机械表

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title: "机械表"
author: "Bartosz Ciechanowski"
source_url: "https://ciechanow.ski/mechanical-watch/"
published_at: "2022-05-04"
fetched_at: "2026-06-16T16:15:28Z"
updated_at: "2026-06-17T01:30:00Z"
language: "zh"
review_status: "draft"
note: "原文是一篇完全交互式的 WebGL 文章（由拖动、滑块等输入实时驱动的 3D 模拟）。下面的中文是围绕这些演示的解说文字；真正可以动手把玩的实时动画无法嵌进静态页面，只存在于原文链接。文中所有提到「演示」「拖动」「滑块」的地方，原文对应的都是一段可交互的 3D 实时演示，请配合文末原文链接阅读。"
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# 机械表

在这个现代便携设备遍地的世界里，可能很难想象，仅仅几十年前，记录时间最方便的方式还是一块机械表。和它们的石英表、智能表兄弟不同，机械表无需任何电池或其他电子元件就能运转。

在这篇文章里，我会讲解原文那个演示中所展示的机芯是怎么运转的。（原文此处是一段可交互的 3D 演示：你可以拖动整个设备来改变观察角度，也可以用滑块窥探内部正在发生什么。）

你在那里看到的东西，叫做**机芯**（movement）—— 机械表的内部部件，通常被包裹在一个金属表壳里。这篇文章我聚焦于机芯本身，因为再漂亮的表壳，也不过是藏起了那些精巧的机械结构，而后者才是真正的主角。

整个机芯有非常多的零件，这篇博客里我会逐一讲解每个零件的用途。制表的世界术语密集，很多部件的名字你可能闻所未闻，但你不必有压力非要记住它们 —— 这些名字和零件都会用**颜色标记**，方便随时对照。

在一块正常运转的表里，许多零件都在持续运动。本文中所有动画默认都是开启的，但如果你觉得它们让人分心、或者想省点电，可以一键暂停接下来的所有演示。

整个机芯虽然零件众多，但任何一块表最核心的功能 —— 计时系统 —— 只由七个主要部件构成，我们可以把它们排成一条直线来看：

它看起来或许平平无奇，但这些零件身上仍有许多有趣的细节，正是它们共同促成了**秒针**以正确的速度转动。我们就从这整套装置的动力来源讲起，开始探索这些细节。

## 动力

纯机械的装置有几种不同的方式为自己提供动力，而储存能量最简单的方法之一，就是用弹簧。我们日常生活中见到的大多数弹簧是**螺旋**弹簧（coil spring）。（原文此处是一段可交互演示：你可以推动连在这种**弹簧**上的**质量块**，看它来回弹动。）

像这样的**弹簧**被压缩时，会储存一些能量，当压缩的张力被撤去时，这些能量便释放出来。机械表通常用的是另一种弹簧 —— 螺旋形的**扭力**弹簧（torsion spring）。这种**弹簧**在被扭转时蓄力，松手后会朝相反方向回弹，最终停在它的自然状态。

在机械表里，我们最终想要的是转动的指针，所以扭力弹簧提供的这种旋转运动就特别有用。一块典型机械表里的**弹簧**形状要更复杂一些 —— 原文中展示了它处于松弛状态的样子。（原文此处可拖动**滑块**，试着把它悬空拧紧，但一松手，它就会弹回原本的形状。）

如你所见，这根**弹簧**相当强劲，它一心想要迅速膨胀开来。为了把这根**弹簧**约束住，我们得把它装进一个叫做**发条盒**（barrel）的壳体里。

进了**发条盒**之后，**弹簧**依然想要膨胀回它原本的状态，但**发条盒**的壁把它挡在了原地。这根**弹簧**就是表的储能装置，它的名字 —— **主发条**（mainspring）—— 正反映了它的重要性。

遗憾的是，**主发条**处于这个状态时，我们没法从它身上获得任何有用的功 —— 它已经膨胀到了可能的最大尺寸。要在它里面储存更多能量，我们得用一根**条轴**（arbor）把它紧紧绕起来；我们先把这根**条轴**装在**主发条**的内侧。

如果你仔细看，**主发条**末端附近有一个小孔 —— 在原文演示的正中央可以看到它。**条轴**上有一个小钩子，正好勾住那个孔。

当**条轴**被转动时，它会带着**主发条**一起转，使其卷紧。（原文此处是一段演示：我们把**发条盒**固定住，你可以拖动滑块来转动**条轴**。）

注意，一旦你松开滑块、放开**条轴**，**主发条**就会立刻把**条轴**反着转回去。这并不是我们想要的 —— 我们想要的是让**发条盒**转动，这样它才能为表的其他部件提供动力。要从**主发条**身上获得有用的功，我们就得一直按住**条轴**，转而在想动用储存的能量时放开**发条盒**。

我们很快就会看到这在实际中是怎么做到的，但现在我们先假设**条轴**被固定住，**主发条**最终带动**发条盒**转动，就像原文那个演示里那样。在结束**主发条**和**发条盒**的话题之前，我们再聊两个让这套机构更可靠的细节。让我再把那根松弛的弹簧调出来：

附在**主发条**上的那条**金属带**为它的外段提供了额外的张力。那条**金属带**一心想弹回它笔直的形状，于是它抵着**发条盒**的壁向外推，制造出大量摩擦，把主发条固定在原地。

当**条轴**带动内段时，这就把**主发条**的外端锁住了。如果我们继续把**弹簧**拧到超过它的最大容量，就会盖过那股摩擦力，让**主发条**在内部打滑 —— 这相当于一个安全机制，防止零件被拧断。

正如我们所见，**主发条**在松弛状态下形成一个 S 形，整条弹簧的曲率各处不同。这有助于它装进**发条盒**后，平衡**主发条**各段的张力。注意，卷紧后的弹簧，内段的半径比外段小得多。如果松弛的弹簧只是一根笔直的金属条，那么卷紧之后，内段被弯曲的程度会远大于外段。而采用 S 形的弹簧，外段也处在相似的张力之下，因为它们想要回到自己那段朝反方向弯曲的弧度。

为了固定住**主发条**、防止灰尘进入，我们用一个能扣进位的盖子把**发条盒**封起来。

我们成功让一些零件转了起来，有人可能会天真地以为，我们直接给**发条盒**装一根**表针**就能用它来计时了。可惜，那行不通 —— 原文的演示里你能亲眼见到这一点。（原文此处是一段演示：你可以看到，当你用滑块把**主发条**拧紧再松手后，这块「表」是怎么表现的。）

我们显然还有不少活儿要干 —— **指针**转得太快了，而且只转了几圈，**发条盒**里的**主发条**就把储存的能量耗尽了。很明显，这套装置没法让我们以任何可靠的方式计时。

如果我们想让表上一次发条就能连续走大约 40 小时，那分针就得在这段时间里转完 40 圈。而且，秒针在这段时间里要转大约 40 × 60 = 2400 整圈。我们需要找到一个办法，把**发条盒**为数不多的转动圈数，转换成指针的大量转动圈数。这就轮到齿轮登场了。

## 齿轮

我之前在这个博客上讲过齿轮，所以这里只非常简短地回顾一下。齿轮可以用来改变两根不同轴之间的转速。（原文此处是一段演示：通过观察我放在每个齿轮上的小圆点，你能看出 —— 由更大的**红色齿轮**带动的**黄色齿轮**，转完一圈所花的时间要少得多。）

两个相互啮合的齿轮，一个重要的方面是它们的齿数。一个齿轮上的每个齿，都会嵌进另一个齿轮的两齿之间的空隙，所以在一个单位时间内，两个齿轮转过的齿数是相同的。如果两个齿轮的齿数不同，它们转完一圈所花的时间就可以不一样。（原文此处可调节主动**红色齿轮**和从动**黄色齿轮**之间的齿数**比**，看它如何影响**黄色齿轮**的转速。）

这两个齿轮本就是为彼此配合而设计的，所以齿数之比就等于齿轮半径之比。当**主动齿轮**的齿数比**从动齿轮**多时，**从动齿轮**转的圈数就比**主动齿轮**多。我们可以利用这个特性，让表的秒针在发条盒转一圈时转上许多圈。

我们来盘算一下这里要做多大的提速。发条盒上一次发条大约能转 7 圈，但我们想让秒针在同样的时间里转完大约 2400 圈。我们需要的齿数之比、或者说半径之比，大约要到 343:1。我们来看看这在实际中会是什么样。（原文此处可用滑块把镜头拉远来看这两个齿轮。）

如你所见，这种比例荒唐至极 —— 为了让**红色齿轮**装进任何尺寸合理的表里，**黄色齿轮**就得小得不像话，而且两个齿轮都得有极其脆弱、微小到肉眼难辨的齿。

机械表的做法是改用一**列**齿轮（gear train），让多个齿轮成对协作 —— 每一对都在一定程度上提一点速。（原文此处的演示中，你能看到参与这一级级减速增速的四个轮，注意大多数转轴上都有两个齿轮，你可以用滑块控制这一整列齿轮的转速。）

**发条盒**充当**第一轮**，它带动**第二轮**，**第二轮**带动**第三轮**，**第三轮**最终带动**第四轮**。注意每个大齿轮都带动一个叫做**小齿轮**（pinion）的更小的齿轮。一个小齿轮和下一个大齿轮装在同一根轴上，这样我们就能在每根轴上接着提速。这种做法有显著的好处 —— 我们能把整套机构做得小得多，而且很快我们就会用其中一个转得较慢的中间轮，去驱动分针和时针。

在结束齿轮这部分之前，我快速提一下它们齿的形状。很多更大型的机器在齿廓上采用渐开线形（involute），而机械表常用的是**摆线**（cycloidal）齿廓 —— 它是由一个圆在另一个圆的表面上滚动得到的。

我们来看看，当我们通过**条轴**给**主发条**上紧、让表跑起来时，我们组装好的这套所谓的**走时轮系**（going train）是怎么运转的：

我们确实达成了让**秒针**在**发条盒**转一圈时转上许多圈的目标，但那根**指针**的转速仍然完全是脱缰的。我们需要找到一个办法，来控制储存在**主发条**里的能量的释放速率 —— 这要靠**擒纵机构**（escapement）来完成。

## 擒纵机构

我们先来看看构成擒纵机构的两个部件 —— **擒纵轮**（escape wheel）和**擒纵叉**（pallet fork）：

注意**擒纵轮**那不寻常的齿形 —— 它和我们之前见过的齿轮很不一样。它的顶部有一个形状规整的齿轮，可以用来转动这个**轮**。

**擒纵叉**本身是金属做的，但注意它末端那两个**淡粉色**的透明部件。这些是用合成**红宝石**做成的**宝石**。这种化合物不仅非常硬、能防止磨损，而且它与钢之间的摩擦系数很低。我们来看看为什么这些特性很重要 —— 观察这两个部件是如何相互作用的：

**擒纵轮**想要朝**红色箭头**所指的方向转动。**擒纵叉**阻止了这个运动，但当我们让那个**擒纵叉**来回摆动时，我们就让**擒纵轮**得以短暂地从那座牢笼里**逃脱**（escape），随即又被再次拦住。

我们过几段会看到这个相互作用的细节，但现在，这套机构让我们仅仅通过把**擒纵叉**从一边拨到另一边，就能控制**擒纵轮**的转动。我们来看看这些部件如何嵌进整套结构的其余部分。（原文此处是一段演示：我已经替你把发条上好了，所以**发条盒**通过齿轮系，最终在试图转动**擒纵轮**；你可以用两个按钮来切换**擒纵叉**的位置。）

主发条想通过转动**擒纵轮**来释放，但**擒纵叉**只允许这件事发生极短的一瞬。由于齿轮减速，**发条盒**的转动几乎看不出来。不过，如果你观察装在**第四轮**上的那根**指针**，就能看到它随着你来回摆动**擒纵叉**而轻轻转动。

这套小小的计时机构现在差不多能用了。这里剩下的最后一个部件，是一个能让**擒纵叉**自动来回摆动的装置。但是，要让表准确计时，这个摆动动作必须以恰当的节奏发生。这就轮到**摆轮游丝**（balance）登场了 —— 它构成了一块表跳动的心脏。

## 摆轮游丝

我们把之前见过的第一根扭力弹簧调出来 —— 回想一下，一旦你把它从原始位置扭转开，它就会来回摆动，过一会儿才停下来：

我们可以通过调节两个参数来控制这种周期性运动的速率。第一个是弹簧的**刚度**，它主要取决于弹簧的高度、厚度和长度，以及它的材质。第二个是质量及其分布 —— 更准确地说，是弹簧所转动的那个物体的**转动惯量**（moment of inertia）。当更多的质量被放在离转轴更远的地方时，转动惯量就会增大。（原文此处可同时调节弹簧的**刚度**和所连质量的**转动惯量**，看这两个参数如何影响转动的周期。）

通过仔细调校这两个参数，我们就能让这个系统以期望的速率振荡。这种“扭力弹簧 + 所连质量”的思路，正是机械表用作精确计时来源的东西。摆轮游丝由连在**游丝**（balance spring）上的**摆轮**（balance wheel）构成。在这块表里，**摆轮**以相当高的频率来回振荡：

在摆轮的底面，你会找到另一颗淡粉色的透明宝石，叫做**圆盘宝石**（jewel roller）。这个零件虽小，却非常重要 —— 当**摆轮**转动时，这颗**宝石**会撞击**擒纵叉**的另一端，进而推动**擒纵叉**来回摆动。我们先来看一个**摆轮**与其他部件相互作用的总览。（原文此处可用滑块把整个过程放慢。）

我们来近距离看看这个相互作用，因为它值得更仔细地端详。（原文此处可在时间轴上来回拖动，看到所有动作逐帧发生。）整个过程的顺序是：**摆轮**正在朝回摆；**圆盘宝石**撞上**擒纵叉**，把它从原位上敲开；**擒纵轮**解锁，推动**擒纵叉**上的那颗**宝石**；**擒纵叉**推动**圆盘宝石**和**摆轮**；**擒纵轮**再次锁住；**摆轮**继续它的摆动。

当**摆轮**摆动时，**圆盘宝石**撞上**擒纵叉**，使**擒纵轮**解锁。一旦解锁，由主发条驱动的**擒纵轮**便推动**擒纵叉**，后者再通过**圆盘宝石**反过来推动**摆轮**本身。这让**摆轮**获得了一些能量，使它不至于过一会儿就停下来 —— 这相当于给一个荡秋千的人推上一把。当**摆轮**摆回来时，它会做同样的动作，只是方向相反。

你可能还注意到了**擒纵叉**末端的**小角**和**摆轮**上那个**带缺口的圆盘**之间一段微妙的共舞。这些部件确保**擒纵叉**只能在恰当的时机换边 —— 这是一个安全机制，防止表在被摇晃或跌落时卡死：

一旦**擒纵叉**让**擒纵轮**解锁，那个轮就得开始飞快地旋转。这就是为什么齿轮系里的齿轮上都开了孔 —— 这能减小它们的转动惯量，好让**发条盒**能更快地把它们加速起来。

还有一点也很重要：齿轮系不仅提高了齿轮的转速，也减小了作用在摆轮游丝上的力。**发条盒**本身转动起来颇为有力，但到了**擒纵轮**那里，**扭矩**已经被大大削减，这就防止了**擒纵轮**以过猛的力道去推**擒纵叉**、进而推**摆轮**。

我们最后再把目前为止造好的整个东西看一遍。我现在让这套机构以它正常的速度运转：

在这块机芯里，**摆轮**每秒完成四次完整的来回摆动，每个周期撞击**擒纵叉**两次，合计每秒 8 次**振动**（beat），即每小时 28,800 次振动。不同的表可能有不同的频率，但它们都让**秒针**每秒钟做许多次微小的转动，这就给了机械表那种指针运动极为顺滑的错觉。

原则上，我们手头这些零件已经足够让表运转起来了，但我们还缺几个细节。更重要的是，我们一直只是把零件悬在空中，是时候开始正经地组装一整套机芯了。

## 主夹板

我们从**主夹板**（mainplate）开始，它构成机芯的主体：

注意它上面有**非常多**不同的开孔 —— 我们会在这篇文章结束前把它们一一填满。那些粉色的元件又是**红宝石**做的**宝石**。它们构成轴承，各个部件的转轴在里面转动。我们来近距离看一颗简单的宝石：

注意一颗**宝石**上有一个小小的凹槽。为了进一步减少转动部件的能量损耗，会在那个凹槽里放上少量特制的油。这种油会附着在**宝石**和在它里面转动的轴上，进一步降低摩擦，让表上一次发条能走得更久，同时也减少那些精密机械部件的磨损。

我们要装到主夹板上的头两个部件是**擒纵轮**和**擒纵叉**：

然后在**擒纵叉**之上盖一块**擒纵叉夹板**（pallet fork bridge）。这块**夹板**托住**擒纵叉**转轴的另一端，并用**两颗螺丝**固定在主夹板上：

注意在这块表里，**擒纵叉**的左右摆动幅度受到**擒纵叉夹板**中央那两个凸块形状的限制：

这确保了**擒纵轮**只能把**擒纵叉**推到一定程度，再往前运动就被这两个凸块从物理上挡住了。

接下来，我们可以把齿轮系的其余部分装进去。四个轮都被巧妙地安排得只占用很小的空间：

注意**第四轮**直接穿过表的中心 —— 你能看到它的轴从另一面探出来。组装到最后，我们会在那根长轴的末端装上一根秒针。为了把所有元件固定到位，我们盖上一块**轮系夹板**（train wheel bridge），它为所有转动部件的轴的另一端提供了安放之处。这块**夹板**用**螺丝**拧在主夹板上，把一切固定住：

最初那套机构里，我们还没装上的、唯一剩下的部件就是摆轮游丝了，它自成一个小小的组件。我们先把所有零件装到**摆轮夹板**（balance bridge）上，把它搭起来：

注意**游丝**非常纤细，**摆轮**最终会把它撑开。正因为它如此纤细，这根**游丝**在英文里常被叫作 hairspring（发丝弹簧）。**黄色**和**青色**的部件都用来调节摆轮游丝的行为。我们来看看它们实际是怎么工作的：

**黄色部件**牢牢地连在**游丝**上，转动它们，我们就能调整**摆轮**及其**圆盘宝石**的静止位置。这确保了**摆轮**摆动的“嘀”和“嗒”两个阶段所花的时间相同。

**青色部件**可以在**游丝**上自由滑动，但它们会减小或增大游丝的有效长度，因为它们阻止了**游丝**尾段的自由振荡。通过调整这些**青色部件**的位置，我们就能改变单次振动的时长，让表走得稍快或稍慢。这种速度调节还能用顶部的**螺丝**来微调 —— 它的螺帽不是居中的，所以拧动它时会轻轻转动那个小小的**青色叉**。

**游丝**由像 Nivarox 这样的特殊合金制成，这种合金能让弹簧的刚度不随温度变化，从而提升整体的计时精度。

摆轮游丝组件的最后一部分是防震机构，它由**外壳**、**两颗宝石**和一根固定一切的**微型弹簧**构成：

这套机构保护**摆轴**（balance shaft）脆弱的尖端，使其在表遭遇突然的猛烈晃动时不致折断。我们来看看当**摆轴**被猛烈摇晃时，这些零件是如何协同工作的：

当表被摇晃时，**轴**的运动被**弹簧**吸收，类似于汽车的悬挂系统。如果晃动非常剧烈，那么**摆轴**上更粗、更结实的部分就会通过**外壳**承担载荷，从而保护脆弱的尖端不被折断。

我们把整个摆轮游丝组件装到目前为止造好的机芯其余部分上。注意**摆轮**轴的另一端也搁在嵌入主夹板的防震宝石上：

完成这最后一步，我们其实就已经把之前看到的、悬在空中的那套表芯核心重新搭建完毕了。不过，你可能还记得，我把“如何确保**主发条**保持上紧状态”这个小细节一笔带过了。我们来看看，如果真的试着用**条轴**给表上发条会发生什么。为了看得清楚，我还在**发条盒**顶部切了个孔，让你能看到里面的**弹簧**：

只要**条轴**被按住，**主发条**就能为表的其余部分提供动力 —— 你能看到装在表另一面**第四轮**上的**秒针**在转动。然而，一旦我们放开**条轴**，**主发条**就找到了一条释放张力的捷径，直接把**条轴**反着转回去 —— **弹簧**迅速失去了它储存的全部能量，表就停了。

为了防止**主发条**自行松开，我们需要约束**条轴**，让它不能逆时针转动，但仍然允许**顺时针**转动，这样我们才能给**弹簧**上紧。这个看似复杂的问题，由一个非常简单、叫做**棘爪**（click）的机构解决 —— 我们来看看它是怎么工作的。

## 棘爪

为了接着往下组装，我们首先得打下一块坚实的地基，也就是**发条盒夹板**（barrel bridge）—— 它把**发条盒**固定到位，并为其他零件提供支撑结构。由于这块**夹板**会让某些区域变得无法触及，我们还要顺手装上一根**小杠杆**，稍后再回来说它：

接着，我们把**棘轮**（ratchet wheel）用**螺丝**拧到**条轴**上。注意**棘轮**有一个方形的开孔，正好对应**条轴**顶部的方形：

这两个相互匹配的方形，会让**棘轮**转动时带着**条轴**一起转。为了看得清楚，我暂时把**螺丝**取掉了：

接下来是这道谜题的三个关键部件。首先，我们把那个小小的**棘爪**放进**发条盒夹板**顶部的开孔里：

在它有限的活动范围内，**棘爪**可以绕着它的小轴来回转动：

谜题的第二块是一根**棘爪弹簧**（click spring）。这一小片金属很有弹性。当我们**捏**住它时，它一心想弹回来：

我们把那根**棘爪弹簧**稍微压紧一点，也把它放进**发条盒夹板**里：

注意，当我们试着转动**棘爪**时，一松手，**棘爪弹簧**就会把它推回原位：

谜题的最后一块是**冠状轮**（crown wheel），它同样落在**发条盒夹板**上。它用一颗**左旋螺纹**的**螺丝**固定在原位 —— 和大多数普通螺丝不同，这颗螺丝是朝**逆时针**方向拧紧的：

注意**冠状轮**的齿是如何与**棘轮**相互作用的。虽然看起来**冠状轮**像是每隔一个齿就缺了一个，但这两个齿轮仍然能啮合并协同工作。**冠状轮**上的那些缺口，让**棘爪**上的小柱子得以落进**冠状轮**的齿与齿之间。

如果我们**逆时针转动冠状轮**，它就会与**棘轮**啮合，给弹簧上紧。注意**冠状轮**的齿最终是怎么把**棘爪**推开的，但一旦有了点空隙，它又会弹回来：

当**棘爪**弹回来撞上**冠状轮**时，会发出一声**咔嗒**（click）声，这就是它名字的由来。

**冠状轮**的逆时针转动让我们得以给主发条上紧，那我们来看看，试着朝相反方向**转动**它会发生什么。（原文此处是一段模拟：注意**冠状轮**的齿是如何与**棘爪**卡住、从而阻止**冠状轮**转动的。）

这套简单的机构让我们能够通过转动**冠状轮**来给主发条上紧。（原文此处可亲自上手操作。）**棘爪**还防止了主发条自行松开 —— 这就是为什么你没法把滑块拖回去，除非重启整个模拟。

表另一面的**秒针**展示了秒是如何被记录的，但一块能用的表还应该显示分和时。我们来看看这块机芯是如何用一组齿轮 —— 也就是所谓的**传动机构**（motion works）—— 来达成这些目标的。

## 传动机构

在我们这块机芯里，秒针被巧妙地装在了动力系统的第四轮上，因为那个轮以很高的精度每分钟转一圈。为了让分针以正确的速度转动，我们需要**某根**轴以比它慢 60 倍的速度转动。所幸，这块机芯的设计者用了一个巧妙的办法，从其他齿轮那里借来了一部分减速。

如果你仔细看，会发现表另一面**第三轮**的那个小齿轮，通过一个小开孔露了出来。我们可以在表的中心装上一个带**驱动轮**的**筒状小齿轮**（cannon pinion），让那个**驱动轮**与那个**小齿轮**啮合：

当那个**第三轮**转动时，它带动**驱动轮**、进而带动**筒状小齿轮**。把分针装在那个**筒状小齿轮**上，我们就能记录流逝的分钟 —— 所有参与的齿轮的齿数都经过精心计算，以达成相对秒针减速 60 倍的目标。

（原文此处是一段演示，展示能正常工作的秒针和分针：滑块让你能控制时间流逝的速度，这样你就不必太有耐心地干等指针改变位置了。）

时针本身需要比分针慢 12 倍地转动，但我们用两个额外的齿轮就能轻松做到。中间的**分轮**（minute wheel）与**筒状小齿轮**啮合，而**时轮**（hour wheel）与那个**分轮**的小齿轮啮合：

**时轮**能在**筒状小齿轮**上松松地转动，这样两者就能彼此独立地转动。把时针装在那个**时轮**上，我们就能完成驱动表针这套机构的组装了。我还装上了一个标着十二个小时刻度的**表盘**（dial）—— 它真正让我们能读出指针所指示的时间：

计时是每一块表最根本的功能，但许多设备会在此之外，添加各种被称为**复杂功能**（complications）的附加特性。我们这块机芯虽不算精密，但它仍有一个不错的复杂功能，能在表盘右侧那个小窗口里显示当前是几号。我们来看看这个功能是怎么实现的。

## 日历

这块表里的日历机构由四个主要部件构成 —— **跳簧**（jumper spring）、**指示齿轮**（indicator gear）、带**齿轮**的**日历跳板**（date jumper plate），以及那个印着全部 31 天的大日历环：

为了讲清楚这套机构是怎么工作的，我先把所有无关的零件藏起来。我还会把**指示齿轮**的盖子取掉，露出藏在它里面的一根**小扭力弹簧**。我们来看看当**时轮**转动时，这些零件是如何协同工作的。（原文此处可用滑块在时间里来回拨动。）

当**时轮**转动时，它带动**日历跳板**里的**齿轮**。那个**齿轮**的另一面接着带动**指示齿轮**和连在它上面的**扭力弹簧**。那根**弹簧**钩住日历环上的一个齿并被绷紧，但到某个点上，它会开始把日历环往前推。当环转得足够多时，**跳簧**便迅速地把环弹到下一个位置。

你可能会纳闷，我们一开始为什么需要这么复杂的机构。有人可能会天真地以为，我们可以直接把日历环的转动和**时轮**的转动绑在一起，就像我们让**时轮**与分钟同步转动那样，只不过速度更慢。可惜，这会让当前的日期在表盘那个小窗口下面**持续不断地**转动，让人很难看清。（原文此处的演示左侧可以看到这种表现。）

在右侧，你能看到由我们刚刚造好的那套机构驱动的日历指示 —— 日期只在午夜前后才变。你可能已经意识到，我们这块机芯的日历追踪并不怎么聪明。这块表每个月都一律按 31 天来数，所以遇到比较短的月份之后，我们得手动把日期往前拨一天。此外，如果表已经有一阵子没走了，时间本身可能也设得不对。我们需要找到一个办法，来调整表上的日期和时间。

所幸，驱动分针、时针和日历指示的齿轮全都连在一起，所以我们只需转动**一个齿轮**就能调整一切。为了看得清楚，我暂时把**时轮**藏起来：

注意，当我们转动**分轮**时，只有**筒状小齿轮**在转。那个**小齿轮**紧紧地嵌在它的**驱动齿轮**里 —— 通常它会随那个**齿轮**一起转。然而，当**驱动齿轮**因为被齿轮系的其余部分挡住而无法转动时，**筒状小齿轮**就能盖过这种紧配合的摩擦，自己单独转动。这让我们能够设置时间，而不去干扰齿轮系 —— 否则可能会弄坏那些精密的零件。

装上**时轮**后，转动**分轮**也会设置小时，而且，如果你把那个**齿轮**转得够久，还会设置日期：

我们的表每走一步都更完整了，但前路上仍有几处不便。要改时间、要给主发条上发条，我们都得转动机芯内部的齿轮，而这些齿轮通常是安全地藏在表壳里面的。

此外，每逢一个不足 31 天的月份，我们目前都得去拨一下时间设置，因为那是调整日期的唯一办法。理想情况下，我们该找到一个办法，把日期和时间分开来设置。

为了解决这些问题，我们要组装**无钥上弦机构**（keyless works），它能让我们一举化解所有这些麻烦。

## 无钥上弦机构

首先，我们来看看**表冠**（crown）—— 操作这块表的主要接口 —— 以及连在表冠上的**柄轴**（stem）：

表冠松松地坐在表的外侧，由用户直接触碰。注意柄轴的一部分是方形横截面。柄轴上还带着两个额外的部件 —— **上弦小齿轮**（winding pinion）和**滑动小齿轮**（sliding pinion）。我们先把它们套上去，看看是怎么配合的：

**上弦小齿轮**有一个圆形的开孔，所以它能在**柄轴**上轻松转动。然而，**滑动小齿轮**的开孔是**方形**的，与**柄轴**上方形那一段对齐。这种方形的互锁，使得**滑动小齿轮**会随着**表冠转动**而跟着**柄轴**一起转：

我们把这些零件放进主组件里。为了不碍事，我暂时把日历环取掉了：

注意**上弦小齿轮**与表另一面的**冠状轮**啮合。要真正转动**上弦小齿轮**，我们得先把**滑动小齿轮**一路推向它 —— 我用下面的**蓝色箭头**来象征这股推力。如果我们现在**转动表冠**，**上弦小齿轮**和**滑动小齿轮**相邻表面那相互匹配的形状，就会让它们互锁起来。最终，我们便能通过**顺时针转动表冠**来转动**冠状轮**以及主发条上弦机构的其余部分：

然而，如果我们朝**另一个**方向**转动**表冠，相邻表面的形状会把**滑动小齿轮**推开，因为**冠状轮**、进而**上弦小齿轮**，都没法朝相反方向转动。这个安全机制确保了，无论你朝“错误”方向多用力地转表冠，都不会弄坏机芯。

看起来我们似乎已经达成了“只需**转动表冠**就能给弹簧上紧”的目标。可惜，我们还有一个小问题要解决 —— 我们需要某个东西来真正施加那股把**滑动小齿轮**推向**上弦小齿轮**的力。

此外，在某些情况下，我们希望**表冠的转动**能服务于不同的目的。除了给主发条上弦，在我们这块表里，我们还想能够调整日期，以及单独地调整时间。我们将通过把表冠拉出、推入来选择这三个动作中的每一个。

我们来造一套能解决这些问题的机构。首先，我们把**校正杆**（corrector lever）和**拉档**（setting lever）装到位：

如果我们现在把表冠**拉出**、**推入**，这些零件就会绕着它们的小枢轴转动，彼此之间有一套相当复杂的相互作用：

有其他零件挡着，可能很难看清在发生什么，所以我们单独来看这几个部件。（原文此处可用滑块把表冠**拉出**、**推入**，注意其中精巧的互锁。）

**柄轴**上的一道凹槽最终会与**拉档**上的一个**小柱子**锁在一起，使**拉档**随着**表冠被拉动**而转动。**拉档**上的**另一个小柱子**最终会推动并钩住**校正杆**，让它也跟着转动。

到目前为止这套机构还没做什么有意思的事，所以我们在**校正杆**上面装上**拨轮**（setting wheel）：

那个**轮**能在它的柱子上自由活动。如果我们现在把表冠**拉出**、**推入**，就能看到**拨轮**与传动机构啮合上了：

转动那个**拨轮**，我们就能设置表上的时间，但要转动那个**轮**，我们得把**滑动小齿轮**滑向它，这样**表冠的转动**和连着的**滑动小齿轮**才能转动**拨轮**：

这带来一个挑战 —— 我们需要控制**滑动小齿轮**的位置，以便根据不同的模式，要么去啮合**上弦小齿轮**给主发条上弦，要么去啮合**拨轮**来设置时间。这就轮到**离合杆**（yoke）登场了：

在下面的特写里你能看到，**离合杆**嵌进**滑动小齿轮**上的凹槽里，所以当**离合杆**绕着它的枢轴转动时，它会把**滑动小齿轮**推进、推出，让它**滑动**。此外，当我们**拉动表冠**时，**离合杆**本身又被**拉档**推动：

这套小机构我们差不多搞定了，只需把一些小细节收个尾。首先，我们想把所有脆弱的零件固定在原位 —— 眼下没有任何东西能阻止它们从精心安放的位置上掉下来。其次，当我们**拉动表冠**时，它的运动中没有任何明显的卡位 —— 转动表冠时我们可能会不小心改变当前的模式。最后，当我们把**表冠一路推到底**、切回上弦模式时，我们希望**离合杆**能可靠地回到它的初始位置。这就轮到**拉档簧**（setting lever jumper）登场了 —— 它一举服务于以上三个目的：

那个零件用**螺丝**拧在主夹板上，防止其他零件掉出来。它那些大大小小的臂和脚也帮着把零件们压住。我们来看看**拉档簧**是如何帮我们解决另外两个问题的。注意我用**灰色箭头**指出的那三道小凹槽：

当我们把表冠**拉出**、**推入**时，**拉档**上的**小柱子**最终会卡进那三个位置中的某一个。要在这几道凹槽之间跳动，那个**小柱子**就得把**拉档簧**的长臂掰弯，由此产生的张力会把那个**小柱子**推进最近的凹槽里。我们最终得到了三个明确的位置，所有零件都能稳稳地停在其中之一 —— 一旦锁定，我们就能可靠地转动表冠，而不必担心不小心改变了当前的模式。

最后，在**拉档簧**的另一端，我们还有一段细薄的部分，它被绷紧着抵住**离合杆** —— 我用一个**灰色箭头**指出它的位置：

当**离合杆**转动时，那片有弹性的金属一心想把**离合杆**转回来。当表冠处于日期或时间设置模式时，**拉档**会阻止**离合杆**回来，但一旦我们切回上弦模式，**拉档簧**里的那股弹力就会把**离合杆**转回去，使**滑动小齿轮**也跟着退回原位。

这里其实还有一个巧妙的小设计，一直明摆着藏在眼前。如果你还记得，在开始处理上弦机构之前，我们就在主夹板上装了一根小**杠杆**。那根**杠杆**短的一头嵌进**滑动小齿轮**的凹槽里。当我们**拉动表冠**、移动**滑动小齿轮**时，那根**杠杆**就转动：

当转到底时，那根**杠杆**会蹭住**摆轮**、阻止它运动 —— 这就让表停了下来。于是，当我们把**表冠一路拉出**、进入时间设置模式时，那根**停止杆**（stop lever）便挡住**摆轮**，以一个叫做**停秒**（hacking）的动作让表停下。这让我们能够设置时间，而秒针不会在同时自顾自地走动，从而有助于更精确地校准时间。

我们把所有参与的零件都装到位，最后再把这整套机构的功能看一遍。当表冠被一路推到底时，它的**转动**会带动**滑动小齿轮**，后者转动**上弦小齿轮**，再带动**冠状轮**，最后带动**棘轮**给主发条上弦：

当表冠被一路拉出时，它的**转动**会带动**滑动小齿轮**、**拨轮**，进而带动**分轮**、**时轮**和隐藏的**筒状小齿轮**，让我们得以设置时间：

最后，当表冠被推到大约一半的位置时，我们就进入了日期设置模式，但要看它工作，我们还得装上一个额外的、嵌进主夹板小凹槽里的**日历校正器**（date corrector）：

注意**日历校正器**能在那道凹槽里自由地上下滑动。如果我们现在把表冠拉到中间位置并**转动**它，最终就会转动那个**日历校正器**，它随即能与日历环内侧的齿啮合。**日历跳簧**确保我们把日历环锁定在一个有效的位置上：

就我个人而言，我觉得这整套被称为**无钥上弦机构**的东西是一个真正的机械奇迹。这些精巧的相互作用平衡得如此之好，每个零件都身兼数职。早先的怀表是用一把单独的钥匙来上弦的，表冠只用来设置时间，但现代的表不靠上弦钥匙也能搞定，这就解释了**无钥**（keyless）这个名字。仅靠几个精心成形的零件和一个表冠，我们就能控制表的各种设置。在继续往下之前，我们用**分轮系夹板**（minute train bridge）把剩下的零件固定住：

我们离造好整套机芯只差一点了。我们要组装的最后一个部件，会让表在我们四处走动时自动给自己上弦。

## 自动上弦

当佩戴者一整天挥动手臂时，那块表在空间中的朝向会变化相当大。哪怕只是悠闲地散个步，表相对于地面也会轻微摆动。通常，用于移动表的所有能量都白白浪费掉了，但自动上弦机构设法捕获了其中一部分，用来给主发条上弦。

我们先通过把整套自动上弦机构装到表上，来理解它的核心思路。它最主要的部件是那个能绕中心自由转动的**摆陀**（weight）。当那个**摆陀**转动时，它带动**一组齿轮**，其中**最后一个**连到**棘轮**上，而棘轮用来给藏在**发条盒**里的主发条上弦：

**摆陀**能自由转动这一点在这里至关重要。（原文此处是一段演示：你可以拖动整块表、让它在空间里转动，看看**摆陀**会发生什么。重力朝向本网站的下方 —— 它总是把**摆陀**往下拉，使它相对于表的其余部分转动。）

如果你还记得我们关于上弦的讨论，你或许记得**棘轮**只能朝一个方向转动，棘爪阻止了主发条自行松开。然而，**摆陀**能来回摆动，按理说，任何连到那个**摆陀**上的齿轮系统也都会朝两个方向转动。

如果你单看自动上弦机构本身，会看到一件不寻常的事 —— 当你用滑块来回转动**摆陀**时，**输出齿轮**却只朝**一个**方向转。我在那个**齿轮**上点了一个小小的**黑点**，方便看清：

为了理解这是怎么做到的，我们先来看看这套机构里涉及的所有零件：

**绿色齿轮**直接连在**摆陀**的底部，所以当**摆陀**转动时，那个**齿轮**会转动**黄色齿轮**底面的**两个蓝色**齿轮。这套结构的大部分都和我们之前见过的、由夹板固定的齿轮类似。不过，你可能已经猜到，成双成对的**黄色**和**蓝色**齿轮才是这里魔法的关键所在。我们来看看它们是怎么构造的：

**蓝色齿轮**能在**黄色齿轮**上自由转动，而那些鱼形的**杠杆**也能穿过**蓝色齿轮**上的孔、绕着它们的轴转动。注意**黄色齿轮**的内部有一个特别的形状。（原文此处是一段演示：我把**蓝色齿轮**中央的大部分去掉了，好让你看清里面在发生什么；你可以用滑块来回转动那个**齿轮**，看零件如何相互作用。）

注意当你**逆时针**转动**蓝色齿轮**时，那些**杠杆**只是从**黄色齿轮**的内部滑过。然而，当你**顺时针**转动**蓝色齿轮**时，其中一根**杠杆**会被卡住，开始带着**黄色齿轮**一起转。这个巧妙的机构只朝一个方向把动力从**蓝色齿轮**传给**黄色齿轮**。

自动上弦组件包含**两个**这样的齿轮 —— 一个在顺时针转动时驱动**输出齿轮**，另一个在逆时针转动时驱动那个**齿轮**。（原文此处是一段演示：你可以看到转动连在摆陀上的那个**齿轮**时会发生什么。为了便于观察，我把所有不起作用的零件都去掉了。）

注意，只有当一对**黄色**和**蓝色**齿轮**正在**把动力从**摆陀齿轮**直接传给**输出齿轮**时，我才把它高亮出来。每次只有一对是激活的 —— 另一对要么空转，要么充当一个中间环节来改变转动方向，以确保**输出齿轮**总是朝着给弹簧上弦的方向转。

注意**输出齿轮**相对于连在摆陀上的那个**齿轮**只转了一点点，所以要把主发条完全上满，得挥动好多次手臂。不过，在一整天的过程里，自动上弦机构通常能确保主发条保持上紧。

## 一切的尺寸

到目前为止的所有例子里，我们都享受着在相当大的放大倍率下观察这些零件的舒适，但在下面这最后一个演示里，你终于能看到所有部件有多么微小了。（原文此处可拖动滑块来改变观察的尺寸。）

环绕着表的那个圆角矩形，对应一张信用卡的大小 —— 如果你手边正好有一张，可以把它放到屏幕上，拖动滑块，直到那张卡正好嵌进那个轮廓里。但愿这能真切地让你感受到，我们谈论过的所有零件有多么小。

## 延伸观看与阅读

有许多 YouTube 频道专门讲机械表，但我特别喜欢 [Wristwatch Revival](https://www.youtube.com/c/WristwatchRevival/videos)，它专门修理坏掉的表，这往往涉及把一整套机芯彻底拆解，再修复或更换损坏的零件。虽然作者并非专业制表师，但视频信息量很大，看起来也非常享受。

George Daniels 写的 [《Watchmaking》](https://www.amazon.com/Watchmaking-George-Daniels/dp/0856677043) 是一本专讲如何从零**制作**手表的书。虽然鲜有人会真的踏上这段旅程，但这本书也讲解了设计一套机芯及其零件时所需的诸多考量。书中许多页都配有相当专业的技术插图，帮助阐释那些概念。

## 结语

20 世纪 70 年代，机械表开始被石英表赶下王座，后者靠电子方式计数石英晶体的振动来记录时间。随着技术进步，典型的表只是越来越依赖数字电路。现代那些智能化身，只在外形和戴在手腕上这一点上还像它们的原型。

机械表不如数字表精确。它们需要保养，也更脆弱。尽管有这么多缺点，这些设备却展现出一种**真正的**工程造诣。凭借对微型齿轮、杠杆和弹簧的创造性运用，一块机械表从它沉睡的零件中苏醒，变得真正鲜活起来。