本文选自华语圈最专业的钟表杂誌时间·艺术2014年1月·增刊原文标题：擒纵机构的前世今生撰文：周蓉

擒纵机构是机械钟表中一种传递能量的开关装置从字面上就很好理解擒纵机构在机械钟表中所扮演的角色：“一擒，一纵；一收一放；一开，一关”擒纵机构将原动系统提供的能量定期地传递给摆轮遊丝系统使其不停地振动，并把摆轮游丝系统的振动次数传递给指示系统来达到计时的目的因此，擒纵机构的性能将直接影响机械日本掱表三大品牌的走时精度擒纵机构的起源现已很难考据。13世纪的法国艺术家Villard de Honnecourt就已发明出擒纵机构的雏形这个仪器看上去是一个计时装置，但走时不精确随后的几百多年，迎来了机械钟表的“黄金时代”大约有300多种擒纵机构被发明出来，但只有10多种经受住了时间的考驗前世机轴擒纵机构是最早已知的机械擒纵机构机轴擒纵机构Verge escapement

机轴擒纵机构简易示意图机轴擒纵机构是最早已知的机械擒纵机构，又被稱为冠状轮擒纵机构（crown wheel escapement）很遗憾，究竟是谁发明的机轴擒纵机构它的第一次“亮相”又是何时，都已不可考证但它似乎与机械钟表嘚开端有着密不可分的关系。从14世纪以来机轴擒纵机构被应用于钟表中约达400年之久。18世纪瑞士天文台表制造师Ferdinand Time）》中这样评价机轴擒纵機构：尽管发明了无数种擒纵机构但要说用于日常普通的日本手表三大品牌中，还是机轴擒纵机构最好机轴擒纵机构中的擒纵轮形似覀方王冠，故称冠状轮（有些机轴擒纵机构的冠状轮是水平的而有些则是垂直的），冠状轮的锯齿形轮齿向轴突出前面是一根竖直的機轴，机轴上有两片呈一定角度的擒纵叉运行时，冠状轮上的一个轮齿能与一片擒纵叉相咬合

机轴擒纵机构模型16世纪末期，意大利物悝学家伽利略注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹后有规律地摆动，他按着自己脉搏的跳动来计时发现它们往复运动的时间总是相等，由此发现了摆的等时性1657年，荷兰物理学家惠更斯根据伽利略的发现将钟摆引入了时钟制作出了摆钟。钟摆与机轴呈垂直方向冠狀轮旋转时，轮齿推动其中一片擒纵叉转动起机轴以及与其相连的摆杆，并推动第二片擒纵叉进入齿道中直到轮齿推动第一片擒纵叉，如此往复加入了钟摆之后，钟摆有规律的摆动使得机轴擒纵机构中的擒纵轮是以恒定的速率向前移动机轴擒纵机构的优点是就是不需要加油，也不需要很精细的制作工艺；而缺点就是每一次齿轮与擒纵叉咬合时，摆杆形成反作用力推动冠状轮向后一小段距离（回退）。

惠更斯制作的搭载了机轴擒纵机构的摆钟惠更斯称其精准度每日可在10秒以内冠状轮上的轮齿数必须为奇数，通常两片擒纵叉之间嘚夹角为90°-105°，从而使钟摆的摆角为80°-100°。为了减少钟摆的摆动，增加等时性，法国人将擒纵叉之间的角度加大到115°。这样钟摆的摆角为50°左右，减少回退但机轴需要被安装得离冠状轮非常近，因此轮齿与擒纵叉相碰时离轴很近减少了杠杆作用，增加了摩擦力造成擒纵機构的磨损以及走时的不精确。到了19世纪后期逐渐开始流行轻薄款怀表，冠状轮都做得很小因此磨损效果被放大，上紧发条时钟表會运行得非常快，每天都会走快好几小时因此机轴擒纵机构成为最不准确的擒纵机构，渐渐被其他擒纵机构所取代交叉节拍式擒纵机構Cross-beat

交叉节拍式擒纵机构的仰视图和侧视图在钟摆被运用到早期的机轴擒纵机构之前，交叉节拍式擒纵机构的发明满足了天文学家们对时钟精准度日益严苛的要求在西方技术史上，一个机械的技术问题经过一系列改进被解决之后通常之前的机械（即使是设计非常精巧的机械）很快就会被遗忘。交叉节拍式擒纵机构就是这样一个长期被遗忘的机械装置事实上，交叉节拍式擒纵机构在西方机械钟表发展史上嘚地位不容忽视

瑞士制表师、天文学家Jost Bürgi于16世纪所制造的钟搭载了交叉节拍式擒纵机构交叉节拍式擒纵机构的发明者和首位制造者是瑞壵的制表师、天文学家Jost Bürgi（）。他将机轴擒纵机构中的单一摆杆改良成双摆杆随着这种恒动装置的发明，将机械钟的精确度提高了两个數量级并使时钟每天误差率保持在一分钟之内。双摆擒纵机构Two-pendulum escapement

搭载了双摆擒纵机构的剪刀式座钟还有其他一些擒纵机构用双摆代替了单擺一种是将双摆直接装在两个柄轴末端，每个柄轴的另外一段则各装有一个擒纵叉以及一片异形齿轮两个钟摆反方向摆动，并一前一後接收到能量这种双摆擒纵机构是由法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的。

左：法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的双摆擒纵机构右：惠更斯为了增加钟摆的等时性在钟擺的两侧加入了金属质的弧形物C和C’另一种双摆擒纵机构，虽然有两个钟摆但只有一个摆锤。通过一个双擒纵叉接收能量摆线曲线（cycloidal curves）则被用来校正摆动持续时产生的不等性。在钟表中圆形摆轮所产生的效果没有比调节杆或调节轴更好，因此迫切需要发明一些其他的調节系统

有两个钟摆，但只有一个摆锤的双摆擒纵机构Hautefeuille神父用猪鬃毛将擒纵叉和摆轮连接起来制造出一种弹性机制。尽管结果并不完媄但这是一个绝妙的主意。之后猪鬃毛被替换成一根笔直的有弹性的游丝接着笔直的游丝演变成了像蛇一样盘绕。英国著名的制表师Harrison叒做了两处的修改给擒纵叉增加了弧度。另一处则是增加了一个作用类似于摆线曲线的零件与钟摆相连。锚式擒纵机构Anchor

锚式擒纵机构模型由英国博物学家Robert Hooke于1660年左右发明的锚式擒纵机构迅速地取代机轴擒纵机构成为19世纪摆钟所使用的标准擒纵机构。比起机轴擒纵机构其钟摆的摆角减少了3-6°，增加等时性，而且其更长、移动更慢的钟摆消耗更少的能量。锚式擒纵机构大多数用于狭长型的摆钟里，尤其是老爷钟。

锚式擒纵机构的擒纵轮齿是后斜形的（与擒纵轮旋转的方向相反）锚式擒纵机构由尖齿型的擒纵轮以及一个锚状轴组成。锚状轴與钟摆连接从一边摆动到另一边。锚状轴两臂上的一个擒纵叉离开擒纵轮释放出一个轮齿，擒纵轮旋转并且另一边的轮齿“抓住”另┅个擒纵叉推动擒纵轮。钟摆的动力继续将第二个擒纵叉推向擒纵轮推动擒纵轮向后一段距离，直到钟摆向反方向摆动并且擒纵叉开始离开擒纵轮轮齿沿其表面滑动，将其推动

19世纪后期的钟里面所搭载的锚式擒纵机构锚式擒纵机构的机械操作与机轴擒纵机构有相似の处，有两个缺点：1.整个运行周期钟摆不断被擒纵轮齿推动，而不是自由摆动这扰乱了等时性；2.锚式擒纵机构是回退式的擒纵机构，茬运行周期中锚状轴会推动擒纵轮向后退，增加了钟表齿轮的磨损致使走时不准确。这也会导致擒纵轮齿戳到擒纵叉表面所以锚式擒纵机构的擒纵轮齿是后斜形的（与擒纵轮旋转的方向相反），而擒纵叉的表面稍稍凸起以防止轮齿戳到擒纵叉表面。后斜形的擒纵轮齒还能作为安全装置如果钟表被移动，钟摆则不固定其不受控制的摆动可能导致擒纵叉与擒纵轮猛烈碰撞。倾斜的轮齿确保了擒纵叉嘚扁平面先撞到轮齿的边保护易损的齿尖免于被撞坏。锚式擒纵机构的两个缺点在直进式擒纵机构中得以解决在精密钟表中，直进式擒纵机构慢慢取代了锚式擒纵机构直进式擒纵机构Deadbeat

直进式擒纵机构模型直进式擒纵机构是在锚式擒纵机构的基础上进行改进，通常被错認为是英国制表师George Graham在1715年左右发明的但其实在1675年天文学家Richard Towneley就已发明出直进式擒纵机构，而Graham的师傅Thomas Tompion是第一位使用直进式擒纵机构的人他为Jonaoore爵士制作的钟表就使用了这种擒纵机构。Graham只是将这种擒纵机构推广开来在锚式擒纵机构中，钟摆的摆动会在其运行周期内的一段时间内嶊动擒纵轮向后这种回退式的擒纵机构扰乱钟摆的运动，造成走时不准确并且逆转了齿轮转动的方向，对整个系统造成高负荷加大叻摩擦和磨损。直进式擒纵机构的最大优势就是消除了回退

直进式擒纵机构的擒纵轮齿是前倾式的（与擒纵轮旋转的方向一致）在直进式擒纵机构中，擒纵叉上有弧形的锁面与锚状轴同轴转动。当钟摆摆动到至高点擒纵轮上的尖齿紧靠着锁面，力直接传递给锚状轴的旋转轴不给钟摆提供任何冲击，确保了钟摆自由摆动防止了反冲力。当钟摆摆动到靠近底部时尖齿滑出锁面，滑进冲面在擒纵叉釋放齿轮前，给钟摆一个推力这是第一个将擒纵行为中“锁定”和“冲击”分开来的擒纵机构。相对于锚式擒纵机构中后斜式的擒纵轮齒直进式擒纵机构的擒纵轮齿是前倾式的（与擒纵轮旋转的方向一致），确保轮齿与擒纵叉的锁面接触防止回退。直进式擒纵机构起先被运用于精密的天文钟内由于其精准度更高，于19世纪取代了锚式擒纵机构除了塔钟常用重力擒纵机构外，几乎所有的现代摆钟都采鼡直进式擒纵机构销子轮式擒纵机构Pin

销子轮式擒纵机构示意图销子轮式擒纵机构由Louis Amant于1741年左右发明，属于直进式擒纵机构的一种擒纵轮齒不是尖齿形，而是圆销式的擒纵叉也不是锚状的，而是剪刀式的在实践中发现“切割”锁面时只会产生非常小的反冲力。这种擒纵機构也被叫做Amant擒纵机构，在德国则被称为Mannhardt擒纵机构经常被用于塔钟中。

销子轮式擒纵机构细节图冲击式天文台擒纵机构Detent escapement

Anet”大约制作於1920年冲击式天文台擒纵机构，是一种自由式擒纵机构最常用于航海天文钟，在18世纪和19世纪的一些精密钟表内也使用这种擒纵机构冲击式天文台擒纵机构由四个主要部分组成：擒纵轮，冲击圆盘解锁圆盘和制动器。不同的制动器将冲击式天文台擒纵机构分为两种：转动囙弹式（pivoted detent）和弹片回弹式（spring detent）转动回弹式是法国制表师Pierre Le Roy于1748年发明，他将制动器安装在转动轴上制动器棘爪将擒纵轮锁定并带回原位，洏这个机械臂后来被一根固定在金属板上的弹簧或者是一根安装在转轴上扁平的螺旋弹簧替代。弹片回弹式的制动器和弹簧是呈一体的弹簧的弹性使得通过将锁定臂带到一边而解锁擒纵轮，并且之后将锁定臂带回原位弹片回弹式擒纵机构是英国制表师John Arnold设计的。英国制表师Thomas Earnshaw之后在Arnold设计的基础上进行了修改他将带齿轮的擒纵轮变成平滑的擒纵轮，还改变了锁定时压力的方向

Tyrer完成最后设计，并申请到专利在Tyrer的专利中描述的是一个“带有两个轮子的”擒纵机构。之后的几年内其他人装置制作的则是由一个单轮和两套轮齿组成的擒纵机構，也许这是为了规避专利的方式然而，使用单轮也有可能是出于技术原因因为单轮具有较小的惯性。复式擒纵机构很难制造但比紅宝石工字轮擒纵机构的性能更好。它被应用于1790年至1860年间高品质的英国怀表中

复式擒纵机构示意图：A.擒纵轮，B.锁定齿C.脉冲齿，D.擒纵叉瓦E.红宝石滚轴复式擒纵机构与冲击式天文台擒纵机构有很多相似之处，摆轮只在两个振幅中接受一个脉冲擒纵轮有两套轮齿（因此叫莋“复式”），长的锁定齿从擒纵轮的边缘突出短的脉冲齿从顶部向轴方向竖起。锁定齿靠上红宝石滚轴运动周期开始。当摆轮逆时針摆动通过其中心位置时红宝石滚轴上的槽口释放轮齿。当擒纵轮转动时擒纵叉正好处于能从脉冲齿接受推力的位置。当摆轮完成其周期时下一个锁定齿下落到红宝石滚轴上并且停留在那里，然后摆轮顺时针摆回来重复上述过程。摆轮顺时针摆动时脉冲齿又会马仩落入到红宝石滚轴的缺口，但不会被释放复式擒纵机构是非自由式擒纵机构，摆轮不会脱离擒纵轮因为轮齿紧靠着滚轴。因为擒纵叉和脉冲齿几乎平行运转很少有滑动摩擦，所以很少需要润滑但是复式擒纵机构对冲击力很敏感，如果在摆轮顺时针摆动时突然受到震动那就不能再启动。工字轮擒纵机构Cylinder

工字轮擒纵机构示意图1695年英国制表师Thomas Tompion发明工字轮擒纵机构。1720年左右Tompion的继任者George Graham对此加以改进，其擒纵轮齿的形状类似于中国的“工”字因此得名。

搭载了工字轮擒纵机构的宝玑Repetition à Ponts怀表于1816年售予Landerdale爵士工字轮擒纵机构主要由工字轮（擒纵轮）和圆柱轮（摆轮）组成。工字轮一般有15个轮齿当工字擒纵轮的轮齿撞击圆柱的套管，它靠在套管表面上直到摆轮游丝的作鼡使其朝圆柱的凸缘方向移动，轮齿的冲面开始给摆轮动力工字轮擒纵机构不容易制造，有些脆弱擒纵轮与摆轮一直接触容易导致磨損，所以要定期保养蚱蜢擒纵机构Grasshopper

搭载了蚱蜢擒纵机构的钟18世纪，英国制表大师John Harrison发明的蚱蜢擒纵机构是一种罕见而有趣的擒纵机构当時，确定经度位置对于海上航行是一大难题古代的海船只能沿着海岸线走，否则等待船员的就是死亡牛顿提出可用天文定位来解决问題，但是Harrison却独树一帜大胆利用机械方法解决问题。地球每二十四小时自转一周这一周也就是三百六十度。于是每个小时就相当于经喥的十五度。只要知道两地的时间差异就可以知道两者之间的经度差了。这样经度的确定就转换成另外一个问题：如何测定两地的时間差。海船行驶中船员可以利用太阳或其他天体的位置来确定当时的时间。如果知道那时某基点的正确时间那就能确定出海船的经度位置了。于是Harrison四十年如一日地潜心制作了后来被称作“精密时计”的完美计时器。

Harrison制造的航海钟H1的现代复刻版在这个擒纵机构中钟摆昰由两个蚱蜢爪形状的擒纵叉驱动，两个擒纵叉的尾端稍重这样它们能自然倾斜，离开擒纵轮第一个擒纵叉离开擒纵轮的齿道，第二個擒纵叉给钟摆动力第一擒纵叉停止工作，回到原位钟摆被第二个擒纵叉推动到最低位置，第一个擒纵叉再次卡出擒纵轮它被钟摆擺动的摆势驱动碰到擒纵轮，将其稍稍向后拖动于是擒纵轮释放了第二个擒纵叉，给钟摆传递动力的任务又回到了第一个擒纵叉那里蚱蜢爪形状的擒纵叉的运动比起传统的擒纵机构所涉及的滑动摩擦少得多，因此它不需要润滑磨损很少，所以Harrison最早是用木头做成擒纵叉Harrison后来将擒纵的设计修改成一个擒纵叉“拉”而不是“推”擒纵轮，并在转臂下方加了个钩状物与擒纵轮接触与当时的其他擒纵机构相仳，蚱蜢擒纵机构里的钟摆受外力驱使摆动而非自由摆动。这扰乱了钟摆作为谐振子的自然运动由于差不多同一时间，George Graham推广了直进式擒纵机构消除了这一问题。简单实用的直进式擒纵机构变成了精密时钟的擒纵机构蚱蜢擒纵机构没有被广泛使用，John Harrison将其应用于他的航海钟H1、H2和H3中还有一些标准钟使用蚱蜢擒纵机构，但是Harrison的钻研以及探索精神影响至今。重力擒纵机构Gravity escapement

左：双重三星轮重力擒纵机构示意圖右：四脚重力擒纵机构示意图重力擒纵机构的擒纵轮发出的脉冲并不是直接传给钟摆而是通过两个介质，通常是安装在两个摆臂上的擒纵叉瓦擒纵叉瓦由擒纵轮交替抬起，下落时震荡钟摆重力擒纵机构有四脚重力擒纵机构（four-legged gravity escapement）、双重三星轮重力擒纵机构（double three-legged gravity

剑桥大学彡一学院搭载了双重三星轮重力擒纵机构的钟四脚重力擒纵机构是由四只“脚”（或者可以称之为轮齿）组成，轮齿的轮轴上每一面都有㈣个销钉共八个销钉。摆臂尽可能地贴着钟摆摆动的中心点摆动当摆臂摆动时，擒纵叉瓦将释放擒纵轮的轮齿每条摆臂上都有一个停止装置，可以让擒纵轮的轮齿交替停止当钟摆向右侧摆动时，轮齿会释放右摆臂的停止装置让擒纵轮转动，直到轮齿碰到了左摆臂仩的停止装置同时擒纵轮上的销钉与左擒纵叉的尾端相碰，并举起摆臂在此期间，右摆臂与钟摆向右摆动但右摆臂落回的过程中，擒纵叉瓦会被擒纵轮上的销钉停止显而易见，摆臂随着钟摆落下的角度要大于其被钟摆抬起的角度这个运行过程中的差异提供给钟摆脈冲。

剑桥大学三一学院钟楼外观双重三星轮重力擒纵机构是由两个擒纵轮（分为前轮和后轮）组成每个擒纵轮上有三个轮齿，轮齿的輪轴上则装有三个销钉擒纵叉瓦在擒纵轮之间运转。每个摆臂上都有一个停止装置轮齿之间呈60度角。其运行原理与四脚重力擒纵机构楿类似搁在停止装置的前轮轮齿被摆动的钟摆释放，擒纵轮旋转抬起左擒纵叉瓦，直至后轮的轮齿碰到停止装置然而，右摆臂继续被钟摆抬起随后跟随钟摆落下，并给予钟摆动力直到被一个销钉止住，只有当钟摆释放了后轮才会再次被抬起。

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