陀飞轮由宝玑大师发明而诞生,在当时以怀表为计时仪器的背景下,出于对计时精度的追求,宝玑大师运用其多年的制表经验,创新发明了可旋转的陀飞轮,使得机械计时仪器精度进一步提高。陀飞轮在机械手表与航海钟上被广泛应用,掌握该技术就具有着很重要的实际应用价值,基于此,本文对陀飞轮的工作原理及结构特点进行设计研究。首先,本文对宝玑式陀飞轮、飞行式陀飞轮、同轴擒纵式陀飞轮和三轴立体式陀飞轮结构及运动原理进行了深入的分析研究,认为偏心飞行式陀飞轮有结构简单、制造难度低且计时准确等明显优势。其次,为尽量减少陀飞轮的计时误差,分析了影响陀飞轮走时准确性的因素。针对陀飞轮重心偏移问题和宝玑式陀飞轮上下支撑不同心的问题,提出了解决方法。由于振动周期决定了走时的准确性,分析了游丝力矩非线性、摆轮系统不平衡、擒纵机构及外界条件对振动周期的影响。最后,由于现有的偏心式飞行陀飞轮不能满足计时要求,而摆轮游丝和擒纵机构是陀飞轮的重要组成部分,为了改造偏心式飞行陀飞轮,本文分析了擒纵机构的工作原理,应用振动力学方面的理论,对游丝的尺寸参数及力学性能进行了设计计算,接着根据参数对偏心飞行式陀飞轮进行了改进设计,计算验证了改进陀飞轮的旋转周期,并结合陀飞轮重心偏心理论,对改进的陀飞轮重心偏移产生的能量耗损进行了计算。为验证改进陀飞轮的旋转周期,建立了改进陀飞轮擒纵机构的运动学模型,通过MATLAB及ADAMS仿真求解,证明理论计算的陀飞轮旋转周期与仿真结果一致。