雅典表Freak系列，钟表科技的传奇

云端午节

如何描述时间或展示机芯的新颖方式一直是先锋钟表学领域关注的焦点。雅典表Freak系列于2001年推出，制表师巧妙的将复杂的内部机芯结构插入外表盘，从而真正改变了雅典表乃至整个制表史的传统。在推出20年后，无论从美学还是技术角度来看，Freak仍因其大胆而被视为制表史上的里程碑，像Ressence或Urwerk这样的独立钟表制造商已经在摒弃传统手工的基础上打造了自己的品牌。这种独特的制表方法挑战了钟表业的传统，创造了一个更有趣的钟表美学。

起源
Freak系列始于1997年，当时刚刚从技术学院毕业的年轻而有才华的机芯设计师Carole Forestier Kasapi赢得了亚伯拉罕·路易·布雷盖基金会大奖赛，这是一场旨在纪念a.-L.Breguet 250岁生日的比赛，旨在表彰制表的独创性。
福雷斯蒂尔·卡萨皮女士现在是豪雅的机芯开发主管，她凭借一种旋转机芯的概念获得了该奖项，该机芯包含一个装在几乎与表壳一样宽的甜甜圈状桶中的主发条。齿轮系和调节器坐在枪管内。这款概念表没有表冠，通过转动表圈来完成设置和上弦。

Carol Forestier Kasapi为Freak Concept绘制的原始图纸。图片-Ulysse Nardin
获奖后，Forestier Kasapi女士加入了雅典Ulysse Nardin公司，这家公司曾因其因石英危机而破产的海洋计时器而闻名。在当时的所有者、富有远见的Rolf Schnyder的领导下，该公司从20世纪80年代末开始东山再起，主要是在其杰出的技术总监Ludwig Oechslin博士的推动下。
在这一时期，Ulysse Nardin推出了天文复杂的时间系列三部曲，并于1989年成为吉尼斯世界纪录中生产中最复杂的手表，还有Perpetual Ludwig，一种可以前后设置的万年历。
为了与该品牌当时以创新驱动的产品方式保持一致，Schnyder对将Forestier Kasapi女士的获奖理念转变为系列生产的手表表现出了极大的兴趣。不出所料，将这一激进概念商业化很快就遇到了困难。
本发明的类似甜甜圈的主发条筒并不实用，因为它对主发条的大小施加了限制，这意味着它只能在全速下为能量匮乏的机芯提供大约15个小时的动力。这促使人们重新思考这个想法，直到它的基本原理。

2001年Freak爆炸图。图片-Ulysse Nardin
Oechslin博士的任务是使旋转机芯手表变得可行，他彻底改变了方法，创造了一款至今仍保持独特的机芯。Oechslin博士拥有多重身份，包括考古学、古代史、理论物理学和哲学学位，以及钟表修复的亲身经历，是制表界的一位罕见人物，他是一位能够以激进的方式解决复杂问题的博学者。
尽管Freak的结构完全非正统，但它说明了Oechslin博士的哲学，这种哲学经常创造性地使用齿轮和应用数学，这种方法更接近数学家的工作原理，而不是钟表匠的工程原理。
基本原则
Forestier Kasapi女士最初的设计不适合大规模生产。该设计在操作中耗能高，但几乎没有足够大的主发条空间来为机芯提供合理的动力。在她的设计中，主发条必须安装在机芯和表壳之间的环形轮毂内。
在接手手表的开发后，Oechslin博士重新思考了这一概念，最著名的是在机芯下方安装了巨大的主发条。枪管不仅被重新定位，而且从根本上进行了改造，将其转变为时间显示的一个活跃组件。
Freak的标志性特点始终是它告诉的方式，行驶中的火车兼作超大分针，而桶盖则起时针的作用。有趣和引人注目的同时，作为手部结构的动作可能比传统动作复杂得多。
时针
Oechslin博士创建的第一个原型已经具备了定义后续生产模型的所有元素。通过基板上的切口可以看到一个巨大的盘绕主发条，这实际上是枪管盖。
尽管其尺寸和位置不同寻常，但枪管在形式和功能上几乎与普通枪管相同，基本上是一个鼓，包含一个缠绕在中心心轴上的长弹簧。主发条的外端与枪管壁相连，而最内端与心轴相连。

路德维希·奥赫斯林建造的第一个Freak原型。图片-Ulysse Nardin
从功能上讲，“Freak”的枪管也与传统枪管遵循相同的原理。上弦时，当心轴转动时，弹簧的线圈会收紧，储存潜在的弹性能量。一旦完全盘绕，弹簧开始沿相反方向旋转，因为弹簧松开时，其外部线圈会拉动发条盒。
传统的套筒在套筒外侧有一个齿圈，与行进中的传动系的第二个轮子啮合（套筒用作齿轮传动系的第一个轮子）。

图1
Freak的枪管结构依靠复杂的传动装置来实现一个简单而有用的目标：时针和分针之间的旋转比为12。换言之，分针在时针完成一圈的同时绕表盘旋转12圈。在这里，我们将解释如何做到这一点。
Freak的大枪管放在箱子里很低，边缘没有任何牙齿。如图1中的截面图所示，心轴与一个宽大的棘爪轮刚性连接，棘爪轮与一对棘爪一起工作，将心轴的旋转限制在一个方向上。点击轮直接链接到钟表的表壳背面。
通过构造，表壳背面可以在滚珠轴承上自由旋转，佩戴者可以通过沿正确方向旋转表壳背面来卷绕手表。主发条的设置方式是，从表盘上看，当展开时，它会顺时针方向驱动发条筒。需要注意的是，桶可以在箱子内部自由转动。
主发条的长度和厚度都异常之长，使其成为机芯的强大动力。由于其巨大的尺寸，用传统尺寸的表冠手动上弦将是乏味的，几乎是不可能的。将弹簧直接穿过大直径的表壳背面更方便，增加了握持力和杠杆作用，这两项工作都有利于用户。

图2
Freak的核心是行星齿轮的实现。由于一些有用的特性，行星齿轮或周转齿轮在机械工程的各个领域都有很多用途。例如，汽车变速器和齿轮箱通常采用许多行星齿轮。
在钟表制作中，行星齿轮有时被用于动力储备指示器。在怪胎的情况下，行星齿轮占据了中心位置。每个基本行星齿轮组都包括一个环形齿轮（图2中标记为R）、一个行星齿轮（标记为P）、承载行星齿轮的托架（本例中为蓝色桶盖），最后还有一个太阳齿轮（标记S）。
尽管它们共享相同的轴线，但轮子S独立于载体（枪管）转动，因此后者的运动不会直接影响前者。齿轮P在枪管和镶有珠宝的金桥/小时指示器之间可靠地枢转。它与S和环R的内齿啮合。
当P和S可以自由移动时，环R与壳体刚性连接，保持静止。如前所述，在主发条的张力下，枪管倾向于顺时针旋转。
一旦枪管被缠绕并开始移动。由枪管及其固定桥承载的轮子P绕其轴线转动，该轴线被R的固定内齿拖动。反过来，这使S绕其自身轴线转动，但与枪管相比角速度不同。
起初可能很难确定从一个齿轮到另一个齿轮的传动比，因为这不是传统的齿轮系。但由于这种排列形成了一个经典的行星集，因此可以应用行星齿轮的威利斯方程。

图3
行星齿轮的基本方程，也称为威利斯方程，是一个非常有用的数学表达式，用于描述行星齿轮中单个部件的运动。
图3首先显示了方程的一般形式，具有以下约定：Nr是环形齿轮的每日转数，Nc是托架的转数，最后Ns是太阳齿轮的转数；Zr和Zs分别是环形齿轮和太阳齿轮的齿数。
在Freak的情况下，环R是固定的，因此是静止的，因此其日转数Nr必须为零。托架Nc的每日转数为2，因为它兼作一个小时指示器，每天绕表盘旋转两次。太阳齿轮S承载分针/副齿轮系，这意味着它每天绕表盘旋转24圈，每小时旋转一圈，因此Ns为24。
通过从我们的方程中减去这个数字，并在随后的一些简化之后，我们得到了环形齿轮和太阳齿轮的齿数之间的有用比率。对于大多数Freak模型来说，16是S的齿数，根据上述比率，这意味着环R有176个齿。以这种方式，太阳齿轮每转12圈，套筒就会转动一圈，这正是时针和分针之间的传统比例。

原始Freak的表壳背面显示了主发条的发条筒和线圈
分针
上面已经确定了小时指示器和中心小齿轮之间的速比，只需要在主发条松开时调节发条筒的功率释放。这是以一种相当传统的方式完成的，使用弹簧调节器和一组前进齿轮，非常像普通的机芯。
中心小齿轮S比平时更大，以承载分针平台。站台又承载着一列行驶中的列车，其布局方式与经典建筑相似。
然而，这种动力传递的方法并不常见，因为枪管不会直接与行进中的列车接触。相反，行驶中的列车在一端与内部环形齿轮啮合。与行星齿轮总成中的R部件不同，该内部齿轮实际上只是静止的。它与表壳的转动表圈相连，佩戴者可以间接地对行驶中的列车进行操作。但是，除非从表圈接合，否则环形齿轮将保持静止。
当底座小齿轮转动时，它携带着微小的平台。在内部齿轮的牵引下，行驶中的列车启动，最终接合擒纵机构和平衡装置。按照经典的方式，当擒纵机构锁定时，从平台到主弹簧的整个系统都会停止。
平衡频率和传动比的计算方便地允许平台每60分钟完全转动一次，使其能够充当分针。部件齿轮在图4中突出显示。它们与经典的行进列车有着惊人的相似之处，这有时会导致整个机芯都位于旋转平台中的结论。这在一定程度上是正确的，因为我们已经看到运动架构比这更深入。

图4
Freak手表古怪的时间设置是通过转动手表的前表圈来完成的。在最初的模型中，表圈有一个波浪图案的边缘，类似于瓶盖，这是对尤利斯·纳尔丁海事遗产的致敬，也是对公用事业的让步。
如上所述，接合分钟平台的内环齿轮直接连接到表圈。理论上，这会导致一些问题。转动表圈理论上应该会破坏从主发条到擒纵机构的动力流。设定时间意味着将分针和时针移动到齿轮上。
由于小时指示器基本上是发条筒，设置时间并中断发条筒的旋转运动意味着直接作用于主发条。在这种情况下，理所当然地，顺时针设置“怪胎”会使发条筒放松，而逆时针设置则会使发条卷起来，给机构施加过大的应力。
解决方案是在主发条上安装滑动套。通常被称为自动运动，套可以让主发条在完全盘绕时沿着内筒壁安全地“滑动”，同时仍然施加扭矩。这样做是为了防止完全卷绕的主发条断裂，即使自动机构继续卷绕。
在Freak的情况下，滑动系缆器的实施意味着枪管可以自由转动，而不会破坏内部的主发条，施加的扭矩损失最小。
即使这样，在时间调整过程中，由于正常的扭矩流被破坏，擒纵机构失去动力，Freak平衡的幅度也会严重下降，但对计时的影响很小，因为时间设置不需要很长时间，之后会立即恢复全功率流。
最初的2001 Freak采用了一个几乎可以自由转动的表圈，只有通过表壳内部密封垫圈的摩擦才能保持静止。佩戴者可以随时自由调整时间，而无需使用特定的设置模式。因此，表圈几乎倾向于自行移动，因为主弹簧的张力直接进入表圈的内环，使其易于在最轻微的碰撞或碰到任何东西时旋转。
这在Freak的后续版本中得到了纠正，所有版本都在表圈底部有一个铰链式锁定片。当卡舌接合并平放在表壳上时，它会对表圈施加压力，形成一个简单的锁定机制。提起卡舌即可解锁挡板进行时间设置，这一解决方案出奇地简单优雅，但又实用。

锁片还具有装饰功能，因为它可以雕刻，如Freak Vision上所示
陀飞轮还是卡罗素？
陀飞轮可能是A.-L.Breguet最经典的发明，它的发明是为了补偿重力影响缺陷和随后的位置速率误差。Breguet的发明不断地使振荡风琴绕着自己的轴旋转，有效地消除了定位误差。
定居英国的德国钟表学家和发明家Bahne Bonniksen对陀飞轮印象深刻，他开始适应和改进Breguet的概念，试图使其更坚固、制造成本更低。结果产生了karrusel，这是一种新型的旋转组件，旨在通过所有可能的垂直位置移动天平。卡罗素主要受到查尔斯·弗罗德沙姆和妮可·尼尔森等英国制造商的青睐，但既没有达到陀飞轮的知名度，也没有获得陀飞轮的声望。
由于其旋转结构，Freak长期以来被认为是陀飞轮或卡罗素。但要确定是不是其中之一，我们需要了解两者之间的区别。
陀飞轮和卡罗素之间的区别仍然存在困惑。两者都是将平衡装置与固定的主板隔离开来，在笼子或平台上转动。
陀飞轮和卡罗素之间最明显的区别是它们各自的旋转速度：陀飞轮通常每分钟旋转一次（在现代制表中，有时甚至更快），而卡罗素的旋转速度要慢得多，通常持续52.5分钟（正如Bonniksen在1894年的原始专利中所建议的那样）。陀飞轮的动作看起来更生动、更引人入胜，而卡罗素的动作则像时针一样缓慢。

Bonniksen 1894年专利中的卡罗素图
从技术角度来看，这两种结构之间的主要区别在于使用了固定齿轮。陀飞轮通常安装在一个大的、固定的第四个轮子上。由于保持架由第三个齿轮提供动力，擒纵小齿轮沿着固定齿轮运行，为擒纵机构和平衡装置提供动力。
另一方面，卡罗素没有使用任何固定齿轮，相反，保持架由第三轮的小齿轮提供动力，第三轮单独为第四小齿轮提供电力。
结果是，笼子和第四个轮子在同一方向上绕着同一轴线独立旋转，但速度明显不同，因为第四个车轮必须更快地转动才能为逃生轮提供动力。由于这种布置，为了容纳擒纵机构，天平通常必须偏离回转轴线。

Bonniksen stye karrusel机芯，署名“Birch&Gaydon，伦敦钟表制造商”。图片-Antiquorum
然而，平衡相对于旋转轴的位置并不是这两种结构的可靠标志，因为偏移平衡并不一定意味着结构是一种因果关系。区分两者的唯一决定性方面是存在任何类型的固定齿轮：将这种齿轮（或环形齿轮）结合在主板中的结构是陀飞轮，任何不具有任何固定齿轮元件的结构都是卡鲁塞尔。
这一结论将讨论带回了怪胎。一看到明显偏离中心的平衡，人们可能会忍不住给它贴上卡鲁塞尔的标签。但回到Freak的基本操作原理，我们发现机芯依靠一个固定的内部环形齿轮来设置擒纵机构的运动，擒纵机构组装在一个由单个小齿轮S提供动力的平台上。因此，Freak无疑是一款陀飞轮，尽管它是一种特殊品种。
两次逃亡的故事
众所周知，Freak是第一款在机芯中使用硅元件的时计。Forestier Kasapi女士的最初设计不需要任何硅部件，Freak的架构本身也不需要任何硅片部件。奇怪的是，Freak的原始专利图纸显示了一种传统的瑞士杠杆擒纵机构。
促使Ulysse Nardin开发并使用这种意想不到的材料的是Oechslin博士想要实现一种新的逃避现实的愿望。这位发明家已经说服Schnyder在一些原型中安装一种他自己构思的新擒纵机构，显然遇到了很大的阻力。
这发生在欧米茄公司投入大量资金将丹尼尔斯同轴电缆工业化的时期，该公司直到1999年才实现这一目标，这证明将一种新颖的逃避现实产品推向市场确实是一场冒险的赌博。
Oechslin博士最终在Freak运动的后期实现了他的愿望，当时他被允许在同样具有实验性的Freak运动中实现他的实验性双轮擒纵机构。更重要的是，Freak的新型擒纵机构实验开创了硅在制表中的应用。
双重直接逃离
Dual Direct Escapement依靠两个镜像逃生轮、一个小型制动杆和复合滚轮，并配有脉冲托盘，让人立刻想起Breguet的畸形本质。第一次，擒纵机构是由硅制成的，硅是一种覆盖在硬氧化物层中的硅。
Oechslin博士回忆说，他在设计Dual Direct时并不知道Breguet的设计，因为他对历史作品的了解有限。相反，他发展了逃避现实的方式，因为这种安排的有用性对他来说显然是合乎逻辑的。事实上，他的想法在某些方面与Breguet的不同，因为后者使用双齿轮上的支柱来传递动力，而Dual Direct则使用完全扁平的逃生轮。
遗憾的是，这种擒纵机构在实践中并不是很可靠，许多车主报告说它偶尔会出现故障或结冰。这在一定程度上源于Dual Direct在挂钟中进行了试验，但事实证明它在手表中的使用存在问题。因此，大多数第一个系列的怪胎在服役期间都用更新的版本更换了逃生轮。很少有例子仍然保留原来的双直接Escapement车轮。
尽管当时它很新颖，但有充分的理由在怪胎中使用硅。首先是材料的硬度问题。擒纵机构在设计上是快速移动的，其动作也相应地剧烈。因此，它的零件需要足够坚硬，才能随着时间的推移保持精确的形状。
下一个原因与体重有关。其中一个镜像逃生轮被其对应的逃生轮拖动，这意味着由于惯性而导致的效率损失，因为主发条必须加速的不是一个，而是两个逃生轮。最后，所需的严格公差要求制造工艺能够始终如一地制造小而精确的部件。
在黄铜和铝车轮的试验失败后，建议使用硅化物。有利的是，硅的表面硬度约为1100维氏硬度，几乎是黄铜的10倍，密度为2.33 g/cm3，小于黄铜密度的三分之一。
此外，硅化物零件是通过DRIE生产的，这是一种制造工艺，可以大规模生产具有完美公差的非常精确的平面部件。简言之，硅使双直接Escapement变得可行。

双重直接逃生图——Ulysse Nardin
从专利EP1041459B1中提取的双直接擒纵机构，图a显示了处于其平衡位置的擒纵机构。我们可以注意到以下主要组成部分：两个擒纵轮6和7、杠杆平台21和混合滚筒1。擒纵机构的分层如下：紫色部分在同一个较低的层上，而红色部分的啮合程度高于第一层。
两个擒纵轮各具有25个齿，但具有两种齿形，即类型13和15。每个车轮上有5个13型齿和20个15型齿。
长齿的间距为72°（360°除以5个尖头）。15型齿看起来好像它们的附加部的大部分是从13型齿的初始摆线形状上切下的。齿顶是位于节圆上方的轮齿部分。断开的牙齿仍然适合与另一个齿轮轻轻啮合。以这种方式调整后，平齿轮在其主平面内形成一种副啮合平面。很明显，齿13比较短的齿15延伸得更远，因此它们可以与一对脉冲托盘17-18接合。

图a
虽然Breguet选择了两个分离层——一个下层用于啮合，一个上层用于实际分离脉冲——Oechslin博士通过取消单层轮子来降低他的擒纵机构的厚度（以及随后的重量和惯性）。冲击托盘17和18属于滚筒1的下部平台9。这两个托盘与传统托盘大不相同。它们没有传统石头通常锋利的矩形切割形状，也不是由红宝石制成的。节段9实际上是一个只有两个齿的齿轮，方便地设置为用作脉冲托盘。与9同轴安装的是安全辊11，该安全辊11具有齿20。
所述齿的行为类似于滚子销，与平台21的两个齿相配合。平台21通过其柱状附肢33用作一种锁定杆。摇杆33安装在平台的轴2上并且与逃生轮处于同一水平面上，摇杆33被设计成与所述轮的长齿13接合。
如前所述，图1展示了处于平衡状态的系统。与擒纵轮6的小齿轮35相连的是另一个属于行进列车的齿轮4。如果枪管被缠绕，它会通过传动系将动力传递给擒纵机构。在齿轮4的作用下，驱动轮6将逆时针转动，使轮7以相等角速度顺时针运动（由于它们的传动比为1:1）。
在图a中，逃生轮似乎处于任意位置。不管它们的起始位置如何，这两个轮子都不会与锁定摇杆33接合，因为后者被空转平衡轮中立地定位。
最终，在主发条扭矩的作用下，两个逃生轮开始转动。在它们的加速过程中，它们中的任一个通过它们各自的长齿13与冲击辊9接合。在我们的情况下，轮子6的一个齿（被一条线横切）被设置成落入托盘17中，从而干扰平衡并引发振荡。

图b
图b显示了脉冲分开后的相同系统。标记的齿13a已经明显地前进到一个新的位置。根据方向箭头，天平已经接收到必要的脉冲，并且已经行进了其补充弧，并且现在在游丝的恢复力的作用下朝向其初始位置重新调谐。
两个连接的擒纵轮由作用在轮7的齿14a上的摇杆33锁定。锁定通过平台的部分32和安全滚轮11之间的安全运行来固定。这与传统杠杆式擒纵机构中的安全销和滚轮的作用并无完全不同。当凹口32与11接触时，平台21不能转动，从而确保通过棘爪33锁定。
逆时针转动，平衡辊组件1将首先通过齿20与平台21接触。在所述齿的每一侧上有两个凹口，这两个凹口分别允许齿23和22装配在20中并与20接合。从接合的那一刻起，解锁阶段开始，紧接着是下降。
在图c中可以仔细观察到脉冲或跌落相位。解锁完成，摇杆33已经移动到齿14a的位置，允许车轮7前进。齿14a落下并且抵靠托盘18滚动，从而施加脉冲。滚轮逆时针加速，顺时针拖动平台21，并将摇杆33设置到位以锁定擒纵轮6的齿13b。凹口31与安全辊11接触，从而确保锁定的安全性。然后循环重复。

图c
这种布置的特点是擒纵轮与滚轮的圆周比为1.9:1，滚轮与平台之间的比例为1:1。如图所示，在锁定过程中，摇杆33从其中心位置偏移了整整35°角，这表明由于上述1:1的比例，解锁角度很大，为35°。
在脉冲阶段，每个车轮行驶36°（半个齿距），其中约15°的行程提供主动脉冲。逃生轮和滚轮之间的比例为1.9:1，前者在冲击过程中移动28.5°。锁定动作与冲击同时发生，锁定摇杆33（与平台21一起）再移动35°。
加起来，我们得到了70°的总升力角，与瑞士杠杆式擒纵机构通常的52°升力角相比，一开始可能会显得非常大。然而，由于实际脉冲相位仅需约28.5°，并且在锁定和解锁过程中与平台的接合只会产生相当微弱的阻力，因此对平衡摆动的干扰仍然很小。
以下两张图显示了在Freak时计中实现的Dual Direct。最终结构与专利图略有不同，尤其是在平衡辊和锁定杆方面。这些图片展示了一种更经典的排列方式，由合金制成，让人想起带有珍珠（红色）的既定擒纵机构滚轮。系统的整体简洁性在其他方面得以保留。

双直接擒纵机构图-Ulysse Nardin
第一个系列中的平衡以3Hz的频率跳动，这意味着平衡每秒产生三次完整的振荡，或每秒六次振动。在一次振动中，每个擒纵轮前进36°，每次振动总计72°（或全齿距）。这使得两个擒纵轮的角速度为每秒3/5转。相比之下，瑞士杠杆式逃生轮每三秒只转动一次，速度几乎是两个双直接逃生轮的两倍。
主动齿之间的巨大间距也意味着它们在解锁后不会立即与脉冲齿相遇，因此在实际掉落之前有相当一部分“死亡”行程。
这种擒纵机构的另一个特殊之处在于没有牵引。拉伸角度通常实现安全功能。例如，在瑞士杠杆中，托盘的锁定面以一定的偏移角度靠在擒纵轮齿上，该偏移角度将托盘绑定到擒纵轮齿。平局是在大的补充弧期间提供解锁阻力和安全性的原因。双重直接逃生完全没有这一概念，这表明锁定动作肤浅且不安全。
除了可疑的锁定，主动轮和从动轮之间的相互作用是另一个巨大的缺点。不同的齿长会严重破坏齿轮啮合的规律，从而导致不同的穿透深度，导致周期性的不均匀啮合。
本质上是“自然”擒纵机构的结构，当驱动轮锁定时，从动轮没有张力，因此允许轻微颤动。再加上麻烦的啮合，结果是高度不平等和不一致的脉冲。然而，假设DRIE中非常紧密的生产间隙在理论上应该在一定程度上改善齿轮的相互作用。
如前所述，第一款概念擒纵机构在2001年的Freak系列中表现不佳，这导致大多数部件在使用过程中都使用了第二款更稳定的版本进行了改装。Dual Direct Escapement经过彻底改造，第二代版本仅保留了双轮架构。我们将在怪胎传奇的第二部分详细介绍这一点。