§ 49. Регулятор часов баланс-спираль (устройство и сборка)

Глава VIII РЕГУЛЯТОР ЧАСОВ (устройство и сборка)

§ 49. Регулятор часов баланс-спираль (устройство и сборка)

Регулятор баланс — спираль применяется в переносных, наручных, карманных, настольных и специальных часах. Основными деталями регулятора баланс — спираль (рис. 124) являются: баланс 1, ось баланса 4, спираль 2, колодка 3 спирали, колонка спирали, градусник со штифтами (на рисунке не показан). Баланс изготовляют из сплавов нейзильбера, латуни или бериллиевой бронзы. Он состоит из тяжелого обода, перекладины или спиц, с помощью которых обод крепится на оси. Обод баланса может быть гладким (безвинтовой баланс) или иметь 12 и более винтов, ввинчиваемых в него с внешней стороны.

Для изготовления спирали используют специальный никелевый сплав. Часовая спираль имеет форму спирали Архимеда. Внутренний конец ее крепится в колодке, которая плотно надета на ось баланса и может на ней поворачиваться благодаря пружинящей прорези. Внутренний конец спирали может быть закреплен в колодке коническим штифтом или зачеканен в прорези. Внешний конец спирали крепится в колонке, которая вставлена в отверстие балансового моста и закреплена там винтом. Спирали бывают с правой и левой навивкой (рис. 125).

Для регулирования точности хода часов путем изменения действующей длины спирали служит градусник (рис. 126). В рычаге градусника 1 запрессованы два штифта 4, между которыми проходит наружный виток спирали 3, Рычаг насажен на верхнюю накладку баланса. Благодаря пружинному разрезу 2 рычаг градусника может поворачиваться вокруг накладки. При повороте рычага влево или вправо длина спирали увеличивается или уменьшается. Чтобы другие витки спирали не попадали между штифтами при случайных ударах или сотрясениях, применяют градусники, в которых имеется штифт (или два штифта) и замок (рис. 127).

Для улучшения качества регулировки хода часов часто применяют градусник с подвижной колонкой (рис. 128). Он состоит из регулятора колонки и собственно градусника со штифтом и замком. При повороте регулятора колонки

вместе с ним поворачивается и градусник. Такая конструкция дает возможность точной установки равновесного положения баланса, так называемую «выкачку баланса». Действующую длину спирали изменяют поворотом градусника относительно регулятора колонки спирали.

Рис. 124. Балансовый регулятор:
1-баланс, 2 — спираль, 3 — колодка, 4 — ось, 5 - двойной ролик, 6 импульсный камень

Рис. 125. Спираль: а — с правой навивкой, б - с левой навивкой

Рис. 126. Градусник со штифтами: 1 — градусник, 2 — разрез градусника, 3 — спираль, 4 — штифты

Рис. 127. Градусник с замком: 1 — градусник. 2 — разрез градусника, 3 — штифт, 4 -замок градусника

Рис. 128. Градусник с подвижной колонкой: 1 — накладка, 2 — градусник, 3 штифты, 4 — спираль, 5 — колонка, 5 - регулятор колонки

§ 50. Период колебания баланса

Регулятор баланс — спираль совершает периодическое колебательное движение.

Время, в течение которого баланс совершает полное колебание, т. е. отклоняется от положения равновесия в одну

сторону, возвращается обратно, проходит положение равновесия, отклоняется в другую сторону и возвращается обратно в положение равновесия, называется периодом колебания баланса.

Максимальный угол отклонения баланса от положения равновесия называется амплитудой колебания баланса.

Следовательно, период колебаний баланса зависит от массы баланса, его геометрических размеров, модуля упругости материала и геометрических размеров спирали.

Период колебаний баланса увеличивается при увеличении массы баланса, его геометрических размеров и длины спирали.

При увеличении модуля упругости спирали, ее толщины и ширины период колебания уменьшается.

Расчет спирали. Из формулы периода колебания баланса определяем

Большинство часов изготовляется с периодом колебания, равным 0,4 с. Часы малого калибра, как правило, изготовляются с периодом, равным 0,333 с. В последнее время появляются часы с периодом 0,363 и 0,2 с.

Изолированный от взаимодействия с ходом регулятор баланс — спираль по сравнению с маятником обладает и тем преимуществом, что его период колебания не зависит от амплитуды.

При взаимодействии регулятора баланс — спираль с ходом появляется нарушение изохронности (погрешность изохронности). Эти нарушения происходят в результате ряда факторов: трение в узлах хода и зубчатой передачи, неоднородности материала спирали и др. Изохронной погрешностью называется разность в секундах между мгновенными суточными ходами, зарегистрированными через 24 ч после заводки и при полном заводе.

При нарушении изохронизма появляется зависимость периода колебания баланса от величины амплитуды. Инерция спирали расстраивает изохронизм, вызывая опережение хода на малых амплитудах (эффект Каспари). Э. Каспари математически доказал, что характер зависимости периода колебания баланса от амплитуды можно менять при помощи изменения угла между точками креплеиия спирали в колодке и колонке, т. е. при помощи подбора угла между точками крепления спирали можно уменьшить изохронную погрешность. Кроме того, для уменьшения изохронной погрешности необходимо, чтобы упругая сила спирали была пропорциональна углу поворота баланса. Практически это означает, что толщина и ширина спирали по всей ее длине должны быть постоянными.

Форма спирали должна быть правильной, т. е. ее витки должны располагаться концентрично, не имея перегибов и других повреждений. Расстояние между витками (шаг) должно быть одинаковым.

Все витки спирали должны находиться в одной плоскости, перпендикулярной оси баланса.

Центр тяжести узла баланс — спираль должен находиться на оси его вращения.

Соблюдение этих условий позволяет достичь постоянной продолжительности колебаний, при большой (270—300°) и малой (160—180°) амплитудах колебаний баланса, что, в свою очередь, обеспечивает высокую точность хода часов независимо от степени заводки пружины.

§ 51. Трение в регуляторе. Добротность

Характер сил трения в часовом регуляторе (осцилляторе), совершающем свободные колебания, зависит от многих факторов: частоты колебания, конструкции узла и его элементов, материала спирали, величины зазоров в трущихся поверхностях, характера смазки и т. п.

В часовом механизме можно различить три вида трения: постоянное трение цапф в камневых опорах (трение Кулона), сила сопротивления внешней среды — обода баланса и спирали о воздух (вязкое или линейное трение) и внутреннее трение в спирали.

Постоянное трение можно определить по формуле F=fN, где F — постоянное трение; N — нормальное давление на соприкасающиеся поверхности; f — коэффициент трения.

Коэффициент трения соответствует углу, при котором происходит соскальзывание тела по наклонной плоскости под действием силы тяжести. Величина коэффициента трения зависит от материала и шероховатости соприкасающихся поверхностей.

В большинстве случаев коэффициент трения между разнородными деталями меньше, чем между однородными. Поэтому обычно цапфы, подшипники колеса и трибы делают из разных материалов.

При смазке трущихся поверхностей коэффициент трения снижается в несколько раз. Масло заполняет все неровности трущихся поверхностей, располагается между ними тонким слоем, и поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят друг относительно друга слои смазки.

Величина и постоянство сил трения в часовом механизме оказывают большое влияние на качество хода часов. Скорость вращения баланса периодически возрастает от нуля до максимума и соответственно этому меняется величина трения цапф в опорах.

Однако момент постоянного и вязкого трения не характеризует энергетические возможности колебательной системы .

В теории колебаний показателем качества колебательной системы принимается отношение полной колебательной энергии к сумме потерь энергии в колебательной системе за один период. Эта величина называется добротностью колебательной системы.

§ 52. Неуравновешенность баланса

При смещении центра тяжести баланса относительно его оси вращения возникает неуравновешенность. Проверку уравновешенности баланса (без спирали) производят на специальных параллельных горизонтальных ножевых опорах, на которые помещают цапфы оси баланса.

Если центр тяжести баланса не совпадает с осью вращения, т. е. баланс неуравновешен, то под влиянием силы тяжести он повернется тяжелым участком вниз и займет положение устойчивого равновесия.

Если центр тяжести баланса совпадает с осью вращения, т. е. баланс уравновешен, то, находясь на ножевых опорах, он займет положение безразличного равновесия.

Неуравновешенность баланса может быть вызвана различными причинами. К ним относятся следующие:

обод баланса в разных местах имеет разную толщину или ширину;

с одной стороны обода баланса ввернуты более тяжелые винты;

баланс насажен на ось эксцентрично.

Неуравновешенность баланса нарушает точность хода часов в тех случаях, когда ось баланса расположена горизонтально, т. е. часы находятся в вертикальных положениях.

Точность хода часов при горизонтально расположенном неуравновешенном балансе зависит от положения его центра тяжести и от амплитуды колебаний. Например, при положении центра тяжести баланса выше оси вращения часы при амплитуде менее 220° будут отставать, при амплитуде, равной 220°,— идти точно, а при амплитуде более 220° — спешить.

Если центр тяжести баланса расположен ниже оси, часы будут при амплитуде менее 220° спешить, при амплитуде 220° — идти точно, и при амплитуде более 220° — отставать.

Производя проверку точности хода часов в вертикальных положениях при различных амплитудах, можно установить неуравновешенность баланса и направление смещения центра тяжести.

В табл. 1 указаны изменения точности хода в вертикальных положениях в зависимости от размещения центра тяжести баланса.

Неуравновешенность баланса вызывает изменение периода колебания баланса. Допустим, что избыточный вес расположен на нижней части баланса, находящегося в положении равновесия. При колебании баланса с амплитудой менее 220° избыточный вес будет располагаться в верхнем положении. Когда баланс возвратится в положение равновесия, спираль получит дополнительную энергию от избыточного веса. Следовательно, возвращается в положение равновесия несколько быстрее, чем только под действием упругой силы спирали,— часы будут спешить.

Теперь допустим, что избыточный вес после возврата в нижнее положение будет продолжать движение в противоположную сторону. В этом случае избыточный вес является дополнительной силой, действующей вместе с упругой силой спирали, т. е. колебания баланса уменьшатся — часы будут отставать.

1. Зависимость точности хода часов в вертикальных положениях от размещения центра тяжести баланса

Если амплитуда колебания баланса превышает 220°, то при движении баланса вверх из положения равновесия усилие спирали встретит сопротивление силы тяжести избыточного веса в то время, когда она начинает свое движение вверх. После прохождения балансом верхней точки избыточный вес будет создавать дополнительное усилие при движении баланса вниз. В результате этого период колебания будет удлиняться в первой части пути и укорачиваться во второй. Причем в этом случае увеличение и уменьшение периода колебаний таковы, что в результате период колебаний будет удлиняться, т. е. часы будут отставать. Зависимость отклонения хода часов от неуравновешенности баланса при разных амплитудах его колебаний можно выразить графически (рис. 129). Кривая, расположенная ниже горизонтальной оси, показывает опережение. Кривая, расположенная выше горизонтальной оси, показывает отставание.

Изменение точности хода часов на графике показано для часов, заводная головка которых повернута вверх. Точность хода в горизонтальном положении часов равна нулю.

Рис. 129. График изменения суточного хода, вызванного неуравновешенностью баланса

§ 53. Спираль

При колебании баланса происходит раскручивание и закручивание спирали, т. е. радиус кривизны ее витков изменяется. Это возможно за счет упругой деформации материала, из которого изготовлена спираль. На участке спирали от колонки до штифтов градусника межвитковое расстояние изменяется меньше, чем на противоположном участке спирали. В результате этого центр тяжести спирали постоянно перемещается около оси вращения баланса. По этой же причине возникает добавочное давление цапф оси баланса на стенки отверстий балансовых камней, т. е. увеличивается трение в опорах и добавочный момент на колодке спирали. Добавочный момент уменьшает или увеличивает момент спирали, нарушая изохронизм.

Если центр тяжести спирали не находится на оси вращения баланса, получается неуравновешенность всей системы баланс — спираль. Эта неуравновешенность вызывает отклонения в ходе часов, которую можно определить при их проверке в вертикальных положениях. Отклонение точности хода при этом зависит от амплитуды колебания баланса и от положения места крепления внутреннего витка спирали по отношению к колонке спирали. Чтобы уменьшить влияние добавочного момента и совместить центр тяжести спирали с осью вращения, внешний и внутренний концы спирали выполнены по определенным кривым. Концевые кривые уменьшают влияние смещения центра тяжести баланса со спиралью относительно оси вращения во время хода часов.

В наручных и карманных часах применяются плоская спираль и брегетированная, которая названа по имени французского часовщика Луи Бреге, применившего ее впервые. В часах о плоской спиралью (рис. 130, а, в) бо

новая колонка находится в той же плоскости, что и сама спираль.

У брегетированной спирали (рис. 130, б) внешний виток приподнят на 0,3—0,5 мм, а конец концевой кривой, работающей в штифтах градусника, является дугой окружности, проведенной радиусом из центра оси баланса. Теорию концевых кривых спирали разработал французский инженер Филлипс. Он рассчитал концевые кривые спирали таким образом, что витки спирали при работе, развертываясь, оставались концентричными.

Рис. 130. Виды спиралей: а, в — плоские, б — брегетированная

Внутреннюю концевую кривую спирали изгибают радиусом так, чтобы ее начальная часть не касалась колодки спирали при закручивании на 330° и в то же время находилась бы от колодки спирали на расстоянии, не превышающем шаг спирали t (рис. 131).

Если внутренний виток спирали расположен слишком близко к колодке, во время работы она будет касаться колодки тем больше, чем больше амплитуда колебания баланса. При этом будет изменяться действующая длина спирали, что повлечет за собой изменение периода колебания баланса. При больших амплитудах часы будут спешить, а при малых отставать. Если внутренний виток спирали будет установлен эксцентрично относительно колодки, то при работе часов спираль будет задевать за колодку, что также приведет к нарушению точности хода часов. Кроме того, спираль будет раскручиваться во время работы часов неравномерно.

Для выполнения внешней концевой кривой спирали необходимо знать радиус спирали R0 в штифтах градусника при среднем его положении и максимальный радиус спирали R. Подсчитав отношение R0/R по таблицам, можно определить концевую кривую, которая должна иметь плавные геометрические формы.

Рис. 131. Расположение внутренней концевой кривой относительно колодки: а правильное, б — неправильное

§ 54. Влияние крепления внешнего и внутреннего концов плоской спирали на период колебания баланса

При работе витки спирали будут раскручиваться равномерно, располагаясь все время концентрично, если положение точек крепления внутреннего и внешнего витков спирали выбрано правильно.

Четыре кривые, представленные на рисунке, соответствуют четырем различным положениям точек крепления спирали через каждые 90°.

Рис. 132. Влияние крепления спирали на период колебания баланса

Рис. 133. График зависимости точности хода часов от места крепления концевых кривых

Наилучшее взаимное расположение точек крепления концевых кривых обеспечивает наименьшую изохронную ошибку, т. е. наилучшую зависимость точности хода часов от изменения амплитуды, а следовательно, и меньшее изменение суточного хода при изменении положения часов в пространстве.

§ 55. Действующая длина спирали

Спираль работает свободно на длине от колодки до штифтов градусника. Часть спирали от штифтов до колонки также принимает некоторое участие в работе, так как спираль между штифтами не закреплена жестко, а имеет некоторый зазор — «игру».

Действующей (рабочей) длиной спирали называется ее длина от колодки до штифтов градусника плюс 1/3, длины от штифтов градусника до колонки. Известно, что при изменении длины спирали изменяется

и период колебания баланса. Если повернуть градусник, т. е. передвинуть ее штифты к колонке спирали, действующая длина спирали увеличивается, а следовательно, период колебания баланса также увеличится — часы будут отставать. Если передвинуть штифты градусника от колонки спирали, действующая длина спирали уменьшится, а следовательно, уменьшится и период колебания баланса — часы будут спешить.

§ 56. Влияние зазора между спиралью и штифтами градусника на период колебания баланса

С помощью градусника можно удлинять и укорачивать рабочую длину спирали, т. е. изменять точность хода часов. От положения спирали в штифтах градусника в некоторой степени зависит и изохронизм системы баланс — спираль. Зазор между спиралью и штифтами градусника должен быть минимальным (не превышать половины толщины спирали) и в то же время позволять штифтам при повороте градусника скользить по спирали, не нарушая ее формы. Чтобы зазор между спиралью и штифтами сохранялся постоянным, дуга спирали, по которой движутся штифты при перемещении градусника, должна быть выполнена по радиусу. Штифты должны быть строго перпендикулярны плоскости градусника и параллельны между собой (рис. 134).

В положении равновесия баланса спираль не должна касаться штифтов градусника, а располагаться между ними. На штифтах градусника не должно быть заусенцев. В случае нарушения указанных требований будет нарушаться изохронизм системы.

Если зазор между штифтами и спиралью превысит половину толщины спирали, то ее рабочая длина станет переменной. При малых амплитудах спираль не будет касаться штифтов регулятора, следовательно, ее рабочая длина не будет ограничиваться штифтами (рис. 135, а).

При увеличении амплитуды колебания баланса спираль будет касаться штифтов градусника, ее рабочая длина уменьшится, а следовательно, уменьшится и период колебания баланса. В таком случае часы в горизонтальном положении при больших амплитудах будут спешить, а в вертикальном положении при малых амплитудах — отставать.

Если спираль в положении равновесия окажется прижатой к одному из штифтов, то ее рабочая длина также не будет постоянной. На рис. 135, б пунктирной линией показано положение, которое заняла бы свободная спираль. При малых амплитудах спираль будет касаться штифта градусника. Следовательно, ее рабочая длина будет ограничиваться штифтами. При увеличении амплитуды спираль

будет отходить от штифта, и если второй штифт расположен так, что спираль в крайнем положении при колебании не будет его касаться, то в этом случае рабочей длиной спирали будет являться ее длина до колонки, т. е. период колебания увеличится. В этом случае часы будут спешить на малых амплитудах и отставать на больших. Разница в точности хода часов при разных амплитудах будет тем меньше, чем меньше длина спирали между штифтами и колонкой.

Если штифты градусника не параллельны между собой, то зазор между штифтами и спиралью в вертикальном направлении не будет постоянным (рис. 135, в). При смене горизонтальных положений спираль будет перемещаться в штифтах на величину вертикального зазора баланса. При этом зазор между спиралью и штифтами градусника будет изменяться, что приведет к изменению точности хода часов.

Рис. 134. Правильное расположение спирали в штифтах градусника: 1, 3 — штифты, 2 — спираль

Рис. 135. Неправильное расположение спирали в штифтах градусника:
а — зазор между штифтами больше допустимого, б — спираль прижата к одному из штифтов, в — штифты градусника не параллельны между собой; 1,4 — штифты, 2 — градусник, 3 — спираль, 5 колонка

содержание .. 22 23 24 25 ..