Спираль баланса

Точная настройка хронометров заставляет часовщиков-ремонтников задумываться о тех элементах механизма, которые, казалось бы, не подлежат регулировке. Один из важнейших - спираль.

Точная настройка хронометров заставляет часовщиков-ремонтников задумываться о тех элементах механизма, которые, казалось бы, не подлежат регулировке. Один из важнейших - спираль.

В 1500 г. изобретатель шпиндельного хода, чтобы привести в колебательное движение баланс, прикрепил к нему свиную щетинку (волосок). В 1657 г. щетинка в часах была заменена металлической спиральной пружиной, применяющейся во всех современных часах и теперь. Однако в литературе по часовому делу и в быту спиральную пружину часто продолжают называть «волоском».

Сегодня «волосок» чаще всего представляет собой длинную тонкую полоску, свёрнутую в спираль и закреплённую на оси баланса посредством колодки. При выводе баланса из положения покоя или нулевого положения в любом направлении, спираль стремится вернуть его в это положение.

В настоящее время все операции по изготовлению спирали делает автомат. Это вызвано как прогрессом, так и очень высокими требованиями к точности и стабильности хода, ведь спираль является одной из главных деталей механизма. И хотя мало кому из читателей придется заниматься проектированием и изготовлением спиралей, мы решили рассказать об особенностях этой детали.

Неуравновешенная деталь

Часовщики используют два вида спиралей: так называемую плоскую, все витки которой лежат в одной плоскости, и цилиндрическую. В плоской спирали, которая применяется в наручных часах, иногда формируют искривление концевой кривой, поднимая ее над плоскостью витков. Цилиндрическая спираль также бывает двух видов. В первом случае один ее конец закрепляется в колодке, напрессованной на ось баланса, а другой - к колонке, присоединённой к мосту баланса. В другом варианте оба конца крепятся к мостам механизма, а баланс – к середине спирали.

Обсуждая особенности баланса, мы говорили, что отклонение его центра тяжести от оси будет вносить ошибку в работу механизма. Баланс работает в связке со спиралью. И отклонение ее центра тяжести оказывает на систему точно такое же влияние, что и неуравновешенность самого баланса.

Главным преимуществом цилиндрической спирали является то, что при колебаниях баланса ее центр тяжести не перемещается. Однако ее использование в наручных часах, имеющих ограничения по размерам, невозможно.

В отличие от нее плоская спираль имеет форму архимедовой спирали, и в силу крепления концов к колодке и штифтам градусника разворачивается или закручивается эксцентрично. Поэтому при проектировании часов и, реже, при настройке, необходимо учитывать ее свойства.

Центр тяжести плоской спирали никогда не совпадает с центром колодки. Каждый ее отрезок имеет свой собственный радиус кривизны, поскольку по мере движения вдоль спирали во внешнем направлении мы постоянно движемся вовне от центра или исходной точки. На рисунке 5 легко убедиться, что нижний полувиток длиннее соответствующего верхнего и имеет больший радиус кривизны, поэтому прилагаемый им гравитационный момент будет больше.

Положение центра тяжести спирали оказывает на колебания примерно такое же влияние, как и у вращающегося без деформации твёрдого тела – такого как баланс или колодка. Однако есть и серьезное отличие: в случае спирали расстояние от центра тяжести до оси вращения постоянно меняется, в то время как у неуравновешенных баланса или колодки оно остаётся постоянным.

Если центр тяжести находится выше/ниже оси, он будет вызывать опережение/отставание хода в вертикальных положениях, причём с уменьшением амплитуды баланса этот эффект усиливается. Следовательно, влиянию спуска можно противопоставить изменение положения точки заделки конца спирали, поскольку она оказывает противоположное воздействие. Если уменьшение амплитуды в вертикальных положениях невелико, то возможно, что это влияние может с лихвой компенсировать вызванное спуском отставание хода. Смещая внутреннюю точку заделки конца спирали на ⅛ оборота вправо или влево, мы можем слегка ослабить эффект опережения, в то время как смещение на 90° практически полностью сведёт его к нулю.

При пребывании системы в положении покоя расстояние от центра тяжести спирали до оси баланса составляет примерно ¼ от шага спирали. Во время движения системы центральная часть спирали движется вместе с балансом, однако, по мере перемещения во внешнем направлении от колодки, внешние витки всё меньше и меньше участвуют в этом движении, и к моменту достижения колонки спираль становится неподвижной. Точка на последнем витке спирали более не описывает дугу окружности; она движется в направлении центра по радиусу. По мере закручивания спирали количество её витков растёт; при раскручивании спирали оно уменьшается. Эти комплексные явления ещё более важны, поскольку закручивание спирали всегда меньше, чем её раскручивание. Во время раскручивания центр тяжести удаляется от оси, действуя таким образом на большем радиусе, в то время как эффективный момент инерции спирали растёт.

Путь, описываемый центром тяжести спирали, всегда имеет одинаковую форму, симметричную той, которую описывала бы аналогичная спираль, навитая в противоположном направлении. При повороте внутренней точки заделки конца спирали на 90° диаграмма, сохраняя свою форму, поворачивается на такой же угол.

Эффект Гроссмана

Как и в случае баланса, если центр тяжести спирали находится ниже оси вращения, это приводит к опережению на коротких секторах; если он лежит выше, то произойдёт отставание; эффект окажется практически нулевым, если центр тяжести лежит на одной горизонтали с осью баланса. Это явление получило название эффекта Гроссмана (рис.5). Следовательно, спираль должна быть заделана так, чтобы положение и перемещения её центра тяжести уменьшали или полностью компенсировали отставание в таком вертикальном положении, которое наиболее типично для часов.

Карманные часы наиболее часто находятся вертикально «серьгой вверх», реже - с наклоном влево или вправо, и практически никогда не используются в положении «серьгой вниз». Определить наиболее частое вертикальное положение наручных часов намного сложнее. Из общих соображений можно заметить, что наиболее частыми положениями будут «6 вверх» и «9 вверх». Это можно учитывать при проектировании и настройке часов.

Эффект Каспари

Другое явление, известное как эффект Каспари, не зависит от положения часов в пространстве. Спираль без концевой кривой разворачивается эксцентрически; наибольшее расширение происходит в направлении, противоположном штифтам градусника. Таким образом, спираль испытывает боковое давление, которое смещает точку заделки конца спирали из положения, которое она занимала бы в положении покоя. Иллюстрация этого представлена на рис.6.

Давайте вставим баланс с плоской спиралью в часовой механизм, но без установки палет и колонки. Если поочерёдно толкать и тянуть внешний виток спирали в направлении центра и от него в четырёх, разнесённых на 90° друг от друга точках, то получим грубое воспроизведение боковых воздействий, возникающих при закручивании и раскручивании спирали (рис.7). В зависимости от положения точки приложения, боковая сила вызовет смещение баланса в большей или меньшей степени. Это примерно как если бы вы пытались вращать баланс боковым давлением на колодку.

Наибольшее опережение хода происходит, если внутренняя точка заделки спирали находится на линии, соединяющей центр баланса со штифтами градусника, т.е. со стороны, противоположной направлению максимального расширения спирали. При этом мы получаем максимальное опережение хода при малых амплитудах, что можно использовать для компенсации вызванного спуском отставания хода в вертикальных положениях. Наибольшее отставание хода происходит, если внутренняя точка заделки спирали находится на той же стороне, что и направление максимального расширения спирали.

Между этими точками максимумов – обращённые к штифтам градусника и на стороне максимального расширения спирали – расположены две нейтральные точки, в которых данный эффект очень незначителен. Иногда, если влияние внутренней точки заделки конца спирали оказывается слишком сильным, ее смещают.

Направление закрутки спирали определяется внутренней точкой заделки её конца. Угол, формируемый радиусами, соединяющими центр вращения с внутренней и внешней точками заделки конца спирали, мы обозначаем ß. При целом числе оборотов ß = 0; при этом точка заделки конца спирали в колодку находится на том же радиусе, что и штифты градусника, а результатом воздействия становится максимальное опережение хода на коротких секторах.

Для ß = 90 и ß = 270° опережение невелико при любых амплитудах и система при прочих равных условиях становится почти изохронной (рис.6).

Если ß = 180°, опережение хода произойдёт только при больших амплитудах, а на коротких секторах ход отстаёт – это очевидно нежелательный эффект.

Плоская спираль не должна плотно зажиматься штифтами градусника. Поэтому часть спирали между штифтами и колонкой до известной степени участвует в работе механизма. Это приводит к тому, что максимальное боковое расширение спирали происходит не непосредственно напротив градусника, а примерно на 30° в сторону от этого положения. Таким образом, внутренняя точка заделки конца спирали, дающая на практике максимальное опережение хода при малых амплитудах, смещена на 30° в сторону радиуса, на котором лежат штифты градусника (эти 30° измеряются в направлении колонки).

Нет двух часовых механизмов с идентичными характеристиками – отставание хода в вертикальных положениях меняется от одного к другому; каждые часы требуют индивидуальной степени корректировки, так что значение угла ß может быть только приблизительным. Для точной настройки важно знать, в каком направлении необходимо переместить внутреннюю точку заделки конца спирали для достижения желаемого результата.

При вертикальных положениях точка заделки конца спирали в колодку также может вызвать опережение хода на коротких секторах, поскольку значение угла ß между радиусами, соединяющими две точки заделки концов спирали должно быть выбрано таким образом, чтобы вызывать опережение хода при любых пространственных положениях (внешней точкой заделки следует считать штифты градусника). Чаще всего приходится одновременно следовать двум правилам: располагать точку заделки конца спирали в колодке так, чтобы первый полувиток лежал над осью, и в то же время чтобы внутренняя точка заделки конца спирали находилась на радиусе, соединяющем ось и штифты градусника.

Специфика наручных часов

Поскольку условия ношения наручных часов отличается от карманных, следует соответственно проектировать их компоновку.

При повторном размещении спирали в часах часовщик может использовать только одно правило: либо расположить точку заделки конца спирали в колодке так, чтобы первый полувиток лежал над осью, либо обеспечить возможность нахождения внутренней точки заделки конца спирали на том же радиусе, что и штифты градусника – другими словами: на том же радиусе, что и внешняя точка заделки конца спирали. Если мы будем исходить из такого положения внешней точки заделки конца спирали, которое обеспечивает опережение хода при коротких секторах как в горизонтальных, так и в вертикальных положениях (что необходимо соблюдать в наручных часах), то положение внутреннего полувитка должно зависеть от конструкции моста баланса; в частности, от расположения колонки и штифтов градусника.

Рис. 6. Эффект перестраиваемой точки заделки конца спирали (эффект Каспари) как функция амплитуды баланса и спирали.

Другое отличие карманных и наручных часов заключается в том, что баланс первых имеет существенно больший размер и способен запасти больше энергии: соотношение между накопленной энергией и диаметром цапф, которые определяют энергопотери, отличается от аналогичного показателя наручных часов. Это приводит к тому, что в наручных часах движение баланса с немного меньшими цапфами легче подвергается возмущениям со стороны спуска. Потери на трение в цапфах относительно накопленной в системе энергии в наручных часах оказываются больше, чем в карманных. Этим объясняется тот факт, что в карманных часах по сравнению с наручными часто необходимо вводить меньшее опережение хода на коротких секторах, поэтому для снижения опережения такого хода может потребоваться сдвинуть точку заделки конца спирали в обратном направлении.

Однако существует ряд моделей наручных часов, у которых параметры трения таковы, что максимальный результат, получаемый от позиционирования точки заделки конца спирали – это опережение хода в вертикальных положениях. Таким образом, правило для точки заделки конца спирали не является жёстким и его следует применять вдумчиво и только при необходимости, внося небольшие изменения там, где они нужны.

Автор: Виктор Латанский, Вячеслав Медведев
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: Уголок мастера спираль баланс