产品机械结构分析报告

杨静娴

（北京理工大学，北京 100081）

1 概述

机械钟表是纯机械钟表，设有闹钟功能。闹钟功能主要有动力系统、机械传动以及指示系统和闹钟系统。整个钟表整体高度14 cm，宽度为10 cm，镜面直径8 cm。外壳通体为金属。钟表外壳是由2片金属壳体挤压形成弹性变形。外圈金属管壁连接部位设有1圈压痕，连接时，压痕部产生弹性变形，整个圆圈部分受力均匀。壳体通过金属拉伸制成，上部有3个冲孔形成小孔，使得闹钟的闹铃与响铃能与内部结构链接。为了固定部件能够稳定，这2个孔是冲加工而成的。背部冲孔使得各种螺母可以穿出壳体，更稳定支撑，确定机械钟内部构成各零部件的位置。整体金属可以保护内部精密结构，金属特有光泽可以体现机械感冷酷的工业感。钟表表面是玻璃材质，由机器切割而成。

替代的方案有塑料，塑料易于加工，颜色艳丽，可作为闹钟外壳，但塑料刚度强度不够，与金属相比并不能很好保护机械钟内部结构。但塑料柔和的光泽也可以赋予闹钟温馨感，且塑料色彩丰富，应用到了很多闹钟产品上。

2 内部结构

2.1 概述

内部结构由动力机构、传动齿轮组、擒纵结构、指针指示机构（金属固定板另一边）组成。动力为机械钟提供动力，经过传动齿轮组传送力量使得擒纵机构进行摆动运动，再由擒纵机构传能量到摆轮游丝组，游丝反弹弹力使得传动机构转动，其中，几个齿轮带动指针机构指示时间。

2.2 用户交互部分

很多需要用户操作或调节的零件轴都伸出壳体由螺母进行螺纹连接。其中，发条部分（包含闹钟发条、时钟发条）是蝶形螺母，蝶形螺母与手接触面积大，易于用户操作，且仅允许单项操作，可以防止误操作。时分针螺母是过盈连接，螺母上有凹槽，摩擦力使用户较为省力。因为蝶形螺母占地面积过大，此处再设置蝶形螺母在使用过程中是不便的。闹钟部分使用了垫圈可以减震，单一方向的螺母进行螺纹连接。机械钟使用的是右旋螺纹，普遍易于生产和用户体验。

2.3 动力结构

机械钟的动力结构是由发条、发条轴、发条外钩组成。发条的弹性形变是机械钟的动力源，通过上条拨针系使发条旋紧，产生弹力。发条与齿轮直接连接，发条上轴伸出壳体，有蝶形螺母搭配，使得上发条时更省力气，且只能单向运动，避免操作失误。与发条连接的齿轮上有凸起和棘爪。棘爪是一片结构复杂的贴片，在上发条过程中棘爪与凸起挤压摩擦产生摩擦力并且经过凸起会有脆响，使得上发条有明显感知反馈和声音反馈，棘爪还可以防止齿轮反转。

2.4 传动结构

传动结构由齿轮组和擒纵结构组成。齿轮组由4个大小不一结构不同的齿轮组成称为二轮、三轮、四轮。二轮也叫中心轮，是连接第一个齿轮，呈顺时针转动，它将力传递到下一个齿轮，且这个轮轴伸出壳体，有一个有凹槽的螺母进行螺纹连接，可以越过动力传动结构，直接调节指针结构。用户直接转动螺母，螺母带动中间齿轮轴转动，齿轮轴传递到指针轮，进而改变分针位置。齿轮逆时针转动，第三个银色齿轮顺时针转动传递能量，第四个金色秒轮紧接着逆时针转动，秒轮直接连接可控制秒针。由于是在金属固定板两侧，所以，秒轮逆时针转动秒针顺时针转动；接下来能量继续传递到第五个金色齿轮，是一个擒纵轮，擒纵轮顺时针转动并且与擒纵叉接触受擒纵叉控制。擒纵叉叉针被摆动使得摆轮游丝组旋转产生弹性形变，游丝反弹形成反作用力使得擒纵叉摆动使得秒轮转动形成一个间隔，就是日常生活中看到感受到的“秒”的概念。齿轮均为金属，由齿轮加工工艺制成，也会有切屑加工工艺。齿轮之间是齿轮连接，与金属固定板是销连接。

齿轮组中心轮片到秒轮的齿轴传动比必须等于60，发条的1小格运动使得中心轮转整整1圈，中心轮的1小格运动让二轮转1圈；以此类推，使得擒纵轮可以转很多圈，以60的倍数这样增长，这样使得上一点发条，第一个齿轮动一点，摆轮可以转动多次，这样机械钟可以运动很长的时间。

摆轮游丝组由游丝、摆轴、摆轮组成，有着固有振动周期擒纵调速系。它具有可以独立进行振动的、有稳定周期的振动系统，可以起计时功能作用。通过擒纵轮齿和叉瓦（进瓦或出瓦）的作用（摆动）转变为冲量传送给擒纵叉；通过擒纵叉的叉口和双圆盘的冲击圆盘上的摆钉的相互作用，再将能量反传给振动系统。摆钉和擒纵叉的喇叭口是保证机构正常工作的保险装置。游丝是精密的弹簧丝，必须保持其平衡，机械钟才有可能迅速、一致地运转。摆轮部件有几个小孔，不同的机械钟小孔大小位置不同，是因为摆轮属于粗加工，削掉一些金属以保持摆轮平衡。

2.5 指针系统

指针系统中，指针材质是ABS塑料，通过注塑形成。秒针与齿轮直接连接，分针指针与时针指针随着秒轮转动而改变。其中，秒轮在表机芯的中央。直接传动式是经常采用的传动系之一，在这种传动方式中，分轮上部有凹槽，分轮依靠摩擦与中心轮管相配合，走针机构的运动由中心轮来带动。动力系统也是由发条被发条轴固定动力轮进行旋紧使之弹性形变产生能量。传动系统是由齿轮组组成的。第一个齿轮与发条紧密连接，在发条的水平位置有一个小固体，是一个类似凸轮的不规则圆形，它可以使发条在运动过程中不影响到齿轮传动系统，也可以让弹力完美传输。

无固有振动周期擒纵调速系统中没有能够独立进行振动的振动系统，这种调速系中的所谓的“振动系统”的往复振动，完全依靠擒纵机构的往复运动。机械闹钟中的闹时系统的擒纵调速系属于此类。

2.6 闹铃部分

闹铃的传声系统有1个特殊结构的闹铃击打器和2个金属铃铛。当用户调整时间时，调整红色齿轮位置，白色齿轮跟随时钟转动。红色白色齿轮之间有凹槽，当凹槽重合时，红白齿轮之间间距变短，带动闹铃击打器向钟表方向移动，结构上一跟圆弧形钩子脱离弹性铁片的束缚，受齿轮转动获得能量，不断左右摇摆，击打器击打铃铛，产生声响。用户在控制面板按下由透明塑料包裹的支撑固件，推动弹片使得弹片重新控制闹钟击打器。在固定板螺纹连接处有叶形弹片，可以减压，减轻用户受力感觉。

以上为机械钟内部结构以及功能分析。

参考文献：

［1］李婷婷.从日晷到原子钟：计时工具的演进［J］.力学与实践，2009，31（01）：96-98.