В прошлом номере мы рассмотрели назначение колебательной системы «баланс-спираль», общие принципы ее работы и две наиболее распространенные типовые конструкции этой системы: с цилиндрической спиралью, используемой в крупногабаритных часах, прежде всего в морских хронометрах, и наиболее популярную конструкцию с плоской спиралью, которую мы можем встретить практически во всех наручных и карманных часах, а также в значительной части интерьерных моделей.

Благодаря своей отработанности и относительно простоте, эти конструкции используются в абсолютном большинстве часов, которые мы встречаем в повседневной жизни. Однако в тех случаях, когда необходимо создать прибор измерения времени, выполняющий специфические задачи, или работающий, как говорят военные, в «нештатных» условиях, приходится применять совсем иные технические решения.

Не шкалой единой
Представим, что мы хотим создать наручные часы с устройством хронографа, способные замерять время с точностью до 0,1 сек. Для этого мало нанести на циферблат шкалу с ценой деления 0,1 сек. Для достоверности результатов измерений нам потребуется обеспечить прерывистые движения стрелки этого устройства в 0,1 сек. или менее. Лишь немногие механизмы обычных наручных часов имеют достаточную для этого частоту колебаний баланса. Одним из примеров может служить El Primero компании Zenith.

Чем выше желаемая точность измерений – тем более высокочастотные конструкции системы баланс-спираль нам придется использовать. Традиционная же конструкция имеет ограничения. Они накладываются, во-первых, инерционными свойствами ее компонентов. Во-вторых, высокая скорость вращения оси баланса приводит к ускоренному «разбрызгиванию» масла из его опор. Вохникают проблемы с повышенным расходом энергии и т.д. Поэтому в тех случаях, когда нужно получить действительно высокую точность измерений – 0,01 сек. и выше, - , приходится применять иные, высокочастотные конструкции колебательной системы «баланс-спираль».

Одна из них приведена на рис.5а. Эта классическая конструкция германской компании «Тиль-Крупп» была создана ещё в начале прошлого века и до сих пор успешно решает указанные задачи. Она состоит из баланса 1, который представляет собой плоскую пластину, изготовленную как одно целое с палетами 7, и несвободного спуска, напрессованного на ось. Спираль, выродившаяся в этой конструкции в полоску упругой ленты 9, пропущена через отверстие в утолщенной части оси 2 и неподвижно зачеканена штифтом. Оба свободных конца ленты расположены в пазах ползунов 6 с малым зазором.

При угловых поворотах баланса возникает S-образная деформация в виде изгиба ленты 3, что вызывает возвращающий момент. Изменение действующей длины ленты и, соответственно, периода колебаний в этой системе, осуществляется путем вращением винтов 4, которые перемещают ползуны 6. Скобы 5 препятствуют самопроизвольному вращению винтов при воздействии внешних вибраций.

Такие колебательные системы обеспечивают поддержание в спусковом регуляторе автоколебаний с периодом 0,007-0,008 сек.

Другой удачный вариант высокочастотной балансовой колебательной системы представлен на рис. 5б. В этой конструкции баланс, состоящий из кольцевого обода 2 и трехлучевой перекладины 3, неподвижно закреплен на растяжке 1 сложного Y-образного сечения, оба конца которой приварены к нижней и верхней платинам механизма (позиции 4 и 5 соответственно). Возвращающий момент в такой колебательной системе возникает за счет скручивания растяжки 1 при угловом повороте баланса. Эта конструкция обеспечивает автоколебания с периодом 0,001 сек. и менее.

 

Основным недостатком двух рассмотренных видов часовых колебательных систем является весьма малая величина генерируемых с их помощью автоколебаний: порядка 10-12 градусов в первой конструкции, и менее 5 градусов у второй. В силу этого, их колебательная энергия оказывается сравнительно невелика, что негативно сказывается на устойчивости системы к внешним механическим помехам.

Проблему помех остроумно решает оригинальная конструкция колебательной системы спускового регулятора Варо (рис. 5в). Здесь баланс 1 с грузами 2 насажен на ось 3, связанную конической колесной передачей 8, 9 с осью 7, несущей достаточно жесткую цилиндрическую спираль 6, один конец которой запрессован в диск регулировочного градусника 4, а второй – в рольку 13, напрессованную на ось 7. В такой конструкции одновременно с малыми высокочастотными колебаниями оси 7 со спиралью 6 будут совершаться такие же колебания с высокой амплитудой баланса 1, причем амплитуда этих последних будет превышать амплитуду колебаний спирали ровно во столько раз, во сколько большим единицы выбрано передаточное соотношение пары 6-9. На практике увеличение угла колебаний составляет 10-15 раз и более.
Автоколебания в этом спусковом регуляторе поддерживаются несвободным спуском в виде сдвоенного ходового колеса 11, связанного торцевой передачей с первым колесом 12 основной колесной системы часового механизма.

 

Когда все в танке
Особые проблемы возникают при создании балансовых колебательных систем, предназначенных для работы в часах, установленных на различных подвижных объектах, подверженных большим ударным и центробежным перегрузкам. К таким относятся танки и другие бронемашины, высокоманевренные самолеты, бронекатера, железнодорожные локомотивы и т.п. Привычные нам по наручным часам противоударные системы типа «Инкаблок» и других бессильны помочь в экстремальных ситуациях. Поэтому для таких условий работы созданы специальные колебательные системы  - так называемые безотказные системы с «парящим» балансом.

Одна из первых конструкций таких систем изображена на рис. 6. Монометаллический баланс, состоящий из обода 1 и перекладины 2, неподвижно сидит на полой трубке 4, в торцевые концы которой запрессованы сквозные камни из лейкосапфира. Эти камни имеют отверстия, сквозь которые пропущена натянутая растяжка- стальная струна 3. Получается, что баланс может свободно вращаться на этой струне. Спираль в данном случае состоит из двух цилиндрических частей, навитых в противоположные стороны.

Такая колебательная система не боится ударных нагрузок, ибо она упруго подвешена на струне, амортизирующей её вынужденные перемещения. Баланс при своих колебаниях не получает осевых перемещений.

 

Другой оригинальной разновидностью противоударной часовой колебательной системы является конструкция, представленная на рис. 6б. Она весьма похожа на только что рассмотренную: здесь баланс 3 также насажен на полую трубку1, свободно вращающуюся на натянутой струне, но она оснащена более стабильной плоской спиралью 2, достаточно отработанной и поставляемой специализированными фирмами. «Парящее» состояние баланса обеспечивается специально разработанным фирмой Junghans («Юнганс») магнитным подвесом. Он состоит из двух магнитов: нижнего кольцеобразного 4 (через него свободно проходит трубка 1), закрепленного неподвижно в мосту 5, и верхнего 6, запрессованного на этой трубке в положении, оставляющем небольшой зазор между их торцами. Эти магниты, изготовленные из высококоэффективного материала ферроксдюра (бариевый феррит с магнитной энергией в 9,5 млн. гаусс), расположены друг к другу однонаправленными полюсами. Это отталкивает верхний магнит с силой, превышающей вес всей сидящей на струне конструкции, и надежно обеспечивает её «парение», исключая столкновение с ближайшей деталью – нижним магнитом.

Экономная нить
Определенный интерес представляет и балансовая колебательная система с так называемым торсионным подвесом баланса (рис. 6в), отличающаяся от выше рассмотренной конструкции лишь тем, что в данном случае баланс 4 свободно подвешен на струне 1 простого прямоугольного сечения. Автоколебания этой системы поддерживает особая разновидность анкерного хода, состоящего из обычных анкерного колеса 3 и анкерной вилки 2. В данном случае импульсы  колебательной системе передаются не путем подталкивания баланса, а путем «доворотов» струны на дополнительный угол через сидящий на ней рычаг 5. Таким образом, здесь баланс получает порцию не кинетической, а потенциальной энергии, слегка приподнимается вверх. Поэтому спуски такого типа называются анкерными спусками с потенциальным приводом.

 

Наряду с коническими маятниками, колебательные системы с торсионным подесом впервые были исследованы еще Гюйгенсом, и вскоре начали применяться в различных типах декоративных интерьерных часов. Кроме эффектного внешнего вида они интересны высокой энергетической экономичностью, которая достигается благодаря необычно продолжительному периода колебаний баланса: от 7 до 30 сек. В результате обычный пружинный двигатель, который обеспечивает каминным часам с традиционным анкерным спуском и системой баланс-спираль резерв хода около семи суток, способен поддерживать работу часов с торсионным балансом на протяжении года. Второе преимущество таких часов – эффектный внешний вид: наблюдение за неспешным вращением баланса является зрелищем, от которого трудно оторвать взгляд.

В настоящее время модели с торсионным подвесом выпускаются многими производителями крупногабаритных часов – например, фирмой Hermle. Опытные образцы подобных часов были выпущены и на заводе «Полет».

 

Добавим к сказанному, что такая колебательная система применена и в выпускаемых компанией Jaeger LeCoultre уникальных коллекционных часах Atmos, которые позиционируются изготовителем как своеобразный «вечный двигатель». Они обладают особой системой автоподзавода, основанной на способности анероидной коробки менять свой размер при изменениях атмосферного давления и температуры воздуха. Поскольку такие небольшие изменения происходят непрерывно, эти часы и в действительности способны работать практически вечно, не требуя подзавода. Крайне экономно использовать получаемую из атмосферных колебаний энергию Atmos’у помогает баланс с торсионным подвесом.

 

Рассмотренные выше конструкции балансовых колебательных систем практически исчерпывают их основные виды, используемые современным мировым часпромом. Бесчисленное множество известных и вновь появляющихся модификаций не затрагивает принцип работы и конструкции, а обманчивое представление об их необозримом разнообразии создается в основном разнообразием их «окружения» - различных дополнительных устройств, необычных вариантов авангардного дизайна с использованием новых материалов и, главным образом, шумной рекламной компанией, сопровождающей выход на рынок каждой очередной серии «новинок». По сути дела, и под ювелирными корпусами, усыпанными драгоценными камнями, и внутри выставленных на обозрение немыслимо сложных двухосных и трехмерных турбийонов, работают те же самые системы баланс-спираль, которые мы рассмотрели выше.

Сказанное не означает, что многовековая работа по совершенствованию балансовых колебательных систем остановилась, и все проблемы окончательно решены. Каждый год приносит новые достижения в этой области, но они не лежат на поверхности, и их реальное значение осознают, в основном, сами разработчики и руководители современного часирома, поскольку это является необходимым условием их сегодняшнего успеха и будущего процветания.

В следующем номере журнала мы постараемся хотя бы в общих чертах разобраться в сути проблем совершенствования часовых балансовых колебательных систем, в сегодняшнем состоянии этого вопроса и в ожидаемых перспективах развития.

 

Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес" № 4-2009

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна