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游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手表的走时精度。

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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验。

机轴擒纵机构Verge escapement

机轴擒纵机构

　　机轴擒纵机构是最早已知的机械擒纵机构，又被称为冠状轮擒纵机构（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的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 Berthoud曾在其书《时间测量史（History of the Measurement of Time）》中这样评价机轴擒纵机构：尽管发明了无数种擒纵机构，但要说用于日常普通的手表中，还是机轴擒纵机构最好。

　　机轴擒纵机构中的擒纵轮形似西方王冠，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，前面是一根竖直的机轴，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。

　　16世纪末期，意大利物理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。

　　鼀摆与机轴呈垂直方向。冠状轮旋转时，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）。

　　 冠状轮上的轮齿数必须为奇数，通常两片擒纵叉之间的夹角为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，造成擒纵机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腕表，冠状轮都做得很小，因此磨损效果被放大，上紧发条时，钟表会运行得非常快，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。

交叉节拍式擒纵机构Cross-beat escapement

交叉节拍式擒纵机构的仰视图和侧视图

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

　　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的地位不容忽视。

　　交叉节拍式擒纵机构的发明者和首位制造者是瑞士的制表师、天文学家JostBürgi（1552-1632）。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数量级，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摆。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，并一前一后接收到能量。这种双摆擒纵机构是由法国制表师Jean Baptiste Dutertre发明的。

　　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调节系统。

　　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。尽管结果并不完美，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又做了两处的修改，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 escapement

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。

　　锚式擒纵机构由尖齿型的擒纵轮以及一个锚状轴组成。锚状轴与钟摆连接，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'另一个擒纵叉，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。

　　锚式擒纵机构的机械操作与机轴擒纵机构有相似之处，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，在运行周期中，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。后斜形的擒纵轮齿还能作为安全装置。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的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 escapement

直进式擒纵机构

　　　直进式擒纵机构是在锚式擒纵机构的基础上进行改进，通常被错认为是英国制表师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Jonas Moore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推动擒纵轮向后。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，加大了摩擦和磨损。直进式擒纵机构的最大优势就是消除了回退。

　　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，在擒纵叉释放齿轮前，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齿，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用直进式擒纵机构。

销子轮式擒纵机构Pin wheel escapement

销子轮式擒纵机构细节图

　　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。擒纵轮齿不是尖齿形，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。这种擒纵机构，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。

冲击式天文台擒纵机构Deadbeat escapement

Thomas Earnshaw冲击式天文台擒纵机构模型'Ecole d'Horlogerie d'Anet'，大约制作与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：转动回弹式（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，而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。

　　因为冲击式天文台擒纵机构只接受到一个震荡脉冲，并且不需要上油，擒纵轮齿和擒纵叉之间的滑动摩擦由此减少，所以冲击式天文台擒纵机构比起杠杆擒纵机构更精准。但装置于怀表里的冲击式天文台擒纵机构极其脆弱，不能自启动，并且难以量产。在这方面，杠杆式擒纵机构有很大的优势。英国制表师John Arnold是第一个将双层游丝使用在冲击式天文台擒纵机构中的人。根据此项技术优势，Arnold的钟表能将误差率保持在每日1至2秒内。

工字轮擒纵机构Cylinder escapement

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

　　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。

　　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，直到摆轮游丝的作用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损，所以要定期清洁。

复式擒纵机构Duplex escapement

复式擒纵机构

　　1700年左右，英国博物学家Robert Hooke发明了复式擒纵机构。随后，Jean BaptisteDutertre和Pierre Le Roy加以改良，直到1782年，Thomas 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（无说明图）。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构，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，但比红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（因此叫做'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。当摆轮逆时针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，脉冲齿又会马上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。

杠杆式擒纵机构Lever escapement

杠杆式擒纵机构模型

雅典Cal.UN-118机芯，采用基于新材料的传统的瑞士杠杆式擒纵机构，取消了红宝石叉瓦

　　杠杆式擒纵机构是分离式的擒纵机构，从而使手表或时钟的计时完全免于来自擒纵机构的干扰。杠杆式擒纵机构是由英国制表师Thomas Mudge在1750年发明的，后来经过了包括Breguet和Massey在内的制表师们开发，被应用到大多数机械手表、怀表和许多小型机械钟（非摆钟）里。

　　英国制表师使用英式杠杆式擒纵机构（Englishlever escapement），其中杠杆与摆轮成直角。随后，瑞士和美国的制表师使用内联杠杆式擒纵机构（Inlinelever escapement），顾名思义，摆轮与擒纵轮之间的杠杆是内联的，这是现代手表所使用的杠杆式擒纵机构

　　擒纵轮的转动是由擒纵叉控制。擒纵轮齿呈锯齿状，与2颗宝石（分别是擒纵叉的进瓦和出瓦）相互作用。除了特殊情况，擒纵轮有15个轮齿，由钢制成。进瓦和叉瓦被固定在擒纵叉的叉身上，叉头钉被固定在擒纵叉的叉头上，圆盘钉被固定在摆轮圆盘上，摆轮圆盘安装在摆轴上。擒纵叉头能在两个固定的限位钉之间自由旋转。

　　擒纵轮沿顺时针方向旋转，一个轮齿被进瓦锁定，通过牵引，擒纵叉靠在左限位钉上。摆轮以逆时针方向向平衡位置运动。由于圆盘钉和摆轮是一体的，所以也会随摆轮逆时针运动。此时圆盘钉与擒纵叉的叉槽左壁发生碰撞，使得擒纵叉获得了一定的动能。另外，由于擒纵轮的一个轮齿的齿尖压在进瓦的锁面上，当圆盘钉与擒纵叉的叉槽右壁发生碰撞的同时，擒纵轮的这个轮齿与进瓦也会发生碰撞。碰撞结束后，圆盘钉沿擒纵叉的叉槽右壁相对滑动而擒纵轮的齿尖与进瓦的锁面相对滑动，并把进瓦逐渐提起。这时进瓦将逐渐升起直到它的前棱与擒纵轮齿尖接触为止。擒纵轮通过擒纵叉的进瓦给摆轮动能，摆轮获得了一定能量并逆时针向右自由运动，此时擒纵轮与擒纵叉脱离然后继续转动直到它的另一个齿的齿尖碰到出瓦的锁面上。由于擒纵轮的牵引力作用迫使擒纵叉转动，直到擒纵叉碰到右限位钉。

　　擒纵轮齿与擒纵叉瓦，擒纵叉头与圆盘钉相互之间必须通过碰撞才能传递能量给摆轮，由于撞击和摩擦力导致能量被大量消耗，只有少部分能量被传递给摆轮。由于这个弊端，人们又开始设计其他的擒纵机构。

销钉式擒纵机构Pin pallet escapement

搭载了销钉式擒纵机构的TIMEX（天美时）手表

TIMEX（天美时）手表机芯内部的销钉式擒纵机构

　　销钉式擒纵机构是一种便宜但不太精确的杠杆式擒纵机构，使用于机械闹钟、厨房计时器、座钟以及70年代便宜的手表中。最初的想法是由法国制表师Louis Perron在1798年提出，然后Louis-Gabriel Brocot于1823年改造后获得专利。1867年，德国制表师Georges Frederic Roskopf 希望能制造出'劳动者的怀表'，于是将销钉式擒纵机构运用到这种怀表中。怀表的价格只需一个非熟练工人花费不到一周的薪水。在美国，销钉式擒纵机构被用于廉价的'美元手表（dollar watch）'中。第一次世界大战后，这种表得到普及。

　　销钉式擒纵机构类似于杠杆式擒纵机构，除了杠杆上的水平宝石擒纵叉被替换成垂直的金属销钉，并且修改了擒纵轮齿的形状。20世纪60年代，TIMEX（天美时）和ORIS（豪利时）曾生产出搭载宝石销钉式擒纵叉的手表。

　　销钉式擒纵机构被广泛使用，因为它有很多杠杆式擒纵机构的优势，但更容易制造。传统的杠杆式擒纵机构的擒纵叉有两个倾斜面——锁面和冲面，与擒纵轮齿接触。为保证擒纵机构的运行，必须精确地调整锁面和冲面的角度。销钉式擒纵机构的锁面和冲面被设计成擒纵轮齿的形状，从而消除了代价高昂的调整过程。然而，金属销钉比宝石擒纵叉具有更高的摩擦力，再加上不精确的制造工艺，这使得销钉式擒纵机构不准确。金属销钉也磨损得更快。使用了销钉式擒纵机构的钟表很便宜，所以坏了或是磨损了，通常都不会去修复，而是直接扔了。到了80年代，便宜的石英手表接管了曾经中低端市场，销钉式擒纵机构由此退出舞台。

同轴擒纵机构Co-axial escapement

第一代同轴擒纵机构草图

第二代同轴擒纵机构与硅游丝摆轮搭配使用

　　之前有提过，传统的杠杆式擒纵机构由于整个运动过程中所产生的摩擦方向都是垂直的，导致大量能量被消耗，只有少部分能量被传递给摆轮，所以钟表师们希望能够另辟蹊径，制造出更为先进的擒纵机构。英国制表师George Daniels利用自己多年的制表经验以及对古董表的研究，创造出同轴擒纵机构。

　　传统的杠杆式擒纵机构中只有一个擒纵轮，而同轴擒纵机构中有两个不同直径的擒纵轮同轴旋转，位于上方较小的副擒纵轮直接与秒轮啮合，同时给两只轮片提供动力，下方较大的主擒纵轮与擒纵叉的进瓦和出瓦协同完成锁接和释放的动作，而传冲是由副擒纵轮片与擒纵叉中间的叉瓦完成，擒纵叉叉头被安排在了出瓦一端。摆轮逆时针旋转时圆盘钉撞击叉瓦令擒纵叉顺时针转动，擒纵叉出瓦释放，进瓦锁接，中间叉瓦处于释放状态；当摆轮顺时针转动时，擒纵叉复位，进瓦释放，出瓦锁接擒纵轮，而中间叉瓦冲击摆轮棘爪完成传冲。擒纵叉与擒纵轮间的摩擦力由垂直方向变为平行方向，两者相对运动作用力角度近于0 度，成功地将滑动摩擦变为滚动摩擦，较少摩擦损耗。另外，摆轮的旋转幅度不再受到叉限位钉的直接限制（几乎接近自由振荡了），可以获得更大的摆幅，减少了阻尼就可以更高效利用发条能量。

　　其实，Daniels博士最早所设计的同轴擒纵机构中拥有三只擒纵轮片。除了主擒纵轮和副擒纵轮之外，还有一只擒纵轮片专门用来啮合秒轮带给整个擒纵机构动力。也就是说主擒纵轮只需为摆轮传冲，而不用分身照顾为擒纵系统提供动力。最初的同轴擒纵机构都放在怀表机芯里，摆轮巨大。1970年代，Daniels开始尝试将同轴擒纵量产化，移植到手表小机芯中。首要解决的问题就是要将尺寸缩小，其次就是在保证大批量生产的同时又能保持最好的装配水准。Daniels博士先后将同轴擒纵机构塞进OMEGA（欧米茄）Cal.1045、PATEKPHILIPPE（百达翡丽）Cal.330以及ROLEX（劳力士）Cal.3035等多款机芯做尝试，1994年，他又对ETA统机下手。1996年他将改良后的同轴擒纵用于ETA的Cal.2892-A2机芯上。1999年，OMEGA（欧米茄）很有魄力地采用了这一革命性的技术，推出第一款装置了同轴擒纵的Cal.2500机芯。其后，OMEGA（欧米茄）不断革新，Cal.3313、Cal.8500/8501、Cal.8520/8521、Cal. 8601/8611、Cal.9300/9301等同轴机芯相继诞生。OMEGA（欧米茄）将同轴擒纵机构普及到了旗下所有手表系列中。

文章来源：手表杂志@时间艺术,有删改。

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