產品機械結構分析報告

楊靜嫻

（北京理工大學，北京 100081）

1 概述

機械鐘表是純機械鐘表，設有鬧鐘功能。鬧鐘功能主要有動力系統、機械傳動以及指示系統和鬧鐘系統。整個鐘表整體高度14 cm，寬度為10 cm，鏡面直徑8 cm。外殼通體為金屬。鐘表外殼是由2片金屬殼體擠壓形成彈性變形。外圈金屬管壁連接部位設有1圈壓痕，連接時，壓痕部產生彈性變形，整個圓圈部分受力均勻。殼體通過金屬拉伸制成，上部有3個沖孔形成小孔，使得鬧鐘的鬧鈴與響鈴能與內部結構鏈接。為了固定部件能夠穩定，這2個孔是沖加工而成的。背部沖孔使得各種螺母可以穿出殼體，更穩定支撐，確定機械鐘內部構成各零部件的位置。整體金屬可以保護內部精密結構，金屬特有光澤可以體現機械感冷酷的工業感。鐘表表面是玻璃材質，由機器切割而成。

替代的方案有塑料，塑料易于加工，顏色艷麗，可作為鬧鐘外殼，但塑料剛度強度不夠，與金屬相比并不能很好保護機械鐘內部結構。但塑料柔和的光澤也可以賦予鬧鐘溫馨感，且塑料色彩豐富，應用到了很多鬧鐘產品上。

2 內部結構

2.1 概述

內部結構由動力機構、傳動齒輪組、擒縱結構、指針指示機構（金屬固定板另一邊）組成。動力為機械鐘提供動力，經過傳動齒輪組傳送力量使得擒縱機構進行擺動運動，再由擒縱機構傳能量到擺輪游絲組，游絲反彈彈力使得傳動機構轉動，其中，幾個齒輪帶動指針機構指示時間。

2.2 用戶交互部分

很多需要用戶操作或調節的零件軸都伸出殼體由螺母進行螺紋連接。其中，發條部分（包含鬧鐘發條、時鐘發條）是蝶形螺母，蝶形螺母與手接觸面積大，易于用戶操作，且僅允許單項操作，可以防止誤操作。時分針螺母是過盈連接，螺母上有凹槽，摩擦力使用戶較為省力。因為蝶形螺母占地面積過大，此處再設置蝶形螺母在使用過程中是不便的。鬧鐘部分使用了墊圈可以減震，單一方向的螺母進行螺紋連接。機械鐘使用的是右旋螺紋，普遍易于生產和用戶體驗。

2.3 動力結構

機械鐘的動力結構是由發條、發條軸、發條外鉤組成。發條的彈性形變是機械鐘的動力源，通過上條撥針系使發條旋緊，產生彈力。發條與齒輪直接連接，發條上軸伸出殼體，有蝶形螺母搭配，使得上發條時更省力氣，且只能單向運動，避免操作失誤。與發條連接的齒輪上有凸起和棘爪。棘爪是一片結構復雜的貼片，在上發條過程中棘爪與凸起擠壓摩擦產生摩擦力并且經過凸起會有脆響，使得上發條有明顯感知反饋和聲音反饋，棘爪還可以防止齒輪反轉。

2.4 傳動結構

傳動結構由齒輪組和擒縱結構組成。齒輪組由4個大小不一結構不同的齒輪組成稱為二輪、三輪、四輪。二輪也叫中心輪，是連接第一個齒輪，呈順時針轉動，它將力傳遞到下一個齒輪，且這個輪軸伸出殼體，有一個有凹槽的螺母進行螺紋連接，可以越過動力傳動結構，直接調節指針結構。用戶直接轉動螺母，螺母帶動中間齒輪軸轉動，齒輪軸傳遞到指針輪，進而改變分針位置。齒輪逆時針轉動，第三個銀色齒輪順時針轉動傳遞能量，第四個金色秒輪緊接著逆時針轉動，秒輪直接連接可控制秒針。由于是在金屬固定板兩側，所以，秒輪逆時針轉動秒針順時針轉動；接下來能量繼續傳遞到第五個金色齒輪，是一個擒縱輪，擒縱輪順時針轉動并且與擒縱叉接觸受擒縱叉控制。擒縱叉叉針被擺動使得擺輪游絲組旋轉產生彈性形變，游絲反彈形成反作用力使得擒縱叉擺動使得秒輪轉動形成一個間隔，就是日常生活中看到感受到的“秒”的概念。齒輪均為金屬，由齒輪加工工藝制成，也會有切屑加工工藝。齒輪之間是齒輪連接，與金屬固定板是銷連接。

齒輪組中心輪片到秒輪的齒軸傳動比必須等于60，發條的1小格運動使得中心輪轉整整1圈，中心輪的1小格運動讓二輪轉1圈；以此類推，使得擒縱輪可以轉很多圈，以60的倍數這樣增長，這樣使得上一點發條，第一個齒輪動一點，擺輪可以轉動多次，這樣機械鐘可以運動很長的時間。

擺輪游絲組由游絲、擺軸、擺輪組成，有著固有振動周期擒縱調速系。它具有可以獨立進行振動的、有穩定周期的振動系統，可以起計時功能作用。通過擒縱輪齒和叉瓦（進瓦或出瓦）的作用（擺動）轉變為沖量傳送給擒縱叉；通過擒縱叉的叉口和雙圓盤的沖擊圓盤上的擺釘的相互作用，再將能量反傳給振動系統。擺釘和擒縱叉的喇叭口是保證機構正常工作的保險裝置。游絲是精密的彈簧絲，必須保持其平衡，機械鐘才有可能迅速、一致地運轉。擺輪部件有幾個小孔，不同的機械鐘小孔大小位置不同，是因為擺輪屬于粗加工，削掉一些金屬以保持擺輪平衡。

2.5 指針系統

指針系統中，指針材質是ABS塑料，通過注塑形成。秒針與齒輪直接連接，分針指針與時針指針隨著秒輪轉動而改變。其中，秒輪在表機芯的中央。直接傳動式是經常采用的傳動系之一，在這種傳動方式中，分輪上部有凹槽，分輪依靠摩擦與中心輪管相配合，走針機構的運動由中心輪來帶動。動力系統也是由發條被發條軸固定動力輪進行旋緊使之彈性形變產生能量。傳動系統是由齒輪組組成的。第一個齒輪與發條緊密連接，在發條的水平位置有一個小固體，是一個類似凸輪的不規則圓形，它可以使發條在運動過程中不影響到齒輪傳動系統，也可以讓彈力完美傳輸。

無固有振動周期擒縱調速系統中沒有能夠獨立進行振動的振動系統，這種調速系中的所謂的“振動系統”的往復振動，完全依靠擒縱機構的往復運動。機械鬧鐘中的鬧時系統的擒縱調速系屬于此類。

2.6 鬧鈴部分

鬧鈴的傳聲系統有1個特殊結構的鬧鈴擊打器和2個金屬鈴鐺。當用戶調整時間時，調整紅色齒輪位置，白色齒輪跟隨時鐘轉動。紅色白色齒輪之間有凹槽，當凹槽重合時，紅白齒輪之間間距變短，帶動鬧鈴擊打器向鐘表方向移動，結構上一跟圓弧形鉤子脫離彈性鐵片的束縛，受齒輪轉動獲得能量，不斷左右搖擺，擊打器擊打鈴鐺，產生聲響。用戶在控制面板按下由透明塑料包裹的支撐固件，推動彈片使得彈片重新控制鬧鐘擊打器。在固定板螺紋連接處有葉形彈片，可以減壓，減輕用戶受力感覺。

以上為機械鐘內部結構以及功能分析。

參考文獻：

［1］李婷婷.從日晷到原子鐘：計時工具的演進［J］.力學與實踐，2009，31（01）：96-98.