機械表中的“油箱”:手錶驅動系統發條運行的原理與結構


發條是機心的重要零件,是機心的動力來源,從十五世紀就開始運用於計時工具之上,至今仍然沒有太大的改變。其原理是由發條釋放出來的彈力來驅動輪系運轉,因此發條的品質優劣,關係著計時工具的穩定與否,同時也影響產品的耐久性。


發條以一圈一圈圍繞的方式安裝在發條盒內,轉動表冠上鏈的時候它就會向中心緊縮,隨著機心運作又漸漸向外放鬆。

隨著歷史的演變,現在發條的材質、形狀、與提供能量這些方面,都有了卓越的改善,與當年的發條品質是不可同日而語。


一般的發條長度約在20至40釐米左右,厚度約0.05mm到0.2mm之間,當然這是指一般機心的發條尺寸,但像多日鏈與大型懷錶的發條長度就不限於此。早期的發條因材料問題,除了會導致手錶動力不足之外,還有著容易斷裂、容易生鏽等問題。


發條是機械表的動力來源,裝在發條盒裡面雖然體積不大,但若把發條拉直,甚至可能比一個成人的身高更長。

最早期的發條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發條金屬疲勞,造成斷裂的情況;但依靠人們的努力,這些問題也都慢慢的有所改善。在二十世紀,由於冶金學的進步,容易生鏽的發條已改為合金製作,這對於計時工具的品質有非常大的推進作用。


▲ 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)與上滿鏈後的狀態(右)。

發條品質的提升

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,這是日後製作游絲的最主要材質。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,它主要的金屬成分為(45%鈷+ 21%鎳+ 18%鉻+ 5%鐵+ 4%鎢 + 4%鉬+ 1%鈦),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。因此許多表款的產品介紹,都會將發條型號標明。

常見的有Nivaflex NM、Nivaflex NO、與Nivaflex NE,其品質是以Nivaflex NM為第一等級,通常用於高級手錶以及天文台認證表款。除了材質有所改變之外,另一項改變就是發條的捲曲形狀(下圖),早期的發條都是採用自然捲曲型(A),朝發條盒軸心彎曲,由於製作簡單,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),加長髮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,對於發條能量的提升是相當有幫助的。


▲ 發條形狀


▲ 不斷鏈設計

一般而言,手上鏈的發條上到滿,就會感到無法轉動,如果再上鏈的話,發條會有斷裂之憂;而自動上鏈的發條具有退簧片,因此無法上滿鏈,退簧片會在滿鏈時自動的移位,防止發條斷裂。

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,加大發條盒與延長髮條的長度,這是最簡單的方法。

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,在不更動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。


除了加長髮條的長度之外,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,由於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。



宇舶的MP-05串聯了11個發條盒,擁有非常龐大動力儲存空間,讓整隻腕錶運作的時間長達50天。

朗格Lange 31腕錶,其擁有碩大的發條盒,上滿鏈一次可走31天的超長動力儲存,因發條太長其上鏈時需外部鑰匙插進表底的發條孔內上鏈。

其實,理論上要做到手錶機心的動力儲存50天一點都不難,多加幾個發條盒甚至可以達到100天都可以。難的是狹小的錶殼內部有沒有這個空間可以放?硬是加進去整隻腕錶會變得多厚?最直接的做法是增加發條盒的體積,裝更長的發條進去(有的發條拉直後可是比人還高!)或者把好幾個發條盒串聯成一個圓柱,讓動力儲存在各個發條盒中慢慢釋放。也有人完全不想要增加錶殼體積,選擇用降低振頻、減少耗能的方式讓手錶運作得更久。 (鐘錶界)