Врівноваженість, амплітуда та пружини з вигином

Автор Richard Lee

Механічний калібр годинника — це крихітна, але складна система, що складається з компонентів, які перебувають в ідеальній рівновазі. Але оскільки ці компоненти дуже тендітні, особливо деталі спускової системи, робота механізму схильна до впливу зовнішніх факторів. Це удари, вологість та найчастіше положення годинника на зап'ясті, а також те, як він зберігається.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Від положення годинника безпосередньо залежить ступінь впливу гравітації на рухомі частини механізму. Іншими словами, точність ходу залежить від того, в якому становищі перебуває годинник.

Похибка, що виникає під впливом зовнішніх чинників, відома як помилка розташування. Вона в значній мірі пов'язана з впливом сил гравітації на колесо балансу. Помилка розташування також залежить від амплітуди колеса балансу, типу волоскової пружини та врівноваженості балансу.

Всі ці складові нерозривно пов'язані одна з одною та повинні бути правильно відрегульовані, що дозволить знизити позиційну помилку і таким чином покращити точність ходу годинника.

Примітка редактора: в цій статті ми будемо розглядати виключно механізми, сконструйовані з традиційних матеріалів. Таке нововведення, як кремнієві пружини, все ще залишається нішевим та широко не застосовується.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Баланс з регульованою масою Microstella в механізмі Rolex cal. 4030, сконструйований на основі Zenith El Primero

Питання положень

Положення наручного годинника істотно впливає на його точність. Адже незалежно від того, в якому положенні знаходиться механізм, сила гравітації «тягне» колесо балансу вниз.

Для кращого розуміння цього процесу уявіть велосипедне колесо, кинуте на землю. Від сили удару при падінні воно здійснює коливальні рухи. Приблизно так виглядає колесо балансу. У центрі нього знаходиться стрижень (вісь балансу), підтримуваний з обох кінців підшипниками з дорогоцінного каменя.

Кожен підшипник накритий кінцевий кришкою (також з каменя), яка обмежує осьове переміщення стрижню, а також утримує мастильні матеріали.

Кінцева кришка, в свою чергу, утримується крихітної пружиною (її часто виготовляють швейцарські фахівці Kif або Incabloc), яка виконує роль амортизатору.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Поперечний переріз осі балансу з пружиною-лірою Incabloc над кінцевою кришкою, під підшипником з каменя знаходиться стрижень

Годинник працює максимально ефективно в положеннях «циферблатом вгору» та «циферблатом донизу». Це означає, що механізм перебуває в горизонтальному положенні, тобто паралельний землі, а значить, сила тертя мінімальна. Контакт приходиться на наконечник нижньої шестерні, підтримуваний каменем нижньої кінцевої кришки. Ефект як у дзиги, що обертається на столі.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Тому всім шанувальникам механіки рекомендується на ніч класти годинник циферблатом догори чи донизу, але не на бік. Так похибка ходу буде зведена до мінімуму. Тим часом, коли годинник довго не носять, не має значення, в якому становищі він буде зберігатися, оскільки механізм перестане працювати, як тільки пружина розкрутиться.

Коли годинник на браслеті (або зі складною застібкою) кладуть на бік, механізм потрапляє у вертикальне положення. Мовою годинникової термінології така позиція називається «заводна головка вниз/вгору». При такому розташуванні площа контакту з поверхнею обох стрижнів колеса балансу значно більше, оскільки вони притискаються до стінок підшипників. Таку позицію можна порівняти з ручкою, яка плазом лежить на столі, а не стоїть на кінчику.

Тому сила тертя на стрижнях завжди буде вищою, якщо годинник поклали на бік. Проте, згубний ефект буде зведений до мінімуму, якщо у механізму чисті, добре змащені і, звісно, справні стрижні.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Зліва направо: заводна головка донизу/ліворуч/догори/праворуч

Чотири варіанти вертикального положення годинника призводять до похибки у точності ходу. Пов'язано це з тим, що волоскова пружина, що прикріплена до нерухомої точки на колесі балансу, піддається впливу гравітації. Неможливо добитися теоретично досконалого хронометражу у всіх позиціях, тому при регулюванні годинниковий майстер буде орієнтуватися на найбільш поширені.

Оскільки годинник може перебувати в шести різних положеннях (циферблатом вгору та вниз, чотири варіанти вертикальної позиції заводної головки), бренди, які відрегулювали механізм на всі шість, неодмінно згадають це в рекламі. До слова, деякі моделі відрегульовані на п'ять позицій та представляють собою якийсь компромісний варіант.

Розглянемо порядок розстановки пріоритетних положень при регулюванні. Найбільш значимі позиції годинника — «циферблатом догори та донизу». Вони повинні демонструвати абсолютно ідентичний хронометраж, оскільки стрижні не спираються на внутрішні стінки підшипників, будучи показником працездатності зубчастої передачі.

Наступна за важливістю позиція — це положення «заводна головка донизу» (коли людина стоїть, а її рука опущена). Далі слідує положення корпусу годинника «12-ю годинами донизу» (коли передпліччя лежить на столі ребром долоні донизу). І останні за пріоритетом позиції — «заводною головкою догори або 12-ю годинами донизу». На них орієнтуються найменше, оскільки людина нечасто піднімає пряму руку вгору або тримає її закинутою за голову.

Важливо відзначити, що перераховані вище положення орієнтовані на правшу — для шульги все вертикальні позиції корпусу годинника будуть дзеркальними. При носінні годинника на правому зап'ясті заводна головка спрямована догори, до передпліччя, а не донизу, у напрямку до кисті руки.

Вже стільки було сказано про вертикальне положення годинника, що пора б з'ясувати, чому тертя стрижнів колеса балансу — це проблема. У довгостроковій перспективі тертя призводить до швидкого зносу тонких стрижнів. Але є також неприємність, яка виникає, як то кажуть, тут і зараз, — це зниження амплітуди коливань.

Багато годинникових компаній створювало ускладнення, покликані усунути позиційну помилку. У 2019 F.P. Journe випустив модель Tourbillon Souverain Vertical, колесо балансу якої розташовано перпендикулярно циферблату. Це дозволило зафіксувати баланс у вертикальному положенні, яке не змінюється навіть при зміні положення руки. А оскільки колесо балансу знаходиться всередині турбійону, позиційна помилка, викликана гравітацією, усереднюється.

Питання кута

Крім положення годинника є ще кілька факторів, які впливають на точність ходу. Щоб механізм працював, йому необхідна енергія. Її виробляє ходова пружина та передає через колісну передачу до колеса балансу, що і викликає коливання.

Величина зворотно-поступальних коливань колеса балансу, виражена в градусах, називається амплітудою. Велика потужність передбачає велику амплітуду, яка, в свою чергу, має на увазі велику інерцію та більш стабільний хронометраж. Хороший механізм, як правило, при повному заводі підтримує амплітуду в межах від 270 ° до 310 °.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Величезне колесо балансу годинника Voutilainen Vingt-8

Годинники з низькою амплітудою коливань більш схильні до раптової зупинки та неточного хронометражу. Причина тому — низька частота коливань балансу, перервати яку може просто удар рукою або інший агресивний зовнішній фактор.

Але і занадто висока амплітуда небажана. Вона часто виникає при ремонті старовинного годинника з використанням більш якісних сучасних мастил і при заміні ходової пружини на більш потужну. Це викликає перевантаження — колесо балансу в спробах зробити повний оберт стикається із зовнішнім краєм анкерної вилки, що часто призводить до пошкодження каменя вала.

Врівноваженість балансу

Ще один фактор, що впливає на величину позиційної помилки, – це врівноваженість балансу. Під врівноваженістю мається на увазі процес рівномірного розподілу ваги по ободу колеса балансу.

На ободі неврівноваженого колеса балансу з'являться важкі ділянки, на які впливатиме сила гравітації – особливо в вертикальному положенні. Уявіть, що ви їдете на велосипеді, а до одного з його коліс прикріплений великий вантаж. Через зсув ваги при повороті колеса ви будете відчувати, що педалі стало крутити важче.

Саме тому автомобільні шини також вимагають балансування, яке включає додавання крихітних важків до обода колеса. За цим же принципом працює і колесо балансу в годиннику за тим лише винятком, що воно коливається вперед-назад, а не обертається в одному напрямку. Тому амплітуда коливань особливо важлива для неврівноваженого балансу в вертикальному положенні.

Це пов'язано з тим, що різна амплітуда змушує важкі ділянки колеса балансу переміщатися на різні відстані уздовж дуги коливань. Залежно від положення механізму сила гравітації буде тягнути важкі ділянки донизу, проти або у напрямку коливань. Отже, хід годинника буде або прискорюватися, або сповільнюватися.

Таким чином, при регулюванні годинника за допомогою неврівноваженого колеса балансу навіть за умови відмінного балансування механізму та правильної амплітуди в межах 270° -310° точність ходу буде зміщуватися. Причиною похибки стане падіння амплітуди, яке неминуче відбувається по мірі розтиску ходової пружини. Більш того, не варто забувати про хаотичний вплив сили гравітації, інтенсивність якої залежить від положення механізму.Тому для мінімізації позиційної помилки необхідно або ідеально врівноважити колесо балансу, або зробити його рівномірно важчим по всій довжині ободу. Виконати це можна двома способами: видалити матеріал з більш важкої ділянки ободу, просвердливши в ньому крихітні отвори або змінивши вагу гвинтів на балансі, які звично використовуються в традиційних годинниках.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Перевірка пружини балансу на ексцентричність центра ваги після врівноваження

При складанні механізму на заводі нові колеса балансу автоматично врівноважують за допомогою сучасних машин з автоматичним управлінням. Зайвий матеріал видаляється лазерами, які проробляють крихітні отвори або борозенки в нижній частині колеса балансу.

Однак, коли годинник здається в ремонт, і необхідно розібрати колесо балансу, урівноваження буде виконуватися годинникарем вручну. І це дуже складна операція – повторна збірка вузла спуску нівелює попереднє урівноваження, оскільки неможливо двічі однаково збалансовано зібрати всі компоненти разом.

Знос

Деталі неминуче зношуються та з часом вимагають заміни, стаючи ще однією причиною виникнення позиційної помилки. Розглянемо цей фактор на прикладі заміни осі балансу. Коли стрижні зношуються і тоншають, під впливом сили тертя знижується амплітуда коливань. Чим гірше їхній стан, тим нижче амплітуда особливо в вертикальному положенні.

В особливо важких випадках питання заміни деталей стає критичним, оскільки зношені елементи продовжують стиратися, утворюючи металеву тирсу, яка може мігрувати у інші ділянки механізму.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Установка нової осі балансу

Заміна зношеної осі балансу, як правило, призводить до миттєвого збільшення амплітуди коливань і, отже, до значного покращення точності ходу. Але як тільки ця заміна зроблена, всі складові колеса балансу повинні бути заново врівноважені, як описано вище.

Крім того, стрижні та краї осі балансу повинні бути максимально чистими, оскільки вони стикаються з підшипниками. Єдиний брудний стрижень може привести до позиційної помилки при зміні положень «циферблат вниз/вгору».

Волоскова пружина

Одвічний супутник колеса балансу — волоскова пружина, яка дозволяє контролювати коливання, що і визначає точність ходу годинника. Вона повинна розпускатися і стискатися концентрично рівномірно, таким чином підтримуючи в процесі руху однаковий простір між завитками.

Пружини балансу зазвичай бувають двох видів: плоскі та з загнутим кінцем (вигином). Останні представлені у величезній кількості форм, найвідомішою з яких стала «Breguet overcoil» (крива/спіраль Бреге). Вона була винайдена в 1795 році французьким годинникарем Абрахамом-Луї Бреге (1747-1823 рр.), На честь якого і була найменована.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Спіраль з вигином в годиннику Charles Frodsham Double Impulse Chronometer

Плоска пружина ідеально плоска в профіль, а її зовнішній кінчик нерухомий та кріпиться до молотка балансу. Внутрішній край пружини прикріплений до рухомого колеса балансу. Однак з геометричної точки зору така пружина не «дихає» ідеально концентрично. Коливання змушують обертатися внутрішній кінець пружини, ексцентрично її спотворюючи. В результаті центр ваги пружини зміщується, а відновлююча сила (пружність) пружини на колесі балансу змінюється.

Ці процеси дуже небажані та призводять до того, що сила пружини стає нестабільною і варіюється в залежності від амплітуди коливань. Що, в свою чергу, погіршує ізохронність пружини — властивість, що дозволяє зберігати період коливання незалежно від амплітуди.

Нестабільна амплітуда впливає на точність ходу, оскільки ходова пружина розкручується повільно, поступово знижуючи кількість енергії, що передається на нестійке колесо балансу. З часом це призводить до зниження амплітуди.

Для того щоб якось компенсувати цей ефект, на деяких пружинах роблять вигнутий кінчик. Іншими словами, зовнішній кінець волоскової пружини спеціально згинається під певним кутом безпосередньо над витком. Це забезпечує максимально концентричне «дихання» пружини та покращує ізохронізм.

Такі пружини дорожчі та більш трудомісткі у виготовленні, оскільки необхідний вигин робиться виключно вручну. Крім того, вони вимагають більшого простору (висоти), що потовщує механізм. Для тонких автоматичних калібрів, де кожен міліметр на рахунку, цей момент критичний. Саме з цієї причини плоскі пружини настільки широко використовуються у масовому виробництві годинників, а спіраллю з вигином оснащують переважно дорогі моделі преміального сегмента.

Такі пружини роблять в основному з металевих сплавів, оскільки кремній недостатньо податливий і не дозволяє зробити необхідний вигин. Тим не менше, кілька фахівців примудрилися зробити спіраль Бреге на пружині з кремнію. Відомі два способи: об'єднання двох окремих частин пружини з кремнію (як зробила марка Breguet) та особлива обробка, що дозволяє зігнути кремній в необхідну форму (метод розробила компанія Master Dynamic з Гонконгу).

Як положення годинника впливає на точність ходу

Кремнієва пружина з вигином, створена компанією Master Dynamic

Концентричності пружини з вигином може відповідати тільки подвійна пружина, яку застосовують тільки в нішевих преміальних годинниках. Вона складається з двох волосків, покладених один на одного в протилежних напрямках, за рахунок чого «дихання» пружин компенсує один одного. Найбільш відомий приклад використання подвійної пружини — турбійони H. Moser & Cie та Laurent Ferrier. Виготовленням пружин займалися в Precision Engineering (дочірня компанія Moser).

Як положення годинника впливає на точність ходу

Крупним планом: H. Moser & Cie Endeavour Tourbillon Concept, оснащений двома пружинами, які поміщені в клітку турбійону

Стабільний баланс

Навіть якщо деталі механізму ідеально виготовлені і точно сполучаються, найчастіше ручне регулювання годинникарем все одно необхідне. Тільки так можна забезпечити правильну частоту коливань колеса балансу – в цьому і полягає суть регулювання.

Практично всі механічні годинники сконструйовані таким чином, що вимагають настройки частоти осцилятору. Два найпоширеніші способи точного налаштування частоти – це використання регулятора швидкості пружини чи змінного балансу інерції. В теорії обидва методи повинні давати однакові результати за умови, що все зроблено правильно.

Регулятор – це найбільш поширений традиційний спосіб, який реалізується як в найдешевших, так і в преміальних наручних годинниках. Він складається з двох маленьких штифтів, які змінюють активну довжину пружини.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Сучасний калібр Omega 321 Chronograph з індексом регулятора, позначеного шкалою А-R (скорочено від фр. Avancé — просування вперед, retard — уповільнення)

Як положення годинника впливає на точність ходу

На покажчику регулятора видно два латунних обмежувача

Ці паралельні штифти, ще названі шпильками, не стикаються з пружиною, але дозволяють їй безперешкодно «дихати» та пружинити при розпусканні та стисненні. Більш коротка волоскова пружина – биття прискорюється, довша – сповільнюється.

Відстань між штифтами повинна бути відрегульованою таким чином, щоб вони розташовувалися строго паралельно один одному. В іншому випадку годинник буде більш схильний до позиційної помилку. Якщо, наприклад, штифти погнулися, пружина почне стикатися з ними в позиціях «циферблат догори/донизу».

Змінний баланс інерції (або регульований баланс маси) – це більш складний спосіб настройки частоти. Як правило, його застосовують в годинниках вищого класу, таких як Rolex Microstella та Patek Philippe Gyromax. Проте, технологія поступово поширюється і на сегмент більш доступних годинників, таких як, наприклад, Tudor. Ця марка оснащує свої моделі мануфактурними механізмами, будучи при цьому, як часто буває, дочірньою компанією Rolex.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Rolex Microstella

Як положення годинника впливає на точність ходу

Баланс Gyromax всередині механізму Patek Philippe CH 27-70 Q. Модель з референсом 3970

Регульований баланс маси не оснащений регулятором, замість цього використовуються гирьки або гвинти, прикріплені до обода балансу, – для забезпечення регулювання. Маленькі гвинти (гирьки) обертають, налаштовуючи швидкість механізму. Зсув їх назовні збільшує інерцію балансу, що призводить до уповільнення ходу, і навпаки. Відмінний приклад, який демонструє цей процес, – фігурне катання. Фігурист буде обертатися повільніше, якщо його руки розставлені, оскільки в такому положенні сила інерції зростає.

Як положення годинника впливає на точність ходу

Регульований баланс маси в механізмі Tudor MT5813 Сhronograph, який встановлений у Breitling 01

Оскільки вони не мають регуляторних штифтів, та волоскова пружина вільно дихає, їх також називають вільно пружними вагами. Теоретично вони менш схильні до виникнення позиційної помилки в порівнянні з регулятором, оскільки пружина не зможе зіткнутися зі штифтами регулятора через сили тяжіння.

Однак на практиці добре відрегульований баланс регулятора буде працювати так само, як і змінний інерційний.

Прогрес не зупинити

Точність ходу годинника не виникає сама по собі – цьому параметру приділяється величезна увага. Згодом вона буде неминуче погіршуватися, отже, годинникам потрібне обслуговування. Належний та своєчасний догляд забезпечить відмінний хронометраж протягом довгих років.

При щоденному використанні механізм годинника відчуває постійне експлуатаційне навантаження, а часом навіть сильні потрясіння. Але навіть незважаючи на це годиннику вдається показувати нам точний час. Чи це не свідчення великих досягнень інжинірингу?

Базовим концепціям годинникового мистецтва вже кілька століть, але вони продовжують удосконалюватися: поліпшуються виробничі методи, використовуються сучасні матеріали. І поява кремнієвих пружин — найкраще тому свідчення.