1.1 什么是陀飞轮
传奇的法国制表大师阿伯拉罕•路易•宝玑（Abraham Louis Breguet）打破了传统的计时原则，将原先固定不动的调速机构放置于可以旋转的框架内。这在当时以怀表为常用计时工具的年代是个非常伟大的发明：由于怀表长时间被竖向放置，其内部的走时核心——调速机构会受到地球引力的影响，导致手表位置误差，直接影响表的走时精度。宝玑先生利用他多年的制表经验，一针见血地把调速机构转动起来，这样不同方位的位置误差自相抵消，使得带有陀飞轮装置的表走得更精准。而陀飞轮翻译自法语Tourbillon，为急速旋转之意，这个名字也从另一层面体现了宝玑大师发明它的真谛。
1.1.1 诞生背景
高精确度是手表发展几百年以来制表师们永无止境追求的目标。18世纪海上强权主宰世界，航海钟对精准度苛求，这使得钟表制作开始了大步飞跃。这个时期的重要发明有极为精密的冲击式擒纵机构、被普遍使用的温度自补偿螺钉摆轮以及抗地心引力的陀飞轮装置等。其中，陀飞轮最负盛名，并且对表迷们有一股无法抗拒的吸引力。陀飞轮自1795年发明至今仍能经久不衰，甚至有声势地位逐年高涨的趋势，其原因就在于陀飞轮的发明人宝玑大师的辉煌成就、困难的手工制作、技术方面的垄断和厂商炒作等因素。但是，更重要的原因是这二百多年以来，陀飞轮那被人津津乐道、充满了传奇色彩的发展历程。
1801年6月26日，宝玑大师从巴黎专利局获得一项为期十年的新型时计擒纵机构专利，这个新擒纵机构就是所谓的陀飞轮装置。不过根据专家研究，其实宝玑早在1795年便已经构思出这项发明，其后经过多年实际制作，并且以数月的时间准备了一份附有该装置水彩图的完整申请书，陀飞轮才得以正式问世。图1-1所示为宝玑于1801年申请专利时在申请书里所附的陀飞轮装置图。
图1-1 陀飞轮装置图
这个为了抵消地心引力的影响从而提高手表精确度的新颖装置，光是构思出运转原理与机械结构，就足以说明宝玑先生傲人的制表天赋，不过陀飞轮的制作难度对他来说仍然极富挑战性，所以产量稀少。陀飞轮的制作难度，在当时高居各项手表功能之冠，这也使它生来便价值连城。宝玑的第一款陀飞轮表直到1805年才问世，距离其想法出现已经过了十年。而普通大众也直到1806年巴黎举行的全国商品展览会上，才得以一睹陀飞轮的庐山真面目。从1805年到1823年宝玑大师去世为止，总共售出35只陀飞轮表。正是由于宝玑大师的努力，陀飞轮才得以逐步发展，书写下手表史上最灿烂辉煌的一页！
19世纪初的陀飞轮表纯粹是功能取向，与宝玑创制陀飞轮的初衷一样，只为了让垂直放置在口袋里的怀表走得更加精准，因此在框架及夹板设计上并不是特别注重美观，也很少与其他复杂功能共同制作在同一只表中（报时、万年历等其他复杂功能经常会出现在超复杂功能表里）。图1-2为制作于1830年的一分钟陀飞轮怀表。那时仍在陀飞轮的启蒙阶段，能够制作此结构的制表师很有限，所以当时的陀飞轮产品相当罕见，能够流传到今天的更属凤毛麟角。
图1-2 制作于1830年的一分钟陀飞轮怀表
1850年以后，瑞士最有名的两位陀飞轮制表师就是奥古斯特•格雷特（Auguste Grether）和欧内特•金兰德（Ernest Guinand），他们的作品大部分装置在其他品牌的表里面。他们的作品极有特色，首先是陀飞轮的框架已经摆脱了宝玑时期单调的双臂式和以功能为主的雏形，而进入了工艺品的阶段。他们不但使得框架形式美观，而且重视外观的雕琢打磨。Guinand最有名的作品是一系列提供给芝柏（Girard-Perregaux, GP）三金桥机芯的陀飞轮结构，这系列作品堪称陀飞轮史上的一次重大变革，它不但结合了富有逻辑性的桥板以及机械结构，而且具有赏心悦目的艺术风格。图1-3为制作于1900年的一分钟陀飞轮机芯。
图1-3 制作于1900年的一分钟陀飞轮机芯
1.1.2 宝玑大师
阿伯拉罕•路易•宝玑（1747—1823），见图1-4，生于瑞士纳沙泰尔（Neuchatel）。自17岁起，他在巴黎开始制造钟表。不久，他因过人的才华和超强的发明能力崭露锋芒，获得当时的文艺倡导者法国国王路易十五的赏识。1775年，宝玑在巴黎开设第一间钟表店。由于他拥有渊博的机械知识，精通钟表特点并在制作技术上独具过人天分，依靠丰富的想象力创造出了一件件动人的优秀作品。宝玑设计及制造的钟表产品非常多元化，涵盖了手表、航海天文钟及钟。
图1-4 宝玑大师肖像
宝玑在钟表业的各类技术领域（内部的机芯和外观装饰）都取得了优异的成绩，从以下内容可见一斑。
·1780年推出了自动手表（Perpetuelle）；
·可以大大减少自鸣表阔度的鸣钟弹簧；
·第一个手表防震装置（Pare-Chute），使得调速系统可以得到很好的保护，从而不再那么容易受损，性能更加可靠；
·不断改良的杠杆式或圆筒擒纵装置；
·宝玑设计的时分针造型在指针末端处有镂空圆点，被称为Pomme（法语，英文词义是apple-苹果）时针，后来干脆被称为宝玑针；
·在珐琅盘表面上装饰优雅的数字；
·设计了自手表面世以来最纤薄细致的黄金表壳，壳体以及白银面的纹饰皆用人手精心雕琢而成。
宝玑77岁辞世。他所取得的诸多成就，不但在他在世的时候获得广泛推崇，时至今日，他仍被公认为是有史以来最伟大的钟表制造家和钟表天才。宝玑一生重要的发明包括：陀飞轮（tourbillon），摆轮挑框游丝（the Breguet hairspring），宝玑恒动力擒纵机构（the Breguet constant for escapement），以及三问表的报时打簧机构（the spring for minuteyepeater）等，这些卓越的设计均为今日钟表界带来了深远的影响和卓越的贡献。
宝玑大师虽然成名于两百年以前，但是他对于世界制表业的影响力是不可估量的。他就像一位导师，引领着每一位对制表有理想、有抱负的学生逐步进入他的制表理念当中，从而被那种无尽的创造力深刻感染，这就是传承的最佳表现方式。我想，作为一名机芯设计师，首先必须具备的素质是，把自己的精神世界与宝玑大师的创新思维尽量靠近，甚至是对接。只有这样，才能够真正体会到宝玑大师在当时是如何做出那么多伟大的发明创造，领悟出他的动力源何在。同时，宝玑大师对细节的精益求精，也是我们必须要传承的一种素质。
1.1.3 技术背景
随着微机械加工技术的发展，人们已经开始关注和处理各种细节问题，最大限度地提高手表的计时精度。这些细节问题中，因地球引力所导致的手表位置误差最不容易解决。所谓位置误差（简称位差），是指手表机构方位改变所引起的日差变化，它是手表在满条时各所测位置（面上、面下、柄上、柄下、柄左）瞬时日差差值的最大值。重力对手表计时精度的影响主要有以下几个方面。
（1）摆轮游丝系统不平衡
即摆轮游丝系统的重心与摆轴的轴心不重合。
通常摆轮游丝系统的质量绝大部分集中在摆轮本身，摆轮的厚度与直径相比要小很多，所以摆轮游丝系统不平衡时，可以认为重心的偏离（即偏心）就发生在摆轮厚度的对称面内。由于系统的偏心会直接影响摆轮的摆动周期，使得摆动周期会产生一定的附加值，当附加值为正时，周期增大，手表走时变慢；反之，当附加值为负，周期减小，手表走时变快。虽然可以通过调整摆轮游丝系统的平衡来减少系统不平衡对周期的影响，但是理想摆轮是不可能被制造出来的。
（2）游丝固定点重力效应
即游丝重心对周期的影响。
游丝在展缩时并不能保持阿基米德螺线的形状，而是很复杂的轨迹变化。当摆轴垂直放置时，游丝重心对摆轴的力只能产生很小的摩擦力，周期不会受到太大的影响；当摆轴水平放置时，游丝重心对摆轴的力会产生较大的摩擦力，周期一定程度上就会受到影响，导致计时误差。
（3）摆轴变换平立位置的振幅变化
当摆轴垂直放置时，它的轴颈端面和轴承接触；水平放置时，它的轴颈外缘和轴承接触。前者的摩擦力小于后者，这就造成摆轴垂直放置时的摆轮振幅比水平放置时高，计时误差就这样产生了。
由于受固有的内在规律限制，人们不可能完全保证游丝和摆轮的重心不变，控制摆轮和游丝的偏心从技术上来讲有一个极限，很难从根本上解决它们。在这样的背景下，制表大师宝玑发明了陀飞轮技术，这项技术从工作原理上解决了手表的位差问题。
1.1.4 理论基础
陀飞轮技术虽然诞生于几百年前，但是它的技术理念确实是很先进的。笔者通过对陀飞轮技术的研究，逐步摸索到了它的理论基础。实际上，陀飞轮的结构本身就是《机械原理》中提到的周转轮系中的行星轮系。行星轮系的特点正是陀飞轮所表现出来的自转与公转的运动方式。我们参考宝玑大师发明的陀飞轮构架图（图1-1）可以看到，摆轮游丝系统处于陀飞轮框架的中心位置，在它的正下方有个被固定在基板上的秒轮片作为行星轮系的“太阳轮”，擒纵机构在框架的带动下围绕框架的轴心线公转，特别是作为行星轮的擒纵轮齿轴与作为“太阳轮”的秒轮片连接，既自转又公转。
知识链接——擒纵机构和摆轮游丝系统
1.擒纵机构
擒纵机构作为机械表的“灵魂”，其地位始终是不可忽视的。杠杆式擒纵机构已经被运用了数百年，其技术结构与制作工艺都已经非常成熟。
1.1 发展史
机械钟表诞生至今700多年的发展历史中，钟表大师们发明了很多种类的擒纵机构。
·14世纪在欧洲出现了早期的擒纵机构“机轴擒纵机构”（verge escapement）。
·17世纪后期发明的使用在摆钟里的“回退式擒纵机构”（recoil escapement）。
·18世纪早期由英国人格林汉（George Graham）发明的“直进式擒纵机构”（deadbeat escapement）。
·18世纪应用于怀表的“工字轮擒纵机构”（cylinder escapement）、“镰钩式擒纵机构”（virgule escapement）和“复式擒纵机构”（duplex escapement）等。
·18世纪中期由英国人Thomas Mudge发明的“杠杆式擒纵机构”（lever escapement），“冲击式擒纵机构”（detent escapement）。
目前，在这些种类繁多的擒纵机构当中，使用最普遍的是由英国人Thomas Mudge在18世纪中期发明的杠杆式擒纵机构（见图1-5）。
图1-5 杠杆式擒纵机构
1.2 “灵魂”
擒纵机构是机械钟表中介于“传动机构”（一轮到四轮）和“调速机构”（摆轮游丝）之间的一种机械结构。擒纵从字面上很容易理解：一擒、一纵，一收、一放。这一收一放的“擒纵机构”是机械钟表的灵魂，因为它在机械钟表中具有两个至关重要的作用：
第一，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来维持该系统不衰减地振动；
第二，擒纵机构把摆轮游丝系统的振动次数传递给指示装置来达到计量时间的目的。因此，擒纵机构的好与坏将直接影响机械手表的走时精度。
1.3 杠杆式
杠杆式擒纵机构（见图1-6）主要由擒纵轮、擒纵叉和双圆盘三部分组成，它的特点是利用擒纵轮齿与擒纵叉上的叉瓦在释放与传冲的过程中将原动系统输出的能量传递给擒纵叉，同时擒纵叉口又会与圆盘钉相互作用，擒纵叉通过圆盘钉将来自擒纵轮输入的能量传递给摆轮游丝系统。通过这一系列的杠杆原理，摆轮游丝系统源源不断地得到原动系统输出的能量以维持该系统不衰减地振动，从而完成机芯指示装置准确走时的使命。
图1-6 杠杆式擒纵机构图
1.4 直马擒纵叉
杠杆式擒纵机构被形象地称为“马式擒纵机构”。所谓“马”指的是擒纵叉（马仔），也意味着这种擒纵机构的擒纵叉像匹骏马在飞奔。我们经常见到的擒纵叉属于直马式，见图1-7，其各位置的特征是：
图1-7 直马擒纵叉
A位置是与基板相对应的宝石轴承相配合的叉轴轴尖。
B位置是与控制夹板相对应的宝石轴承相配合的叉轴轴尖。
C位置是擒纵叉，它的形状是被特别设计的，好似一个反写的“T”字，上面的位置被称作叉头，用来镶嵌叉头钉G，而F是个方槽，此位置是为了用来与圆盘钉碰撞得到驱动力而特别设置的。
D位置是进瓦，它的作用就是负责锁定与释放擒纵轮齿，同时也是与擒纵轮齿碰撞将能量传递给擒纵机构来完成整个机构的半个周期动作。
E位置是出瓦，它的作用基本上与进瓦是一样的，只是此时擒纵轮齿碰撞将能量传递给擒纵机构来完成整个机构的另外半个周期动作。
2.摆轮游丝系统
摆轮游丝系统是机械手表的核心部分，其作用是计时的基准。机械手表属于振动计时仪器，它的基本工作原理是利用一个周期恒定的、持续振动的振动系统，振动系统的振动周期乘以被测过程内的振动次数，就得到该过程经历的时间，即时间=振动周期×振动次数。而振动系统在机械手表里就是我们常见到的摆轮游丝系统。摆轮游丝系统持续不断地振动，并且准确地计算出其振动次数，就可以计算出所经过的时间。但是摆轮游丝系统在外界因素的影响下，摆动的幅度将逐渐衰减甚至最后停止不动，为了使其不衰减地持续振动就必须定期地给摆轮游丝系统补充能量。机械手表中的能量来自于原动系统，同时通过机芯内部的主传动系统将能量周期性地补充给摆轮游丝系统，并且这个过程是通过擒纵机构实现的。
2.1 振动周期
以机械手表中振动频率为每小时21600次、振动周期为1/3秒的摆轮游丝系统为例，假设擒纵轮片为20个齿，摆轮游丝系统每振动一次，擒纵轮片便会转过1个齿，那么擒纵轮旋转一周所需要的时间为（1/3）×20=（20/3）秒，由于擒纵齿轴与擒纵轮片是铆合在一起的，擒纵齿轴旋转一周所需要的时间是20/3秒，再设定秒轮片与擒纵齿轴啮合，二者的传动比为90/10，因此秒轮旋转一周所需要的时间为（20/3）×（90/10）=60秒。此外，现有的机械手表比较常见的摆轮游丝系统的振动频率还有每小时28800次，振动周期为1/4秒，有兴趣的朋友可以根据上面的思路计算出秒轮的速度。
2.2 摆轮部件
摆轮部件包括摆轮、摆轴和双圆盘部件，如图1-8所示。
图1-8 摆轮部件
A位置是与摆夹板镶嵌的防震器组件内宝石轴承相配合的摆轴轴尖。
B位置是与基板镶嵌的防震器组件内宝石轴承相配合的摆轴轴尖。
C位置是摆轮，它是此系统里最为重要的部分，自从机械手表诞生以来出现了很多种类的摆轮。由于摆轮将直接影响机械表的走时精度，因此钟表设计师必须着力将影响摆轮的因素消除或者降至最低。在这些因素中，环境的影响最为突出，这也就导致制作摆轮的材料必须采用钟表历经几百年来所总结出的特殊材质；此外，摆轮的形状也是被特别设计的，这些都是为了利于摆轮在机芯中抵抗来自于外在的影响其正常运动的不利因素，比如温度自补偿螺钉摆轮、铍青铜合金摆轮与可变转动惯量摆轮，其中可变转动惯量摆轮是个比较特殊的摆轮，因为它还有个特别的结构是无卡度摆轮游丝系统，这个将在后文给大家做详细的解析。
D位置是双圆盘部件，包括了双圆盘和镶嵌在它上面的圆盘钉，此部件起到了特殊作用。
E位置是镶嵌在双圆盘的圆盘钉。
2.3 游丝部件
游丝部件包括游丝和三角内桩，见图1-9。
图1-9 游丝部件
A位置是与摆轴相配合固定的内桩中心孔。
B位置是与游丝内端配合在一起的三角内桩的侧翼的开口，它的深度与宽度正好与游丝相配合，所谓的“三角内桩”就是根据它的形状得来的名字，也是目前被应用最广的内桩。此外还有一种内桩是圆形的，被称作圆内桩，由于它相比于三角内桩具有不能完美贴合游丝内端的缺点，故应用比较少。
C位置是游丝，其形状是阿基米德螺旋线，也可以称作涡旋线。
D位置是游丝的外端曲线，它不是涡旋线的一部分，而是被特殊设计的一段具有几段折线的弧状曲线。此设计的目的就是为了将调节机械手表走时精度的快慢针部件（下文即将讲到）与固定游丝最外端的外桩更好地配合在一起。
2.4 调速组件
调速组件包括游丝部件和摆轮部件，见图1-10。
图1-10 调速组件
A位置是游丝部件上的内桩与摆轮部件的摆轴固定为一体。
B位置是摆轮，此摆轮外缘被设置了多个螺钉，属于花型摆轮。
C位置与D位置在前面已经谈到了它们的作用，而将它们组合在一起就是需要一个固定的设计角度了，在计时书里被称作卷进角。以游丝从内桩的初端与游丝外端曲线的第一个打弯处连线，以及它与外桩所在位置的连线的夹角就是游丝的卷进角。此外，圆盘钉的位置与外桩的位置夹角也是被设计好的，它决定了摆轮游丝系统左右两个振动周期的一致性。
2.5 摆夹板组件
摆夹板组件包括摆夹板、防震器组件、快慢针部件和外桩环部件，见图1-11。
图1-11 摆夹板组件
A位置是摆夹板，其上被刻上了正负号和刻度，用于标识调整快慢针的快慢方向，具体的工作原理将在后文介绍。
B位置是防震器，被镶嵌在摆夹板上作为摆轴的上支承，同时也起到了保护摆轴轴尖的作用。
C位置是快慢针部件，包括了快慢针以及镶嵌在端部的外夹和两根较细的内夹。其中，外夹的尾部有个凸出部分，作用是阻挡住游丝使其在震荡的过程中不会脱离出来，也就是控制了游丝的轴向运动；而两个内夹中间所形成的缝隙是留给游丝的，使得游丝在里面可以荡框，也就是限制了游丝的径向运动。
D位置是外桩部件，包括了外桩环以及镶嵌在端部的外桩管，还有通过螺钉固定的带有开口的外桩。此处的开口是为了游丝最外端通过胶粘合的地方。D位置这个外桩部件的设置就是为了调整游丝外端曲线的位置，从而保证了游丝的中心与摆轴的中心同轴，使得整体的振动周期左右摆动所用时间尽可能一致。
作为机械表的核心部位，摆轮游丝系统在动力的驱动下，以额定的频率振动。我们可以形象地把它比作人的心脏，通过其不停地振动，从而达到了将精密机械转变成计时用工具。随着时代的变迁，摆轮和游丝都在不断地进化，尤其是新材料的涌现更是推动了调速系统在技术方面的突破。硅游丝已经诞生了十年有余，而硅摆轮于近几年也被成功研发出来。这些成果都是依托现代科技而实现的，相信未来的机械表会有更多的惊喜出现。