Глядя на миниатюрные зубчатые колесики внутри механизма часов, сложно себе представить что они – частный случай рычага, придуманного Архимедом. Правда, как и все в часах, случай этот уж больно специфический.

Круглый рычаг
В самом деле, и открывашка для пива, и рукоятка ручной лебедки, и колеса часового механизма выполняют одну и ту же задачу: преобразовуют малую силу при большом перемещении в большую силу перемещений малых.

Колеса в часовом механизме почти всегда идут парами: на одной оси закреплены большое колесо и совсем маленькое, называемое трибом. Если приложить к трибу усилие, то оно передастся на большое колесо, но, в соответствии с законом рычага, уменьшенное во столько раз, во сколько радиус колеса больше радиуса триба. Зато линейная скорость зубьев большого колеса будет во столько же раз выше. В механизме такие пары соединены последовательно: зубья большого колеса входят в зацепление с трибом, сидящее на его оси большое колесо – со следующим трибом, и так далее.

Таким образом, система колес, или как ее называют в часовом деле, колесная передача, способна не просто передать вращение с заводного барабана на стрелки или спуск, но и увеличить/уменьшить скорость вращения. Например, колесная передача обычных механических часов с частотой колебаний баланса в 21400 пк/час и 12-часовой шкалой решает задачу повышения скорости вращения от барабана пружинного двигателя до оси секундной стрелки в 14400 раз!

Кстати, упаси вас Бог когда-либо при часовщике назвать колеса шестеренками – это все равно что сказать моряку что его корабль плавает.

Куда девать колеса?
Во всех современных наручных и карманных часах имеются, как минимум, две колесные системы: основная, преобразующая скорость вращения  выходного вала спускового регулятора в требуемые скорости вращения стрелок на циферблате часов (так называемая ангранаж), и сервисная (ремонтуар), с помощью которой вращение заводной головки передается на пружинный двигатель и переводятся стрелки. Колесные системы различных календарных устройств являются последовательным продолжением ангранажа, а иные дополнительные устройства – такие как будильник, устройства боя или репетира и т.п. - имеют свои специальные колесные системы.

Теоретически, того множества колес, что мы привыкли видеть в основной колесной системе часов, вовсе не нужно: повысить скорость вращения можно и с помощью всего одной пары "триб-колесо". Вот только диаметр такого колеса будет огромным, в те самые 14400 раз больше диаметра триба. Поэтому вместо одной пары используют несколько, последовательно повышающих скорость.

При весьма  малых размерах колесных пар, которые можно уместить в часы, они способны обеспечивать лишь ограниченную величину передаточного отношения. Так, часовые трибы при диаметрах 1÷3 мм имеют не более шести зубцов, а колеса-несколько десятков, в силу чего передаточные отношения таких пар не превышают значения 10÷12. При таких ограничениях в простейших часах с центральной секундной стрелкой ангранаж содержит не менее 6÷8 пар колес, а при наличии различных дополнительных устройств - в два и более раз больше.

И основная проблема создания часов состоит не в высоких требованиях отделки колесных пар, а в необходимости разместить (как говорят проектировщики - "скомпоновать") в весьма малом объеме колесную передачу, во много тысяч раз понижающую (в кварцевых часах) или повышающую (в механических часах) скорость вращения.

Эта проблема усугубляется еще и тем, что примерно половина объема часов занята спусковым регулятором и пружинным двигателем. Стараясь "выжать" из  пружинного двигателя максимум энергии, его диаметр делают почти равным радиусу платины механизма, и таким же делают  диаметр баланса, чтобы обеспечить максимальное значение его момента инерции при минимально возможном весе.

Чтобы зуб на зуб попадал
Частенько в какой-нибудь заставке на телевизионном канале можно увидеть, как тикает некий похожий на часы механизм. У часовщиков такие заставки вызывают почти ужас: те шестерни, которые показывают по ТВ, имеют отношение скорее к какому-нибудь комбайну, но никак не к часам. Из-за специфики устройста и компактности в часах применяют колеса с особыми профилями зубьев.

В крупногабаритных часах используют так называемый циклоидальный профиль. Циклоида – это кривая, которую описывает точка окружности, если ее катить. Циклоидальное зацепление является лучшим по КПД, ибо при исполнении профиля зубцов триба и колеса строго по форме циклоиды при вращении колесной пары они "обкатывают" друг друга, т.е. зубцы триба и колеса при передаче движения катятся один по другому, и их поверхности не проскальзывают, не трутся друг о друга. Благодаря тому, что в этом случае нет трения скольжения, а только трение качения, потери энергии в зацеплении сводятся к минимуму.

А обеспечить максимально возможное КПД колесной передачи очень важно. Как уже говорилось, передача состоит из нескольких пар колес. И если, например, каждая пара будет терять всего по 5% энергии (т.е. КПД составит 95%), то система из шести таких пар передаст на спуск лишь 73% энергии. С учетом того, что момент, передаваемый на спуск понижается во столько же раз, во сколько повышается скорость (14 400), то потеря почти 30% от этого и без того небольшого момента может оказаться критичной для работоспособности часов.

К сожалению, в малогабаритных часах использовать циклоидальное зацепление оказывается невозможно. При массовом производстве нельзя добиться идеально точного изготовления профилей зубьев. А циклоидальная передача очень чувствительна к радиальным зазорам: малейшая неточность в изготовлении зуба или отклонение оси колеса (которое может произойти или из-за неточного изготовления, либо в связи с износом деталей в процессе эксплуатации) приводят к резкому увеличению трения между зубьями, а иногда – к заклиниванию передачи и остановке часов.

Преодолеть эту проблему позволяют специально откорректированные зубчатые зацепления, введенные впервые  ГОСТ-ом 13678-73 "Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные с часовым профилем". Циклоидальный профиль (красная кривая) заменен на одноразмерный часовой (синяя кривая), состоящий из аппроксимирующих кривых: ножки зубьев очерчены отрезками, радиально направленных прямых линий А1А1 и В1В1, а профиль головки зуба образованы дугами окружностей D1D1 и D2D2.

Аналогичным образом корректируется и профиль зуба триба. Такое зацепление позволяет колесной передаче устойчиво работать при величине радиальных зазоров до 0,04÷0,5 мм, что вполне можно обеспечить в реальном производстве. Кстати, упомянутый выше ГОСТ устанавливает шесть степеней точности зубчатых колес и передач для часов различного качества.

Кроме описанных типовых колес ангранажа в него входят и иные весьма специфические колеса. Прежде всего, это барабанное колесо, сформированное непосредственно на внешней боковой поверхности барабана пружинного двигателя, и храповое колесо устройства, предотвращающего свободное раскручивание пружины.

Барабанное колесо испытывает максимальную силовую нагрузку и подвержено ускоренному износу и разрушению зубцов. Для предотвращения этого ее зубцы усиливают: ножки зубцов выполняют более широкими и все колесо увеличивают по ширине в осевом направлении; это же относится и к храповому колесу пружинного двигателя.

Еще большим разнообразием отличаются ходовые (спусковые) колеса на другом конце ангранажа. Они соединяют спусковой регулятор с ангранажем и взаимодействуют с паллетами анкерного хода. Спусковые колеса, в отличие от остальных колес ангранажа, снабжаются, как правило, двухкамневыми опорами со сквозным и накладным камнем (подпятником).

Свои предельные возможности в области изготовления мелкомодульных часовых колес мировой часпром продемонстрировал при выпуске американской фирмой Bulova первых камертонных наручных часов Accutron. При диаметре 2,5 мм и толщине 40 микрон первое колесо ангранажа в этих часах имело 300 зубцов храпового профиля; размеры этих зубцов не превышали толщины человеческого волоса! Эти часы, кроме фирмы Bulova, выпускал по их лицензии ряд других американских часовых заводов; партия таких часов была изготовлена на Втором Московском часовом заводе.

Немного о зуботехнике
Большинство колес в механических часах делают из латуни, а их оси и трибы – из стали. Пара латунь-сталь дает вполне приемлемый коэффициент трения. Иногда колеса покрывают позолотой, но это делается сокрее с декоративными целями, чем с техническими. Кстати, золотят только боковые поверхности колес и никогда – рабочие. А вот снятие фасок, помимо внешнего эффекта, помогает избавиться от мельчайших заусенцев, образующихся после нарезки зубьев.

Изготовление часовых колес относится к наиболее сложным процессам производства, необычайная трудоемкость которого побудила часовщиков средневековья заняться его механизацией. Первые примитивные станки для нарезания зубцов часовых колес были прямыми предшественниками современных зуборезных станков и всего разнообразия сегодняшних токарных и револьверных автоматов.

Сегодня в массовом производстве часовых колес используется автоматическое оборудование и методы "групповых технологий", при которых нарезается одновременно профиль нескольких сотен колес, нанизанных на ось-оправку наподобие кусков шашлыка на шампуре.

Еще более новые и совершенные технологии используются при изготовлении колесных пар кварцевых часов. С одной стороны, здесь все кажется предельно простым: в этих передачах силовые нагрузки на зацепление ничтожны, и износ деталей практически отсутствует. Однако создание надежных и эффективных зубчатых передач для КНЧ часов является особо сложной проблемой. При столь же микроминиатюрных размерах и столь же больших передаточных числах, что и в механических часах, они должны надежно и с минимальными потерями передавать ничтожные усилия, развиваемые часовым шаговым микродвигателем - порядка 0,000001 Вт.

Для того чтобы сдвинуть с места колесную систему КНЧ, обладающую определенной инерционностью и трением покоя, последняя должна обладать весьма малым моментом инерции, а кроме того - высокостабильным и очень малым трением в зацеплении и в опорах. Ведь помимо вращения всех этих колес энергия нужна еще и для основного дела- поворота стрелок.

Наиболее распространенным способом решения этой проблемы сегодня стало изготовление всей колесной системы КНЧ из специального самосмазывающегося пластика. Такой ангранаж не требует дорогих камневых опор, не нуждается в принципиально нестабильной смазке (которая загустевает, растекается, высыхает и т.п.) и в силу гораздо меньшего, по сравнению с металлом, удельного веса такого пластика обладает малым трением в опорах и незначительным моментом инерции.

При таком материале колес эффектно реализуются и задачи  их массового дешевого производства. Чаще всего их просто отливают (вместе- колесо, триб и ось с цапфами) на высокопроизводительных центробежных литьевых машинах. Начинает привлекаться для их изготовления и широкий спектр современных "высоких технологий" от гальванопластики до травления керамической подложки с защитным фотошаблоном и т.п.

Зубы для спец случаев
В заключение остановимся кратко на особенностях колесных пар сервисной колесной системы наручных часов , которая служит для ручного перевода стрелок, а в механических наручных часах еще и обеспечивает ручной завод пружины. Помимо обычных колесных пар, сервисные колесные системы содержат и специальные пары, весьма специфической формы и конструкции, необходимые для выполнения ремонтуаром своих функций.

Наиболее распространенные представители двух основных видов этих колесных пар - пара конических колес и пара коронных колес.
Первая из них решила проблему часовщиков 18 века - как перенести гнездо под ключ завода наручных часов со стороны циферблата или задней крышки часов в более удобное место - на их боковую стенку, и избавиться от необходимости открывать крышку часов для их завода. Проблема состояла в том, что все колеса часов вращаются в одной плоскости- плоскости циферблата. Соответственно, их оси лежат в перпендикулярном этой плоскости направлении, что неизбежно заставляет так же располагать и ось ключа завода часов.

Возможность  вращать колесную систему часов от оси, расположенной перпендикулярно всем ее осям требовало необычайного решения. Его поиски заняли годы, и оно было найдено в виде пары конических зубчатых колес, позволяющих "повернуть" движение колесной системы на 90°. Гнездо под ключ, а позже и несъемная заводная головка заняла свое нынешнее место на боковой стенке часов, а коническая пара стала незаменимым элементом ремонтуара.

Вторая специальная пара,- пара коронных колес, - служит для совмещения ремонтуаром обеих своих функций: и завода пружинного двигателя, и перевода стрелок. Фактически, для этого ремонтуар имеет две отдельные колесные системы – одна идет на барабан пружинного двигателя, вторая - на стрелочный механизм. На входе каждой из них имеется коронное колесо в виде чашки с венцом храпового профиля на верхней стенке своего зацепления.

Одно из них соединяется с перемещающимся в осевом направлении валом заводной головки и находится в зацеплении со стрелочным механизмом, второе не перемещается в осевом направлении, и находится в зацеплении с барабаном. Оба коронных колеса образуют муфту сцепления, позволяющую, при перемещении заводной головки, либо приводить в движение стрелочный механизм, либо заводить часы.

Кроме рассмотренных видов часовых колес и трибов, характерных для базовой модели часов с минимальным набором функций, в более сложных часах с различными дополнительными устройствами (календарными, хронографными, сигнальными и др.) используется значительное количество иных видов колес, порой весьма необычных.

В любых современных часах колеса составляют от 50 до 80% общего числа деталей, а их суммарная себестоимость составляет значительную долю общих затрат на производство механизмов. И несмотря на свою кажущуюся простоту, часовые колеса – это микроминиатюрные размеры, беспрецедентные требования по точности исполнения, износостойкости, низкому уровню трения и его стабильности, высокой технологичности, ориентированной на массовый выпуск.

Поэтому производство часовых колес требует выхода на предельные возможности современных высоких технологий и высокоавтоматизированных интегрированных производств. Такой уровень передовых современных часпромов является итогом многовековой  творческой деятельности знаменитых ученых и талантливых часовых мастеров, и этот процесс совершенствования часов и всех их деталей, включая колесные системы, интенсивно продолжается в наши дни.

Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес " №5-2007

Автор: При перепечатке активная ссылка на источник обязательна
При перепечатке активная ссылка обязательна