%鎢 + 4%鉬+ 1%鈦),這種弱磁性金屬合金具有很好的抗氧化抗變形特性,防斷裂、自動補償、無腐蝕,並具有不錯的熱變形係數,即具備良好的抗溫差性能。

另外針對不同的需求還會增加鈹或者其他金屬,以增加金屬特性。目前大部分的發條,都是以這款合金來製作;總體來看Nivaflex與Nivarox的成分相當接近,不過材質的組成只要有些微的差異,就足以改變其金屬特性。因此許多表款的商品介紹,都會將發條型號登出,常見的有Nivaflex NM、Nivaflex NO、與Nivaflex NE,其質量是以Nivaflex NM為第一等級,通常用于高級手錶以及天文臺認證表款。

除了材質有所改變之外,另一項改變就是發條的捲曲形狀,早期的發條都是採用自然捲曲型(A),朝發條盒軸心彎曲,由于製作簡單,老式的懷錶與發條鐘都採用同樣的設計。其缺點是發條的力量差距過大,穩定的有效能量偏短。因此後期的發條設計在尾端都向外彎曲(B),雖然只是小改變,但卻可以使發條的彈力增加許多。而新一代的發條都採用S型設計(C),加長發條尾端的捲曲度與長度,所以發條的頭跟尾端是朝不同方向捲曲,置入發條盒中,可有效增加扭力的釋放,對于發條能量的提升是相當有幫助的。

▲ 發條形狀

在今天,Nivarox在鐘錶業被廣泛應用,並取代了INVAR合金遊絲成為市場的主流。今天,整個製錶工業中,Nivarox已成為無自產遊絲製錶企業的首選,並成為斯沃琪集團手中的一張王牌,超過95%的瑞士鐘錶品牌及一些非瑞士品牌都在用Nivarox FAR公司的遊絲。正如前文所說,遊絲是一項具有技術壁壘的產品,具備自製遊絲實力的表廠,一般並不外供,于是Nivarox便成為通用遊絲領域的霸主。雖然除了Nivarox依然還有其他一些遊絲生產商比如Altokapa、日本的精工、西鐵城等,但Nivarox之所以稱霸遊絲行業,還在于它極高的性價比。

還有製錶界的新貴,矽遊絲。矽遊絲近些年在高級製錶中不斷普及,並且斯沃琪集團已經開始嘗試著向中低端市場進發,這是現代製錶業對于遊絲材料的全新探索。從金屬合金到非金屬材料,很可能是一次蛻變。暫且不論矽遊絲由誰發明,就目前而言,從頂級品牌百達翡麗、寶璣、雅典等,到我們熟悉的歐米茄,以及親民如美度,都推出了矽材質為基礎的遊絲。

▲ 不斷發條設計

一般而言,機心手動上鏈發條上到滿後,就會感到無法轉動,如果再上鏈的話,發條會有斷了的可能;而自動上鏈的發條具有退簧片,因此無法在上滿鏈後繼續上鏈,退簧片會在滿鏈時自動的移位,防止發條斷裂。

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提高動力儲存設計

除了發條材質與捲曲的形狀有大幅改變之外,在80年代機械表復興之後,許多的新機心都採用較長的動力儲存,或是超過7天的多日鏈設計。一般來說,加大發條盒與延長發條的長度,這是最簡單的方法。

精工Cal.9S55機心

例如精工的Cal.9S55機心,原本動力儲存約在50小時左右,在2007年推出的Cal.9S67,在不更改機心尺寸與輪系排列為前提之下,將動力延長至72小時以上。其作法就是將發條長度由40公分延長到50公分,發條厚度由0.12mm減為0.1mm,避免擴大發條盒的尺寸,同時保有適當的盒內空間,一舉將動力儲存時間延長至三天。

除了加長發條的長度之外,另外增加發條盒數量也是提高儲能的方法之一;現在雙發條盒的設計相當常見,由于雙發條盒的動能傳輸與扭力傳遞都較為溫和,同時增加動力儲存時間,因此可見度提升不少。此外隨著多日鏈的流行,三發條盒、四發條盒的設計也都開始出現。

 

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