（苏）B.H.∏ИПyЬIрOB著  张遐龄 译

惠更斯之后摆钟擒纵机构在英国的完善


公元1659年，惠更斯摆钟被引入了英国。英国钟表匠很快就看出了这只钟走时不稳定的原因。由于枢轴式擒纵机构的存在，就是振动在20~30小弧度时（甚至应用特殊办法来限制摆幅），也不可能取得摆的等时振动。曾经确立：长的和重的摆，走时爱偶然的破坏较小，在小弧度下振动，比短和和轻的摆更适用于制造钟。只有在保留枢轴式擒纵机构的钟里，才有应用短的和轩的摆的可能。由此出现了需要制造能保证在小弧度振动时，应用长的和重的摆的钟的问题。为了解决这个问题，从公元1660年起，罗别尔特•虎克（Pоберт Гука）在皇家协会开始进行研究。

公元1671年前，在英国发明了与枢轴式擒纵机构不同的、新的摆钟锚式擒纵机构。公元1671年，维利亚姆•克列敏特（ВилbЯм Kлeмент）制造出来装有这样新的擒纵机构和长的和重的摆的钟，它一直保留到今天（现存伦敦科学博物馆）。然而在文献中，关于锚式擒纵机构与长的和重的摆的摆钟的发明，常常只写克列敏特，而不提虎克的名字，显然是不对的。

在英国发明锚式擒纵机构之后，制造精密摆钟取得了很大的成绩，因此，英国获得了世界性的荣誉。许多钟表匠，特别是托马斯•托姆皮昂（Томас Томпион）和格奥尔格•格拉哈姆，在活着的时候，就已经享盛名，成为皇家协会的成员。

锚式擒纵机构早期阶段（钩形擒纵机构）在摆钟里第一个实际应用锚式擒纵机构的，是英国钟表匠维利亚姆•克列敏特（公元1640-1696年），在公元1670年。钟的摆长9.5米，每分钟振动48次。托马斯•托姆皮昂（公元1638-1713年），被公平地认为是“英国钟表制造之父”，他将锚式擒纵机构用于自己的两个摆钟——它们用在公元1676年投入使用的格林威治皇家天文台。钟的摆长4米，振动周期2秒。实际上确立了，制造摆钟最好采用秒振动周期。

克列敏特钟里用的锚式擒纵机构，也以钩形擒纵机构名字而著称（图1）。这里，擒纵轮1已具有现代的形状，齿位于半径方向上。在克列敏特的钩形擒纵机构中，用擒纵叉2代替了装有卡瓦的杆，擒纵叉刚性地装在摆叉轴上，与擒纵轮齿相互作用。擒纵叉按形状类似带有卡瓦的卡规，端部分为两个倾斜的平面（3、4），在平面的端部有冲面，或者是与擒纵轮齿能够接触的卡瓦。

图1-克列敏特钩形或后退式擒纵机构 
1-擒纵轮；2-擒纵叉；3-进瓦； 4-出瓦；5-叉子；6-摆的悬挂弹簧

钩形擒纵机构的发明，创造了如下的可能：首先，在同样上弦力的情况下，可以应用比在枢轴式擒纵机构中更长更重的摆；第二，不用采取任何辅助措施，就可以大大小小减小摆的振幅。克列敏特的另一巨大功劳是，发明了钢质悬挂弹簧，用以代替丝质悬挂。装有钩形擒纵机构和悬挂弹簧的钟，比装有枢轴式擒纵机构的钟，走时要好得多。

图2和图3分别给出了克列敏特的塔钟（公元1671年）和他的落地钟（1685年）。它们装有秒摆和钩形擒纵机构。
 
克列敏特之后，钩形擒纵机构在短摆和摆幅较大的（红100-150）钟里，也得到了应用。在这样摆的非等时性的摆幅下，走时已达到了相当大的误差，但由于应用了钩形擒纵机构，在相当大的程度上修正了它。

摆钟的格拉哈姆锚式擒纵机构对于很精确的摆钟，不允许擒纵轮倒转。托姆皮昂的学生—格奥格尔•格拉哈姆（公元1678-1751年）于公元1715年在伦敦发明的改进了的锚式擒纵机构，适应了这个要求。这个擒纵机构的发明，在精密计时发展中，是非常重要的一步。这个机构不仅消除了擒纵轮倒转，而且进一步减小了摆的振幅和不需要的阻力。格拉哈姆以非凡的、高超的钟表技艺制造了走时精度为0.1秒的钟。在格拉哈姆之后的几乎二百年的时间里，这只钟的走时仍然是很好的，作为天文钟在天文台一直使用，几乎中直到公元1890年装有自由式擒纵机构的利弗列尔（Рифлер）种出现为止。

格拉哈姆擒纵机构从出现之时起，就受到了各种形式的改变。在许多钟表匠的改型中，都找到了修改的具体表面。公元19世纪，英国比较好的钟，都是用格拉哈姆擒纵机构。在欧洲大陆和俄罗斯，制造比较好的、带有温度补偿的摆钟，也都用格拉哈姆擒纵机构。这些钟经常是以“调速器”和名字而著称。到现在格拉哈姆擒纵机构还用于制造小型塔钟。如果使用这种擒纵机构，并且将钟制造得很好，可以在很长时间里保证很好的走时稳定性。

格拉哈姆擒纵机构（图4），从外表来看，与钩形擒纵机构或者与克列敏特后退式擒纵机构没有什么大的区别。
 
在格拉哈姆的钟里，摆的振动是在小弧度或小摆幅下进行的，因此，擒纵叉升角不应该大于20，，最好为1.50。

由于在格拉哈姆擒纵机构中应用了这种形状的卡瓦，即工作面分为锁面和冲面，擒纵轮在传冲摆轮之后停在锁面上，或者是它的齿落在锁面上，而不是落在卡瓦的倾斜面上，象在克列敏特后退式或钩形擒纵机构那样。位于进瓦或出瓦锁面上的擒纵轮齿，给擒纵叉轴传递与擒纵轮上力矩成比例的制动力矩。

了解下列情况是非常重要的：在克列敏特擒纵机构中，传冲是在擒纵轮后退之后立即开始在；在格拉哈姆擒纵机构中，只是当齿沿这个或另一个卡瓦的冲面完成行程时，发生传冲。

惠更斯、克列敏特和格拉哈姆的擒纵机构共同特点是，除擒纵轮“落下”的很短一段时间，擒纵轮和摆之间失去接触外擒纵轮和摆径常处于相互作用状态，在摆的轴上经常传递着力矩，与作用在擒纵轮上的力矩成比例，上述的结构，是惠更斯钟的依次变型，汇合成为非自由式钟表擒纵山机构的组合。惠更斯的钟是这些机构的先躯者。

在钟表事业的领域里，格拉哈姆其他著名的发明，是水银补偿摆（图5）。公元1726年，格拉哈姆在皇家协会报告之后，这个发明才著名的。但早在9年前实验就开始了。摆是由细杆组成，在细杆的下端悬挂一支架，其上固定有容器，容器中填装水银到一定的高度。摆杆和两个侧杆，都是钢的。水银在容器中的高度和摆的其他部分的尺寸，这样选择：尽管温度变化，摆的数学长度仍是常数。
 

这个补偿摆，在同一构造原理时，可以有不同的结构。

格拉哈姆在具有制造水银补偿摆思想之前的许多年里，为了揭示对热和冷对摆杆的影响，他进行了许多实验工作，做出了实际上很重要的结论：“利用线性膨胀程度不同的两种金属，可以在很大程度上补偿一般摆振动的非调整性。”公元1721年12月，格拉哈姆开始制造水银补偿摆。图6示出，公元1740年格拉哈姆摆钟的外形。钟机芯放置在红木壳内的高处，钟盘的尺寸30厘米。
 
摆钟自由锚式擒纵机构为了提高摆钟走时精度特性，公元19世纪末，应用利弗列尔、旋特拉谢尔（штpaccep）和曼哈尔德特（Манхардт）的自由式擒纵机构，代替非自由式擒纵机构，有着很大意义。自由式擒纵机构也以常力擒纵机构的名称而著著名。之所以得到这个名称，是因为装有这样的擒纵机构的钟，摆的振动几乎与钟机构、擒纵轮轴上的力矩值无关，传递给摆的冲量，只与发条或永远产生具有常力的同一效应的重锤有关。用悬挂弹簧连结摆和擒纵机构，没有叉子，因此，在擒纵叉和摆之间也没有刚性连结。在施特拉谢尔擒纵机构中，摆得到冲量，是由于辅助平弹簧片的弯曲（与主要悬挂弹簧的下边框子连结的辅助悬挂弹簧）；而在利弗列尔擒纵机构中则由于悬挂摆的悬挂弹簧本身的弯曲，在曼哈尔德特擒纵机构中，每次都下降同一高度的重锤，传递给摆同一冲量。

在所有前述的擒纵机构中，擒纵机构与摆的连结，都伴随着若干碰撞。施特拉谢尔、曼哈尔德特和利弗列尔，由于应用了自己的常力擒纵机构，回避了这一点。

当应用电磁脉冲代替机构脉冲时，制造自由式擒纵机构就有了非常大的广阔天地和前景。

施特拉谢尔（公元1859-1917年）擒纵机构 这个擒纵机构的擒纵轮（图7），与格拉哈姆擒纵机构中使用的擒纵轮没有本质的区别。但擒纵叉与格拉哈姆的擒纵叉却有很大的差别，主要是卡瓦的结构。擒纵叉每边有两个卡瓦—冲瓦K1和K2,以及锁瓦L1和L2。
 
施特拉谢尔擒纵机构与锁止的格拉哈姆擒纵机构的基本区别是：齿首先落在冲面上，然后移到锁止上位置。对于锁止擒纵机构，齿首先落在锁止位置，然后过渡传冲。这个区别是由于擒纵机构和辅助县挂弹簧相互作用造成的。为克服引力，悬挂弹簧在施特拉谢尔擒纵机构中完成若干工作。

施特拉谢尔擒纵机构的质量，次于利弗列尔擒纵机构。

曼哈尔德特（公元1789-1878年）擒纵机构 是由轮a和b系统和空气制动装置c组成（图8）。摆得到从擒纵机构传给的冲量，一分钟只有一次，而不是每一次振动有。摆振动59次是“死的”，因此，它完成振动几乎是自由的。这也就是曼哈尔德擒纵机构工作的基本原理。这种擒纵机构在塔钟里得到了更多的应用，因为在塔钟里应用得很成功（例如，在柏林城市议会的塔钟里）。
 
利弗列尔（公元1847-1912年）擒纵机构 装有这样的擒纵机构的钟，是公元1893年在美国芝加哥博览会上出现的。利弗列尔钟第一次是安装在德国慕尼黑天文台，走时精度很高，很快就挤掉了装有格拉哈姆擒纵机构的天文钟。在温度变化的情况下，日差为0.0008秒。世界大多数天文台都开始使用装有利弗列尔擒纵机构的钟。
在这个擒纵机构中，有两个擒纵轮，冲轮H1和锁轮H2,它们之间是刚性连结（图9）在轮重的擒纵叉A上固定有两个玛瑙的卡瓦P1和P2,每一个都是前边切削去一半的圆柱。和施特拉谢尔擒纵机构一样，利弗列尔擒纵机构的卡瓦，不是原动机传过来的力压紧的，也不是用辅助弹簧或者是辅助的悬挂弹簧，象在施特拉谢尔擒纵机构那样，而是用摆悬挂弹簧或者悬挂弹簧传的力。在利弗列尔擒纵机构中，悬挂弹簧完成双重任务，除起辅助弹簧作用外，还完成自己的直接用途。利弗列尔擒纵机构虽然很象施特拉谢尔擒纵机构，但有自己独特的结构。利弗列尔和施