В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Почему в механических часах используется заводная пружина?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.
Существует большое количество разнообразных схем конструкции механических часов. Ни одна из них не обеспечивает достаточную точность хода в течение продолжительного времени без специального ухода и периодического ремонта. Как правило, пружинный механизм состоит из следующих элементов:
- барабана, причем часы разных производителей и времен могут отличаться по устройству. Типовые решения: подвижный и неподвижный барабан
- вала
- заводной пружины, аналогично барабанам – единого стандарта не существует
Если барабан выполнен подвижным, значит, заводная пружина укреплена на нем, если же нет, то на валу. Двигатели с подвижным барабаном используются в малогабаритных устройствах (в тех же наручных часах), с неподвижным, зафиксированным – в крупных устройствах. Но бывают и исключения.
Более того, существуют максимально упрощенные механизмы, в которых пружина крепится непосредственно к валу, а барабан и вовсе отсутствует. Там же где он всё-таки есть, его можно разобрать на составные части:
- корпус – металлическая коробка цилиндрического вида, внизу которой находится зубчатый венчик. В дне корпуса делается отверстие для вала
- крышку – здесь также имеется отверстие для вала, а с краю устроен паз для открытия крышки
- вал.
На барабан наружный конец пружины крепится посредством специального замка, а к валу – особым крючком. Размеры пружины однозначно определяют продолжительность хода часовой стрелки при полном заводе.
Пружина чаще других элементов механизма ломается, а если она изготовлена из стали, то может ржаветь при попадании внутрь влаги. При ее вытаскивании из корпуса необходимо ее придерживать, чтобы она мгновенно не развернулась.
Выделяют следующие типы неисправностей часовой пружины:
- коррозия
- разрыв в одном (как правило, посредине) или сразу нескольких местах.
Обычные неисправности барабана:
- перекос на валу
- поломка или деформация зубьев
- искривление дна или крышки барабана
- заусенцы и царапины на зубьях барабана
- помятые зубья
- сломанные зубья (требуется замена всего барабана)
- перекошено барабанное колесо (которое крепится на валу барабана).
Другой часто встречающейся неисправностью является пружина собачки (особенно для наручных часов).
Пружинный привод, который стали применять в часовом ремесле в XV и XVI вв., открыл путь к всестороннему использованию механических часов. Этот вид привода до сих пор преобладает у массовых часов, но в последнее время он постепенно вытесняется иными источниками энергии в электрических и электронных часах.
Пружинный привод механизма возник вне области часового дела. Уже в средние века кузнецы и слесари изготовляли подвижные фигурки. Пожалуй, самым старым примером их может быть железный петух, установленный на первых башенных часах в 1354 г. в Страсбурге. Возрождение принесло повышенный интерес к полуавтоматическим приборам и, конечно, побудило тогдашних часовщиков заняться идеей использования стальной пружины для привода часового механизма. В некоторых литературных источниках говорится о том, что первые пружинные часы появились примерно около 1430 г. К этому времени относятся сообщения о часах, изготовленных Пьерром Ломбартом из Монза и Еганом Паулином из Брюгге для герцога Филиппа III Доброго, о которых мы уже упоминали.
Пружины часов XVI в. нельзя ни в какой степени сравнивать с современными пружинами, изготовляемыми из катаной стали с содержанием углерода чуть более 1%, и с пружинами из специальных сплавов с добавками кобальта, хрома, никеля и т.п. Высокие нагрузки материала сопровождаются у каждой пружины стойкими деформациями, которые влияют на точность хода часов. В отличие от грузов (гирь) здесь приводная сила пружины изменяется также с изменением числа ее витков. Приводная сила после резкого начального падения через несколько часов хода начинает понижаться медленнее и более равномерно, за исключением короткого периода перед тем, как часы останавливаются из-за того, что приводная сила снова начинает быстро понижаться. Эта характеристика относится главным образом к пружинам, изготовляемым в настоящее время. У старых часов кривая приводной силы была еще менее равномерной, поскольку качество и обработка стали были тогда значительно хуже. И, кроме того, сравнительно грубая поверхность пружины, всаженной в неподвижный держатель пружины (барабан), вызывала большое трение и понижала эффективность пружины. Поэтому простейшие старые пружинные часы и не могли обходиться без вспомогательного механизма для выравнивания приводной силы.
Рис. 1. Компенсатор силы заводной пружины «улитка»:
1 – барабан пружины, 2 – завиток, 3 – струна (цепочка), 4 – пружина завитка, 5 – рычаг завитка, 6 – палец завитка.
Самым распространенным компенсатором приводной силы пружины была так называемая «улитка» (рис. 1), размещаемая между барабаном пружины и часовым механизмом. Сила привода барабана пружины переносилась на улитку струной из овечьих кишок или тонкой плоской металлической цепочкой, состоящей из многих склепанных звеньев. При заведенной пружине струна обматывала все витки завитка и при разматывании наматывалась на гладкий барабан держателя пружины. Радиус отматывания на улитке постепенно увеличивался по мере уменьшающейся силы пружины, так что конечная приводная сила оставалась примерно одинаковой. Изготовление цепочек к улиткам относилось к самым тонким профессиональным операциям у часовщиков и зачастую поручалось только женщинам. Одна такая цепочка имела от 500 до 800 звеньев. Однако в целом между струнным и цепочечным стабилизаторами не было существенного различия. Вначале струнные стабилизаторы старого типа имели закругленные пазы на завитке, а у цепочечных компенсаторов профиль паза был граненым. Изобретение улитки приписывалось многим часовщикам, в том числе, явно несправедливо, и Якубу Цеху, по всей вероятности, первому чешскому производителю портативных пружинных часов. Однако эта идея безусловно более стара, мы с ней встречаемся, например, у нюрнбергского часовщика Петра Генлейна. По форме улитки можно также приближенно определить возраст тех или иных часов. Ранние конструкции XVI и XVII вв. имели стройные высокие улитки, а по мере уменьшения толщины часового механизма в целом становилась более плоской и улитка и возрастал угол вершины ее конуса. Формы улиток зависели также от качества тогдашних пружин. Пружины дешевых часов XVIII в. не отличались высоким качеством, их приводная сила подвергалась значительным изменениям, и для компенсации этой силы требовалась плоская улитка с большим сужением.
Стабилизаторы силы привода в виде улитки можно найти в старых часах французского, английского и немецкого происхождения. Вероятно, несколько старше другой стабилизатор в виде особого кулачка, который встречается иногда у некоторых немецких карманных и настольных часов. Для компенсации приводной силы здесь достаточна сравнительно малая сила плоской пружины, прижимающей тормозной палец к окружности плоского кулачка, насаженного на вал барабана пружины (здесь тормозной момент действует против приводного момента пружины). Форма кулачка подбиралась так, чтобы равнодействующая приводная сила была постоянной. По сравнению с улиткой кулачок занимал меньше места, а поэтому его применяли прежде всего для карманных часов. Однако в целом он не слишком привился и был вытеснен улиткой и для плоских часов, где она удерживалась примерно до конца XVIII и начала XIX в., когда заканчивавшаяся эра «шпиндлевок» сменялась новыми типами часов с современными спусковыми механизмами. У этих часов с анкерными спусковыми механизмами стабилизаторы силы привода быстро отпадали, они сохранились лишь у морских хронометров.
Однако на работу самой совершенной пружины постоянно влияют некоторые факторы, например потери от трения между витками, которые теперь понижаются путем полирования поверхности пружины и смазкой. Ослабление приводной силы, вызываемое усталостью материала, существенно уменьшали тем, что делали пружины из нержавеющей стали или из особых сплавов. Однако, несмотря на это, каждая пружина в ходе своего разматывания изменяет свою приводную силу. Для устранения этого недостатка применяли несколько способов.
Самый старый способ исходил из стремления исключить в работе пружины ее начальную и конечную фазу, поскольку приводная сила пружины резко падает именно при полной заводке и при окончании завода. Для карманных часов использовали в целях ограничения рабочего диапазона пружины кулачковый механизм. На практике встречались различные кулачковые механизмы, самым известным из которых является мальтийский механизм, далее идут кольцевидные кулачковые механизмы, или же пальцевые. Кулачковые механизмы должны были ограничить натяжение и разматывание пружины до нескольких оборотов вала держателя пружины (как правило, до четырех). Как и улитка, кулачковый механизм сохранился до сих пор лишь в конструкции морских хронометров. При доза-водке цепочка наматывается на последние суженные витки компенсатора до того момента, когда боковая сторона цепочки нажимает на кулачок кулачкового механизма и ставит его на пути пальца на завитке. Кулачковый механизм одновременно сохраняет от разрыва не только саму пружину, но и филигранную цепочку или струну.
У малых карманных часов роль кулачкового механизма позднее взяла на себя реверсивная защелка, которая обеспечивает малое обратное движение пружины и связанное с этим ослабление ее натяжения. Кулачковый механизм и реверсивная защелка защищали пружину от перетяжки. Реверсивная защелка, правда, исключает перетяжку пружины и использование быстро уменьшающейся приводной силы при полностью заведенной пружине, но не мешает тому, чтобы пружина дошла до конца и вызывала замедление хода в последние часы. Этому можно воспрепятствовать только ежедневной регулярной заводкой пружины в одно и то же время, чтобы пружина могла развиваться лишь в оптимальный период своей приводной силы.
Изменчивость приводной силы можно также ограничивать удлинением пружины и увеличением запаса ее энергии. Однако удлинение пружины идет за счет ее толщины. Для тонких пружин требуются также специальные сплавы, лучше выдерживающие нагрузку и усталость. Приводная сила современных пружин несравненно выше, чем у пружин старых часов. Исключительно благоприятные особенности современных пружинных сталей с высоким пределом упругости и особой технологией производства привели к созданию так называемых S-пружин (названных так по их форме в развернутом состоянии), – которые имеют повышенный срок службы и более равномерную приводную силу.
Внутренний конец пружины крепится на крючок вала барабана, а внешний конец — к внутренней поверхности барабана с помощью специальной накладки.
Внутренний конец пружины почти во всех часах крепится одинаково. Наружный конец можно закреплять несколькими способами. Выбор того или иного способа крепления влияет на величину передаваемого момента.
На рис. 89 показаны способы крепления наружных концов пружин и формы накладок для заводных пружин.
При шарнирном креплении пружины после 1,5-2,5 оборотов витки пружины располагаются эксцентрично относительно вала барабана. Возникает большое межвитковое трение. Крутящий момент изменяется скачкообразно. Коэффициент полезного действия заводной пружины с таким креплением — 0,70.
Штифтовое крепление (рис. 89, а) применяется для крупных заводных пружин. Межвитковое трение в этом случае несколько меньше. Коэффициент полезного действия — 0,75.
V-образное крепление (рис. 89, б, в) наиболее простое и применяется довольно часто. При V-образном креплении витки пружины располагаются эксцентрично, межвитковое трение большое, однако коэффициент полезного действия при этом креплении выше — 0,80. Кроме того, при этом креплении создается некоторое перемещение наружного витка, а это устраняет перенапряжение пружины.
Крепление мечевидной накладкой (рис. 89, г) считается в настоящее время лучшим видом крепления наружного
конца пружины. Назначение мечевидной накладки состоит в том, чтобы при работе пружины обеспечить ее равномерное концентрическое раскручивание. Это достигается тем, что крайний виток пружины снизу поддерживается упругой стальной подкладкой, что не позволяет последнему витку создавать излишнее трение. Недостатком этого вида
Рис. 89. Способы крепления заводных пружин:
а — штифтовое, б, в — V-образное, г — мечевидной накладкой; 1 — пружина, 2 — барабан, 3 — мечевидная накладка
крепления является то, что при его применении площадь, занимаемая пружиной вместе с накладкой, несколько увеличивается и продолжительность хода часов от одной полной заводки пружины уменьшается.
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) пружины с мечевидной накладкой равен 0,95.
Крепление фрикционной накладкой (рис. 90) применяется в часах с автоматическим подзаводом пружины. К наружному концу пружины с внутренней стороны точечной сваркой крепится фрикционная накладка, которая плотно прилегает к стенке барабана почти по всей окружности и создает равномерное давление по всей длине прилегания.
Крутящий момент заводной пружины меньше момента трения накладки о корпус барабана, поэтому наружный виток будет тормозиться или перемещаться вместе с накладкой. При возникновении избыточного момента фрикционная накладка
Рис. 90. Крепление пружины фрикционной накладкой:
а — в заведенном состоянии. 6 — в спущенном состоянии; 1 — пружина, 2 — вал барабана, 3 — барабан, 4 — фрикционная накладка
проскальзывает относительно корпуса барабана. Если размеры накладки подобраны правильно, витки пружины располагаются концентрично относительно вала барабана. Коэффициент полезного действия (к.п.д.) заводной пружины с таким креплением равен 0,8-0,9.
Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Почему в механических часах используется заводная пружина»? Напишите об этом в комментариях.
Загрузка...