ЧАСОВАЯ СПИРАЛЬ: СЕКРЕТЫ МЕХАНИЗМА

Одним из самых важных элементов механизма хронометра является спираль. Скорей всего, каждый часовщик–ремонтник задавался этим вопросом, как этот элемент механизма должен подлежать регулировке.

Чтобы задействовать колебательное движение баланса, изобретатель шпиндельного хода, в 1500 г. решил задействовать свиной волосок (щетину). Позже, а точнее в 1657 г., свиной волосок был заменен металлической спиральной пружиной, которая и сейчас, на постоянной основе, используется в часах. Однако и в наше время в литературе по часовому делу можно встретить такое название как «волосок», что подразумевает металлическую спиральную пружину.

Выглядит «волосок» как длинная и тонкая полоска, свернутая в спираль, которая закрепляется посредством колодки на оси баланса. Если вывести баланс с нулевого положения или из положения покоя, причем не имеет значения, в каком направлении, спираль пытается вернуть его в тоже положение.

Функции производства спирали в настоящее время выполняет автомат. Спираль – это самая главная деталь механизма, которая требуют точного и стабильного хода.

Принцип работы цилиндрической и плоской спирали


В наше время часовщики-ремонтники используют два вида спирали: плоскую, на которой в одной плоскости размещены все витки, а также цилиндрическую. Чаще всего в наручных часах используется плоская спираль. Чтобы ее поднять над плоскостью витков, необходимо искривление концевой кривой. Цилиндрическая спираль также разделяется на два вида. В первом из них один ее конец закрепляется в колодке, напрессованной на ось баланса, в то время когда второй конец прикрепляется к мосту баланса. Второй вариант подразумевает собой прикрепление двух концов к мостам механизма, а баланс - к точной середине спирали.

Если отклонить баланс от центра оси, работа механизма будет не точная, так как действие баланса напрямую связано с функционированием спирали. Они работают в связке, и, если отклонить баланс от центра тяжести механизма, это даст такой же эффект, как и неуравновешенность баланса

Главное преимущество цилиндрической спирали - это то, что центр тяжести не перемещается во время колебания баланса. Хотя использовать ее в наручных часах нет возможности, по причине больших размеров самой спирали.

Форма плоской спирали аналогична форме архимедовой спирали, и за счет крепления двух концов к колодке и штифтам градусника. При этом она может закручиваться и разворачиваться эксцентрично.

Центр колодки и центр тяжести плоской детали никогда не совпадают. Особенность каждого ее отрезка в том, что он имеет собственный радиус кривизны. Если направляться вдоль спирали во внешнем направлении можно увидеть, что мы движемся вне исходной точки или центра. Чтобы гравитационный момент был больше, верхний полувиток должен быть короче нижнего. За счет этого верхний полувиток имеет большой радиус кривизны.

Расположение центра тяжести плоской спирали воздействует таким способом, как и вращающегося без искажения твердого тела – в таком роде как колодка или баланс. Также можно обратить внимание на особенность: в ситуации спирали постоянно меняется расстояние от центра тяжести до оси вращения, а у неуравновешенного баланса или колодки оно остается неизменным.

Если разместить центр тяжести ниже или выше оси, тогда это будет основной причиной отставания или опережения хода в вертикальных положениях. Такой эффект будет усиливаться с уменьшением амплитуды. Если изменить положения точки заделки конца спирали, то влиянию спуска можно противостоять, так как она дает противоположное влияние.

Есть возможность того, что если уменьшить амплитуду в вертикальных положениях, этого влияния может полностью хватить для того чтобы уравновесить спуском отставание хода. Внутреннюю точку заделки конца спирали можно сместить на ⅛ оборота влево или вправо, чем и возможно ослабить опережение хода. Однако если ее сместить на 90 °, это почти полностью сведет его к нулю.

Во время пребывания системы в положении покоя, расстояние от центра тяжести спирали до оси баланса от шага спирали является ¼. Центральная часть спирали во время движения перемещается вместе с балансом. Однако по мере движения во внешнем направлении от колодки, внешние витки меньше участвуют в движении. По этой причине спираль вовсе становится неподвижной к моменту достижения колодки.

Точка последнего витка спирали движется в направлении центра по радиусу и более не описывает дугу окружности. При раскручивании спирали общее число ее витков уменьшается, а по мере закручивания - увеличивается. Эта работа механизма более важная, так как раскручивание спирали всегда больше, чем ее закручивание.

Положение «9 вверх», «6 вверх»

Таким же образом, как и в случае с балансом, когда центр тяжести находятся ниже оси вращения, в некоторых секторах это приводит к опережению. Произойдет отставание, если он лежит выше, а когда центр тяжести лежит на одной горизонтали с осью баланса, эффект будет почти нулевым.

Такой эффект называется эффектом Гроссмана. В этом случае, спираль должна быть устроена так, чтобы положение ее центра тяжести уменьшали и покрыли отставание в вертикальном положении, которое зачастую в таком положении используется. Чаще всего карманные часы используются «серьгой вверх», иногда – с наклоном вправо или влево, и не используются почти никогда «серьгой вниз».

Очень тяжело определить положение наручных часов. Однако когда происходит настройка и проектирование наручных часов, можно учитывать, что наиболее частое положение будет «9 вверх» и «6 вверх».

Спираль разворачивается эксцентрически

Спираль без концевой кривой разворачивается эксцентрически. Такое явление называется эффектом Каспари. В данном случае самое большое расширение происходит в направлении, противоположном штифтам градусника. За счет этого, происходит боковое давление, и точка заделки конца спирали смещается из положения, в котором она была бы в состоянии покоя.

Если вставить в баланс плоской спирали часовой механизм, но без установки колонки и паллет, и поочередно тянуть и толкать внешний виток спирали в сторону центра и от него в четырех точках на 90° друг от друга, то получится грубое воспроизведение боковых воздействий, которое возникает при раскручивании и закручивании спирали. Боковая сила вызовет смещение баланса в меньшей или большей степени в зависимости от положения точки приложения. Приблизительно такой же эффект был бы если пытаться вращать баланс боковым давлением на колодку.

Когда внутренняя точка заделки спирали находится на линии, соединяющей центр баланса со штифтами градусника, происходит наибольшее опережение хода. При малых амплитудах получается максимальное опережение хода. За счет этого можно компенсировать вызванное спуском отставание хода в вертикальном положении. Большое отставание хода бывает тогда, когда внутренняя точка заделки спирали находится на той же стороне, что и направление максимального расширения спирали.


Между точками максимумов, обращенных к штифтам градусника, и на стороне максимального расширения спирали есть две нейтральные точки. В них данный эффект мало значителен. В ситуациях, когда влияние внутренней точки заделки конца спирали становится очень сильным, ее смещают.

Также внутренней точкой заделки конца спирали можно определить направление ее закрутки. Следует обратить внимание, что плотно зажиматься штифтами градусника плоская спираль не должна. В работе механизма часть спирали между штифтами и колонкой участвует до известной степени. В этом процессе можно увидеть, что максимальное боковое расширение спирали происходит не напротив градусника, а приблизительно на 30° в сторону от этого положения. В таком случае, при малых амплитудах, внутренняя точка заделки конца спирали, дающая на практике максимальное опережение хода, смещается в сторону радиуса на 30°, на котором лежат штифты градусника.

Каждые часы требуют индивидуальной настройки и корректировки. Не существует двух часов с одинаковыми характеристиками. В вертикальных положениях отставание хода меняется от одного к другому, в этой ситуации значение угла может быть только, варьируемым. Для того чтобы настройка была точной, необходимо знать, в какое направление следует переместить внутреннюю точку заделки конца спирали, чтобы добиться желаемого результата.

На коротких секторах при вертикальных положениях точка заделки конца спирали в колодку может влиять на опережение хода. Между радиусами значения угла, соединяющими две точки заделки концов спирали, обязаны выбираться так, чтобы точно вызвать опережение хода при любых пространственных положениях. В процессе необходимо следовать двум правилам: поместить точку заделки конца спирали в колодке так, чтобы полувиток который находиться первым, лежал над осью, и в то же время, чтобы внутренняя точка заделки конца спирали находилась на радиусе, соединяющем ось и штифты градусника.

Особенность наручных часов

Так как условия применения наручных часов отличаются от карманных, необходимо проектировать их компоновку.

При повторном размещении спирали в часах существует только одно правило для часовщика–ремонтника: расположить точку заделки конца спирали в колодке так, чтобы первый полувиток лежал над осью. Кроме того, можно предоставить возможность нахождения внутренней точки заделки конца спирали, на том же радиусе, что и штифты градусника. Если исходить из этого положения внешней точки заделки конца спирали, то при коротких секторах оно обеспечивает опережение хода и в горизонтальных, и вертикальных положениях (это обязательно необходимо соблюдать в наручных часах). От конструкции моста баланса должно зависеть положение внутреннего полувитка, расположения колонки и штифтов градусника.


Есть еще одно значительное отличие наручных и карманных часов , которое заключается в том ,что баланс у карманных часов намного больше чем у наручных. В этом случае есть возможность запасти больше энергии. Соотношение между накопленной энергией и диаметром цапф, которое определяет энергопотери, отличается от аналогичного показателя наручных часов. По этой причине, в наручных часах движение баланса с меньшими цапфами легче подвергается возмущениям со стороны спуска.

В наручных часах оказываются более существенные потери на трение в цапфах, относительно накопленной в системе энергии, чем в карманных. По этой причине, становится ясно, зачем в карманных часах необходимо вводить меньшее опережение хода на коротких секторах, чем в наручных. Чтобы снизить опережение такого хода необходимо будет сдвинуть точку заделки конца спирали в обратном направлении.

Из данной статьи можно сделать вывод, что правила для точки заделки конца спирали не жесткие, поэтому необходимо их применять вдумчиво, внося небольшие изменения, и только при необходимости.