6.5 Годинники

6.5.1 Фактори формування якості годинників

Бажання підкорити собі час було притаманне людині завжди. Спочатку намагалися зробити це за допомогою сонячних годинників, потім пісочних. Пізніше з'явилися перші механічні годинники; велетенських розмірів з годинниковою стрілкою. Виробництво цих годинників обходилося дуже дорого, тому встановлювалися вони тільки в багатих містах і за рахунок міської скарбниці. З часом годинники зменшувалися у розмірах, в них з'явилася хвилинна стрілка, а

521

потім і секундна. Виготовлення годинників із золота, платини, інкрустованих коштовним камінням, складніших механізмів поставило їх поряд з найвідомішими витворами мистецтва.

Годинники це прилади для вимірювання часу за допомогою досить постійного за тривалістю періодичного коливального процесу; прилади, які не тільки вимірюють поточний час, але вимірюють та відтворюють інтервали і моменти часу.

Особливості принципу дії годинників. Годинниковий механізм є добре відладженою механічною або електромеханічною системою, що складається з наступних конструктивних вузлів: двигуна, передавального механізму, ходового пристрою (спуск), регулятора, механізму заведення пружини та переведення стрілок, стрілочного механізму.

Двигун в годинниковому механізмі є джерелом енергії, яка передається через передачу і хід на регулятор і підтримує рівномірні його коливання. Через хід і передачу коливання регулятора надаються стрілкам, які починають рухатися.

Найчастіше в годиннику встановлюють пружинний двигун, що складається з барабана, який має заводню пружину. Годинник з пружинним двигуном називають механічними.

Барабан є циліндровою коробкою із зубчатим вінцем по зовнішньому периметру. На внутрішній стінці барабана є отвір, гачок або інше пристосування для кріплення зовнішнього витка пружини. Внутрішній виток пружини закріплюється на валу барабана за допомогою гачка.

Пружина сталева стрічка певної товщини і довжини, згорнута в спіраль з числом витків від 2 до 6. При установці в барабан число витків пружини збільшується до 10 - - 12. Число витків заведеної пружини досягає 18 20. Від розмірів пружини залежить тривалість роботи годинника між підзаводами. Барабан зі встановленою в ньому пружиною закривають кришкою.

У годинникових механізмах встановлюють також гирьовий двигун. В ньому використовується енергія піднятої гирі.

Останніми роками більш поширений електричний годинник, який приводиться в дію джерелами постійного струму (гальванічними елементами, батареями і акумуляторами). Енергію цих джерел струму достатньо для безперервного живлення приблизно протягом року.

Передача в годинниковому механізмі зубчата і складається з певного числа пар зубчатих коліс. В кожній парі зубчатих коліс є велике колесо і мале, які називаються трибом. Велике колесо наглухо закріплено на трибі. В наручних годинниках передача складається з трьох пар зубчатих коліс.

Зубчата передача повідомляє стрілочному механізму необхідну для переміщення стрілок швидкість обертання, а також передає зусилля на хід для підтримки коливань регулятора.

Зубчату передачу збирають на латунній пластині певної форми, що називається платиною. Протилежні кінці (цаифи) осей коліс закріплюють на мостах, встановлених на платині за допомогою гвинтів і штифтів. Цапфи осей коліс обертаються в кам'яних підшипниках, а в найдешевшому годиннику -522

безпосередньо в платині і мостах. В якості підшипника використовують рубінове каміння, яке періодично мастить годинним маслом. У 80-ті роки годинники найчастіше мали від 15 до 32 каменів (годинники з додатковими пристроями). Нині залежно від якості механізму зазвичай використовуються 7,15,17 каменів або 21 камінь. Удосконалення кінематичної схеми годинників і введення додаткових пристроїв призводить до збільшення числа каменів, і в окремих випадках їх кількість може досягати 68 і навіть 126 каменів. Кількість каміння є одним з показників якості годинника.

Кожна зубчата пара коліс в годинниковому механізмі характеризується певним передавальним числом, величина якого залежить від співвідношення числа зубів на великому колесі і трибі. Передавальне число між барабаном і центральним трибом підбирають так, щоб центральний триб за одну годину скоював рівно один оборот. Тому на осі центрального триба встановлюють хвилинну стрілку. Передавальне число між центральним колесом і секундним трибом таке, що секундний триб за одну хвилину скоює повний оборот. На осі секундного триба встановлюють секундну стрілку.

Хід є проміжним (між зубчатою передачею і регулятором) вузлом годинникового механізму. Призначення цього вузла перетворення

обертального руху зубчатих коліс і рівномірно-переривистий рух регулятора ходу годинника. В конструкціях більшості годинників застосовують хід анкерного типу, що складається з анкерного колеса з трибом і анкерної вилки.

Анкерне колесо виготовляють з високоякісної сталі з п'ятнадцятьма зубами. В зубі розрізняють дві робочі площини - - зовнішню і внутрішню, звані відповідно площинами імпульсу і спокою.

Анкерна вилка має два плечі з пазами, в які запресоване рубінове каміння. Палети також мають площини імпульсу і спокою, що взаємодіють з однойменними площинами зуба анкерного колеса. В хвостовій частині анкерної вилки знаходяться паз, два ріжки і спис, які забезпечують взаємозв'язану роботу анкерного ходу і регулятора.

Регулятор (коливальна система) найвідповідальніша частина

годинникового механізму, оскільки він забезпечує точність і стабільність ходу годинника. За типом коливальної системи найрозповсюдженішими є балансові (пружинні) та маятникові (гирьові) годинники.

Балансовий регулятор складається з балансу і волосиння, що надягає на вісь балансу. Завдяки імпульсам, що поступають від анкерного колеса через анкерну вилку, баланс скоює коливання. Одночасно анкерна вилка перетворює коливальний рух балансу в обертальний рух анкерного колеса, внаслідок чого починає рівномірно обертатися зубчата передача разом із стрілками.

Для регулювання ходу годинника баланс має спеціальний пристрій (градусник), за допомогою якого змінюється робоча довжина волоска, а отже, і хід годинника (швидшає або сповільнюється).

Маятниковий регулятор застосовують переважно в настінному і напільному годиннику, оскільки він може працювати тільки у вертикальному положенні. Стрижні маятника виготовляють з дерева і сталі. На кінці стрижня закріплюють відносно важкий вантаж у вигляді диска, який можна переміщати

523

по стрижню і тим самим змінювати період коливання маятника. Так, якщо годинники поспішають, вантаж пересувають вниз, а якщо відстають - - вгору.

Механізм заводу пружини і переведення стрілок в різних системах годинника має неоднакову конструкцію. Завод пружини може здійснюватися за допомогою ключів або заводної голівки.

В балансових наручних годинниках механізм заводу складається з заводного валу із заводним трибом і заводного колеса.

Заводна голівка нагвинчує на різьбову частину заводного валу. При цьому відбувається зачеплення зубчатих коліс за допомогою кулачкової муфти, заводний триб через заводне колесо, яке починає обертати барабан і тим самим заводить пружину. Завдяки стопорному пристрою барабан у момент заводу не обертається у зворотний бік.

В будильниках і настільному годиннику стрілки переводять за допомогою кнопки, а в настінному і напільному годиннику - - рукою з боку циферблата.

В наручних годинниках стрілки переводять заводною головкою, заздалегідь витягнутою з корпусу годинника. При цьому кулачкова муфта виходить із зачіпляючого заводного триба і з'єднується з перевідним колесом, а потім з вексельним колесом, а через нього з трибом хвилинної стрілки. Через цей триб обертання передається хвилинним і годинниковим стрілкам.

Стрілочний механізм, як і механізм заводу і переведення стрілок, розташован на зовнішній стороні платини, під циферблатом. Стрілочний механізм включає триб хвилинної стрілки, фрикційний насаджений на вісь центрального колеса, вексельне колесо з трибом і годинне колесо, що вільно сидить на втулці триба хвилинної стрілки. На виступаючу частину втулки триба хвилинної стрілки насаджена хвилинна стрілка, а на втулку годинного колеса годинникова стрілка. Вексельне колесо знаходиться в зачіпляючому з трибом хвилинної стрілки, а вексельний триб - - з годинним колесом. Завдяки такому з'єднанню здійснюється взаємодія триба хвилинної стрілки з годинним колесом.

При роботі годинникового механізму, коли заводна головка знаходиться усередині корпусу годинника, кулачкова муфта виходить із зачіпляючого з перевідним колесом. Стрілочний механізм одержує рух тільки від осі центрального колеса. Обертання триба хвилинної стрілки передається вексельному колесу і вексельному трибу, а від нього - - годинному колесу. Співвідношення зубів триба хвилинної стрілки і годинного колеса повинне бути таким, щоб годинникова стрілка оберталася в 12 разів повільніше, ніж хвилинна.

Годинниковий механізм поміщають в корпус, який є декоративним елементом годинника, а також захищає їх від механічних пошкоджень, проникнення пилу, вологи і води.

Особливості конструкції електричного годинника. Головна відмінність електричного годинника від механічних - - відсутність пружинного двигуна. Енергія до системи надходить безпосередньо від джерела струму.

524

Залежно від приводу виготовляють електричний годинник контактний і безконтактні (електронно-механічні).

В контактному годиннику між балансом і зубчатою передачею поміщають магнітну систему, а в ободі балансу мініатюрну котушку. Електричний струм від гальванічного елементу поступає на котушку і утворює навкруги неї магнітне поле, яке, взаємодіючи з полем постійного магніту, створює певний імпульс для балансу.

В безконтактному годиннику баланс одержує імпульс унаслідок взаємодії полів постійного магніту і котушки. Падаючим елементом годинника, що визначає точність ходу, є кварцовий резонатор. Він є пластинкою кварцу, на яку методом напилення нанесена система електродів. Пластинка поміщена в колбу, що вакуумується, з двома електричними висновками, якими резонатор підключається до схеми електронного блоку годинника.

При подачі напруги на електроди (годинник діє від хімічного джерела струму мініатюрної батареї діаметром 11 мм і заввишки 5,5 мм) в кварцовому резонаторі збуджуються стабільні по частоті механічні коливання, які супроводжуються також стабільними електричними коливаннями з частотою 32768 Гц, які перетворюються надалі за допомогою спеціальної інтегральної мікросхеми (дільника частоти) в електричні коливання частотою 1 Гц. Електричні імпульси цієї частоти в годиннику «Політ», «Слава», «Чайка», «Ракета» поступають на кроковий двигун, який відпрацьовує кожний імпульс поворотом своєї осі на 45°. Таким чином, повний оборот вал двигуна робить за 8 секунд. В кварцовому годиннику мінського годинного заводу замість крокового двигуна використай балансовий. Зовні це можна помітити по безперервному плавному руху секундної стрілки (в годиннику з кроковим двигуном секундна стрілка робить як би крок, стрибок).

Механічна частина кварцового електронно-механічного годинника принципово не відрізняється від колісної системи звичайного механічного годинника.

У балансових електронно-механічних годинниках між балансом і платиною (металева основа, на якій збираються вузли механізму) розташовують постійний магніт, а в ободі балансу встановлюють мініатюрну котушку. Для запуску такі годинники необхідно потрусити. При цьому баланс повертається і його котушка встановлюється над постійним магнітом. За допомогою транзисторного (електронного) пристрою струм від джерела (батареї) потрапляє до котушки, біля якої утворюється магнітне поле, що взаємодіє з полем постійного нерухомого магніту. Знаки магнітних полів котушки і магніту збігаються, тому котушка разом з балансом набуває відштовхуючих імпульсів і вони повертаються у вихідний стан. У цих годинниках пружинний двигун замінений на батарею та наявна електронно-магнітна система. Інші вузли не відрізняються від вузлів механічних годинників.

Принцип дії камертонних електронно-механічних годинників грунтується на своєрідній властивості камертона: якщо одному із відводів камертона надати коливальний рух, то й другий відвід почне здійснювати такі ж коливання. На платині цих годинників кріпиться мініатюрний камертон, на кінці відводів якого насаджені постійні магнітики, під якими розташовано дві секції електричної котушки.

525

Магнітні силові лінії постійного магнітика, закріпленого на лівому відводі камертона, пересікають (після потрушування годинника) першу секцію котушки і зумовлюють в ній електрорушійну силу.

Напруга потрапляє у транзистор і "відкриває" його, після чого струм від батареї починає надходити до другої секції котушки. Біля неї утворюється магнітне поле, яке взаємодіє з полем постійного магніту правого відводу камертона. В результаті правий відвід камертона набуває нового імпульсу руху. Його коливання передаються лівому відводу і цикл повторюється. Робота цих годинників супроводжується слабкими перериваючими звуками.

У кварцових електронно-механічних годинниках як регулятор використовують кристал кварцу. На кварцовій пластинці є система електродів. При подачі струму від батареї на одну пару електродів кварцова пластина починає коливатися з постійною частотою. Ці коливання зумовлюють стабільні електричні коливання. За допомогою інтегрованих мікросхем такі електричні коливання перетворюються в електричну напругу з частотою 1 Гц (одне коливання в секунду). Ці імпульси потрапляють на кроковий мікродвигун, який перетворює кожний імпульс в поворот осі ротора на 45°. За допомогою колісної передачі обертання ротора крокового двигуна перетворюється в обертання стрілок циферблата. Особливістю цих годинників є пульсуючий рух секундної стрілки.

Електронні годинники не мають механічних деталей, що рухаються. Це забезпечує безшумність роботи, високу надійність і точність. Такі годинники мають комп'ютер на мікроінтегрованих схемах і пластинку кварцу, яка використовується в якості регулятора. Секундні імпульси, отримані за принципом кварцових електромеханічних годинників, надходять до блока перерахунку, де пе­ретворюють на закодовані сигнали. Ці сигнали потрапляють на світлові діоди або рідкі кристали та висвічують цифри на індивідуальному табло.

Індикація часу в електричному годиннику може бути стрілочною і цифровою. Для цифрової індикації часу застосовують рідкі кристали і світлоізлучаючі діоди.

Додаткові пристрої в годинникових механізмах. Годинник може мати різні додаткові пристрої, що підвищують їх споживні властивості: механізм бою, механізм автопідзаводу пружини, протиударне, секундомірне, календарний і антимагнітний пристрої.

Механізм бою призначений для подачі звукових сигналів відповідно до свідчень стрілок. Звукові сигнали витягуються ударом молоточка по пружині, молоточку або просто по кришці корпусу годинника. Механізми бою встановлюють в настінному, напільному, настільному, кишеньковому, наручному годиннику і годиннику-будильниках. Цей механізм звичайно має самостійний двигун, свій хід (в будильниках) і рахунковий пристрій (в маятниковому годиннику).

Протиударний пристрій оберігає вісь балансу від поломки при різких ударах або падінні годинника. В годиннику з таким пристроєм балансове рубінове каміння запресовують не безпосередньо в платину і мости, а в спеціальні рухомі амортизуючі опори. 526

Секундомірний пристрій застосовується в наручних і кишенькових годинниках, воно значно ускладнює їх конструкцію. Годинник з секундомірним пристроєм має додаткові стрілки. Для управління секундомірним пристроєм в корпус годинника вмонтовано одна або дві кнопки.

Календарний пристрій встановлюють під циферблатом годинника. Воно показує числа, назви днів і місяців.

Механізм автоматичного підзаводу пружини забезпечує завод пружини рухом руки. В результаті систематичного підзаводу пружина завжди знаходиться в напрузі, і тому такий годинник відрізняється високою точністю.

Антимагнітний пристрій захищає годинниковий механізм від дії сильного магнітного поля. Роблять його у вигляді кожуха з тонкої електричної сталі, що надягається на механізм годинника.