Регулировка часов

С ростом требований покупателей к своим часам, мастерам все чаще необходимо обеспечивать хронометровую точность. Поэтому поговорим о тонких моментах регулировки механизма.

Основой любых часов является колебательная система. В часах маятниковых, всегда находящихся в фиксированном положении, точка подвеса колебательной системы находится выше её центра тяжести. Благодаря этому в положение покоя, или нейтральное положение, её возвращает сила притяжения Земли.

Если мы отпустим обод, то, двигаясь под воздействием упругой спирали, он накопит существенную кинетическую энергию, за счет которой проскочит положение покоя и продолжит движение, пока эта энергия не закрутит спираль в обратную сторону. После этого баланс начнёт вращение в направлении положения, в котором он был отпущен, и снова на какое-то мгновение остановится в нём. Говорят, что в этот момент баланс совершит одно полное колебание.

Мгновение, когда баланс неподвижен в своем крайнем положении, называется положением максимального отклонения. Полное колебание определяется как движение баланса от положения максимального отклонения до последующего возврата в то же положение. Продолжительность этого движения известна как период колебания.

Поворот обода от одного положения максимального отклонения до другого называется полуциклом или полуколебанием, а угловое смещение между двумя положениями максимального отклонения - амплитудой. Амплитуда обычно выражаются в градусах, реже - в оборотах. Количество полных колебаний баланса и спирали за одну секунду называется частотой. Для механизма, совершающего 18 000 полуколебаний в час, частота равна
9 000 : 3 600 = 2,5 колебания в секунду.

При колебаниях баланс через спуск освобождает колесную систему часов и позволяет колесам повернуться на определенный угол. Точность хода часов зависит от стабильности этих колебаний, соответственно, задача часового мастера обеспечить постоянный ритм баланса.

Важнейшей характеристикой, от которой зависит равномерность этих колебаний, является энергия, которой обладает баланс. В школьном курсе физики мы проходили, что кинетическая энергия вращающегося тела равна половине произведения его момента инерции на квадрат угловой скорости (т.е. скорости вращения):

При этом момент инерции зависит не только от массы (или веса) баланса, но также и от распределения этой массы относительно оси вращения: чем дальше от нее расположена масса – тем большей энергией обладает баланс. Именно поэтому производители стремятся увеличить диаметр баланса всеми доступными способами.

Если габариты механизма не позволяют обеспечить необходимый диаметр баланса, для увеличения энергии используют другой путь - наращивание частоты. Поэтому в небольших по размеру часах часто используют быстрые механизмы, совершающие более 18 000 полуколебаний в час. В таблице 1 приведены частоты баланса некоторых современных калибров.

Габариты и частота баланса относятся к конструктивным параметрам механизма и случае не могут быть изменены часовщиком. Однакоработа часов зависит от большого числа моментов, доступных для корректировки в условиях мастерской.

Влияние спуска

Если бы не существовало силы трения, сопротивления воздуха, а также потерь, возникающих при изгибе спирали, колебания баланса были бы вечными. На практике система баланс-спираль рано или поздно остановится. Чтобы этого не произошло, механизм часов через спуск подпитывает колебательную систему энергией.

Однако в разные моменты времени спуск оказывает на баланс разнонаправленное влияние. При вращении в направлении исходного положения обод должен импульсным камнем отодвинуть анкерную вилку, чтобы она, в свою очередь, разомкнула колесную систему. Однако любое сопротивление вращению баланса до достижения импульсным камнем линии соединения осей вилки и баланса замедляет его вращение и вызывает отставание хода, которое при прочих равных условиях оказывается тем больше, чем меньше амплитуда баланса. 

После размыкания импульсного камня и вилки она передает балансу некоторый импульс, направленный вперёд. Это происходит до достижения импульсным камнем линии соединения двух осей и вызывает уменьшение периода колебаний, т.е. приводит к опережению хода. Однако основная часть импульса передаётся на баланс уже после достижения линии соединения двух осей, что опять вызывает отставание хода. Влияние спуска на колебания баланса изображены на рисунках 1 и 2.

В результате передачи энергии от спуска балансу всегда происходит увеличение продолжительности цикла, т.е. отставание хода часов. Максимальное влияние на колебания баланса спуск оказывает при небольшой амплитуде. Соответственно, при малой амплитуде выставить точный ход часов наиболее сложно, поэтому при ремонте рекомендуется сперва обеспечить приемлемую амплитуду, и только затем заниматься регулировкой хода.

В общем случае, при регулировке часов необходимо помнить два правила:

1. Силы, воздействующие на баланс в направлении нейтрального положения, вызывают опережение хода, и наоборот.
2. Воздействие свободного анкерного спуска в конечном итоге всегда приводит к отставанию хода.

Рис. 1. Влияние импульса на колебательную систему.

Рис. 2. Влияние спуска на движение баланса.

1. Сопротивление размыканию, вдали от линии центров =>отставание;
2. Часть импульса до положения покоя =>опережение;
3. Основная часть импульса после положения покоя =>отставание.

Амплитуда и изохронность

Одним из наиболее важных вопросов в часовом деле считается обеспечение изохронности, т.е. независимости частоты колебаний узла баланс-спираль от его амплитуды. Дело в том, что передаваемый на баланс импульс (а, следовательно, и амплитуда колебаний) меняется со временем. Они падают по мере раскручивания заводной пружины и подвержены отклонениям, вызванным неравномерностью передачи энергии в колёсной системе. Свою роль могут сыграть также изменения положения часового механизма в пространстве, увеличение потерь на трение вследствие попадания загрязнений на контактирующие поверхности, состояние смазки.

Теоретически, при правильной настройке свободная колебательная система может быть до определённой степени изохронной. Однако, как мы только что показали, связанный с ней спуск всегда вызывает потери, возрастающие при уменьшении амплитуды. 

На практике абсолютно изохронная колебательная система одновременно и недостижима из-за воздействия спуска, и не является идеальным решением. Необходима такая система, которая слегка ускоряется при уменьшении амплитуды колебаний, чтобы компенсировать воздействие спуска. 

В любом случае небольшое опережение хода считается более предпочтительным, чем отставание. Чтобы ускорить ход часов, применяются любые доступные средства. В частности, точка заделки внутреннего витка спирали в колодке размещается наиболее выгодным образом по отношению к точке заделки внешнего витка спирали в колонке и к заводной головке (определяющей преимущественное положение часов в пространстве). Однако конкретно этим вопросом чаще озадачивается не мастер-ремонтник, а производитель.

Позиционная ошибка

Практически любые механические часы демонстрируют разный ход в горизонтальном (циферблатом вверх и циферблатом вниз) и в вертикальном положениях (вверх заводной головкой, цифрами 12, 6 и 9 соответственно). Такая разница вызвана несколькими причинами, среди которых:

- дефекты уравновешивания баланса и спирали, 

- зазор между спиралью и штифтами градусника, 

- разницей в трении цапф оси баланса в их камнях при перемене положения в пространстве.

Разберемся с каждой из них.

Форма цапф оси баланса

При горизонтальном положении часов ось баланса опирается практически на одну точку - на торец одной из цапф. Потери энергии на трение возникают только в точке контакта с поверхностью накладного камня и очень малы. При этом точка контакта расположена практически на оси, благодаря чему рычаг, с которым сила трения воздействует на баланс, также ничтожно мал. То же самое относится и к трению опор всех остальных колес.
Однако при любом из вертикальных положений часов с камнями контактируют уже две цапфы оси. При этом сила трения действует уже не по оси вращения, как в горизонтальном варианте, а на расстоянии от неё, равном радиусу цапфы. Из-за возникающего плеча рычага потери на трение в этом случае существенно возрастают. То, насколько уменьшится амплитуда в таком положении, зависит от диаметра цапф и от конструкции камней баланса.
Для уменьшения потерь производители стремятся сделать цапфы возможно малого диаметра, однако это имеет практический предел – ось должна выдерживать нагрузку при ударах. С той же целью отверстия в сквозных камнях баланса вмеханизмах высокого класса делают с оливообразными закруглениями кромок (т.н. оливаж).
Неизбежное влияние изменений амплитуды может быть в значительной степени компенсировано правильным выбором положения точки заделки спирали в колодке. Но, как мы покажем ниже, это возможно не для всех положений часов в пространстве.

Когда не удается снизить трение в вертикальном положении, мастер может поступить иначе: увеличить потери в горизонтальном положении примерно до того же уровня, что и в вертикальных позициях, такой шаг позволяет выровнять разницу между ходом в различных положениях. Задача чистовой обработки торцов цапф оси баланса - создать гладкие куполообразные поверхности с кривизной настолько малой, насколько это возможно. В условиях мастерской обеспечить куполообразную форму цапф можно с помощью специального приспособления (рис. 4).

Однако уменьшение опережения хода часов в горизонтальном положении путём уменьшения кривизны торцов цапф оси баланса не всегда приносит ожидаемый результат. Прежде чем заниматься этим, необходимо установить, происходит ли опережение или отставание хода часов при малых амплитудах. Если изменение точки заделки спирали в колодке приводит к опережению хода, то сглаживание торцов цапф оси баланса не исправит ситуацию, а только усугубит её.

 Зазор между штифтами

Еще одним весьма важным фактором, влияющим на точность, является зазор между спиралью и штифтами градусника.
Основное предназначение градусника – регулировка эффективной длины спирали, т.е. размера той ее части, что задействована в колебаниях.
В общем случае, уменьшение длины волоска влечет за собой сокращение периода колебаний баланса, т.е. ускорение хода. При большом зазоре между штифтами спираль постоянно работает на всю свою длину. Штифты ограничивают рабочий участок. Передвигая градусник, мы можем увеличить или уменьшить рабочую длину волоска. Но часовщики часто забывают о том, что существенное воздействие на характеристики хода оказывает зазор между штифтами и волоском.

Этот зазор считается дефектом, который необходимо убрать, не допуская при этом слишком жёсткого зажатия спирали. В целом, при использовании классического градусника, при исходном положении баланса спираль должна лежать между штифтами симметрично, с равными зазорами с каждой стороны. Однако если в вертикальном положении часы показывают отставание, то волосок следует передвинуть в направлении внешнего штифта градусника – теперь при каждом колебании спираль будет находиться в контакте со штифтом более продолжительное время, а её эффективная длина будет измеряться уже от штифта градусника. На свою полную длину (вплоть до колонки) спираль будет работать только тогда, когда амплитуда превысит определённый уровень. В этом случае начнется отставание хода, степень которого будет зависеть от промежутка времени, в течение которого спираль не касается штифтов. Таким образом, регулируя зазор, мы можем оказать существенное воздействие на параметры хода.
Очевидно, что расстояние до второго штифта также имеет большое значение.

Уравновешивание и амплитуда

Сила тяжести оказывает огромное влияние на неуравновешенную колебательную систему. И хотя современное оборудование позволяет добиться весьма точного уравновешивания баланса, добиться идеала все равно невозможно – чаще всего центр тяжести оказывается все же чуть-чуть смещен от оси. Это не страшно, если часы находятся в горизонтальном положении. Но если мы хоть немного наклоним ось баланса, то притяжение Земли начнет изменять ритм его колебаний.

Понять влияние силы тяжести на ход часов поможет следующее правило: если центр тяжести вращающегося узла (баланс, ось баланса, колодка спирали и ролик) находится ниже оси вращения, при малой амплитуде происходит опережение хода часов. По мере увеличения амплитуды опережение уменьшается, при 220° становится нулевым, а затем меняется на отставание. При этом отставание менее выражено, чем опережение при малых значениях амплитуды. И наоборот: если центр тяжести пребывающих в исходном положении баланса и спирали находится выше оси вращения, это приводит к отставанию хода при малых амплитудах и небольшому опережению при амплитуде, превышающей 220°. Если центр тяжести находится на уровне оси баланса, но смещён влево или вправо, то при любой амплитуде влияние силы тяжести на ход часов равно нулю. Схематическое отражение данного правила приведено на рисунке 4.

Отсюда следует, что с точки зрения минимизации позиционной погрешности, оптимальной является амплитуда в 220° в вертикальных положениях. При такой амплитуде независимо от того, как повернуты часы (т.е. от положения центра тяжести колебательной системы), влияние силы тяжести на баланс окажется минимальным. Соответственно, нам нет необходимости заботиться о положении центра тяжести и об уравновешенности баланса. 

Однако необходимо иметь в виду, что из-за воздействия силы трения при перемещении часов из горизонтального положения в вертикальное амплитуда колебаний баланса чаще всего уменьшается. В горизонтальном положении предпочтительной считается амплитуда 270° (сектор 1½ оборота). В случае четырехспицевого баланса такую амплитуду можно распознать по совпадению спиц в крайних положениях баланса.

Напомним, что ошибки уравновешивания вращающейся системы приводят к особенно большим погрешностям хода часов при малых амплитудах колебаний баланса и при вертикальных положениях часов. Более того, их влияние меняется в зависимости от изменений амплитуды и при амплитуде, равной 220°, меняет знак. При амплитудах свыше 220° происходит отставание хода, если центр тяжести (в исходном положении) находится ниже оси баланса. При расположении центра тяжести выше оси баланса этот эффект меняет знак на обратный.
 

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

Теги: 4-2013