ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

для получения изохронного колебания спирали центр его тяже­ сти должен всегда совпадать с балансовой осью. Геликоидаль­ ные спирали соответствуют этому требованию.

Для температурной компенсации системы баланс—спираль Арнольд в своих первых морских часах применял биметалличе­ ский градусник, от которого он отказался в более поздних часах, заменив его биметаллическим разрезным балансом.

Весьма значительной заслугой Ирншау надо признать то, что благодаря ему конструкция биметаллического разрезного балан­ са, как и хронометровый ход, приняла уже то устройство, какое используется в хронометрах и в наши дни. В этом легко убедить­ ся из сравнения современного хронометрового хода с таким же ходом Ирншау (см. рис. 216) и современного биметаллического разрезного баланса с соответствующей конструкцией Ирншау, приведенной на рис. 218.

Устройство современного хронометра

Основными частями современного хронометра (рис. 219) являются:

I. Двигатель с фузеей 6. В качестве источника движущей силы применя­ ют стальную пружину в барабане 7, закручиваемую по архимедовой спирали. Для выравнивания момента, передаваемого пружиной на ось ходового колеса, применяется фузея 6 или мальтийский крест в хронометрах без фузеи.

II. Передаточный механизм. Момент пружинного двигателя с фузеей передается с барабанного колеса 5 через триб и среднее колесо 4, триб про­ межуточного колеса 3 и триб секундного колебания с секундным колесом 2 на триб ходового колеса 1.

III. Стрелочный механизм состоит из минутной трибки, насаженной на ось среднего и вексельного колес, вексельной трибки и часового колеса, сидящих свободно на дополнительной оси. Минутная стрелка насажена на втулку ми­ нутной трибки, часовая стрелка — на втулку часового колеса.

IV. Хронометровый ход с пружиной покоя или с рычагом покоя. Приме­ нение хронометрового хода является признаком, отличающим хронометр от всех других часов.

V. Регулирующее устройство (система баланс — спираль). Описание уст­ ройства хронометрового хода с пружиной покоя (с пружинящей защелкой) дано выше как изобретение Д. Арнольда и Т. Ирншау. Недостатки этого хода и особенно сложность изготовления пружины покоя из одного куска стали привели к изобретению хронометрового хода с рычагом покоя. Этот ход от предыдущего хода отличается только устройством защелки, применением вместо пружины покоя уравновешенного рычага покоя. Он удерживается в надлежащем положении с помощью спиральной пружины (рис. 220). Сход­ ство и различие в устройстве и в функционировании этих вариантов хроно­ метрового хода показаны на этом рисунке.

На рычаге покоя укреплены камень покоя и золотая пружина. Послед­ няя опирается на изогнутый конец рычага покоя и проходит не слева от ры­ чага, а слева под зубцами спускового колеса. На другом конце этот рычаг снабжен противовесом, который приводит центр тяжести всей подвижной си-

Рис. 219. Устройство со­ временного хронометра

Рис: 220. Хронометровый ход

стемы к оси вращения рычага покоя. Последний прижимается к упору, кото­ рый расположен под ходовым колесом. Чтобы рычаг покоя мог в свободном состоянии прижиматься к упору, на его оси укреплена спиральная пружина. При отводе этого рычага вправо пружина закручивается. В этом ходе спуско­ вое колесо, большая и малая рольки со своими палетами совершенно такие же, как и в хронометровом ходе с пружиной покоя; поэтому нет надобности их описывать.

Недостатками хода с рычагом покоя являются необходимость смазки кончиков его оси и наличие трения при вращении его вокруг оси. Трение, как мы знаем, непостоянно даже при применении наилучшего масла, ввиду чего ход с рычагом покоя не так точен, как ход с пружиной покоя.

Ход с рычагом покоя менее требователен, чем ход с пружиной покоя. Он менее чувствителен к толчкам, поскольку рычаг покоя уравновешен и вместе с тем изготовлять его и ремонтировать несравненно легче, чем пружину покоя. Ход с рычагом покоя имеет применение в тех случаях, когда часы не могут быть вполне ограждены от случайных толчков и тряски, как, например, в кар­ манных хронометрах.

К недостаткам хронометрового хода, в каком бы выполнении они ни были, относятся:

1. Возможность произвольной остановки хронометра в случае резкого толчка, причем хронометр будет стоять до тех пор, пока следующий толчок не выведет баланс из положения покоя и не освободит спусковое колесо.

2.Возможность «галопирования» хода хронометра; оно возникает тогда, когда толчок или ряд толчков делают амплитуду (отклонение от положения равновесия) больше 360°, т. е. больше одного оборота баланса. При такой амплитуде спусковой камень дважды освободит ходовое колесо в течение одного колебания баланса и стрелка сделает два скачка вместо одного. По­ лучается ускорение хода, которое к тому же будет неправильно меняться в зависимости от размеров галопирования. Если галопирование уже началось, оно может продолжаться неопределенно долго.

3.Проскакивание зубцов, которое происходит от внешних толчков, а при наличии неправильной конструкции импульсной рольки (велик вырез или мал диаметр импульсной рольки) проскакивание соединяется с галопированием.

Таким образом, из сказанного ясно, что хронометровый ход является весьма капризным, боится резких толчков и сотрясений; недопустимо и непра­ вильное положение хронометра, особенно при наличии хронометрового хода с пружиной покоя. Поэтому, хотя хронометровый ход и превосходит по точно­ сти анкерный, он все же в карманных часах неприменим.

По назначению хронометры могут быть классифицированы как: 1) сто­ ловые хронометры, предназначенные для использования на суше; 2) морские хронометры, предназначенные для применения на кораблях. Обычно они уста­ навливаются на кардоновом подвесе; 3) карманные хронометры: они обеспе­ чивают достаточную точность только при хранении и применении в горизон­ тальном положении.

Показания хронометров регулируются либо по среднему солнечному вре­ мени, либо по звездному. В зависимости от этого хронометры называют сред­ ними или звездными.

По величине единовременного скачка секундной стрелки различают хро­ нометры полусекундные (у большинства столовых и морских хронометров

стрелка скачет через каждые 0,5 с) и четверодесятники. У большинства кар­ манных хронометров стрелки скачут через каждые 0,4 с. Имеются хрономет­ ры со скачками секундной стрелки через каждые 6/13 с. Хронометры называ­ ются тринадцатибойщиками, так как за 6 с они делают 13 ударов. Имеются хронометры, у которых стрелки делают скачки каждые 4/9 с (9 ударов в 4 с) и 21 удар за 10 с. Такие хронометры обычно используются для быстрого и удобного сравнения показаний нескольких хронометров.

В мореходстве применяются также палубные часы со свободным анкер­ ным Ходом, особо тщательно изготовленные и приспособленные к переноскам. Они часто снабжаются центральной часовой, минутной и секундной стрелками.

Глава IV

. ИСТОРИЯ ПРИМЕНЕНИЯ БАЛАНСА И СПИРАЛИ

Материалы для спиральной пружины

В 1740 г. английский часовой мастер Беджамен Гентсман изобрел тигель­ ный способ получения литейной стали, чем совершил технический переворот в производстве стали, необходимой для изготовления часовых пружин. В со­ зданной им сталелитейной фабрике в Хенсворде близ Шеффильда Гентсман плавил сварочную сталь в тигле, пока она не отделялась от шлака, и получал однородную по составу литую сталь, пригодную для изготовления часовых спиралей. До того сталь для часовых пружин получалась только способом це­ ментации железа, что занимало много времени и не обеспечивало получения стали, однородной по составу, т. е. свободной от включения в нее шлака или окиси кремния, делавшим пружины либо слишком мягкими, либо слишком хрупкими.

Хотя изобретение Гентсмана предвещало существенный прогресс в произ­ водстве стали и имело большое значение для развития часовой индустрии, оно не сразу было подхвачено в Англии, и до 1770 г. производство тигельной стали находилось в зачаточном состоянии. В 1787 г. в Шеффильдё имелось 11 фирм, занимавшихся производством литой стали по способу Гентсмана. Ведущую роль среди них играла фирма «Гентсман и сын» [291, 330].

У стали имеется недостаток — она подвержена коррозии, а качество ржа­ вой спиральной пружины ухудшается. Даже появление одного ржавого пят­ нышка может повлиять на точность хода часов. Между тем очень трудно предохранить часы от действия влажного воздуха и других факторов, способ­ ствующих ржавлению пружины. Было много попыток покрывать сталь неокис-

сталь окисляется гораздо быстрее, чем от действия одного воздуха. В 70-х го­ дах прошлого века в Швейцарии было изготовлено большое количество спи-

ральных золоченых пружин, но они через короткое время испортились, на­ глядно показав непригодность такого нововведения.

Могло бы помочь делу оцинкование, но пружины требовалось покрывать слоем значительной толщины, что отрицательно сказывалось на их упругости. На том же основании отказались от применения в качестве защитного покры­ тия лаков. Кроме того, покрытые лаком витки пружины слипаются, что тоже нарушает правильный ход часов.

Придя к убеждению, что никакое защитное покрытие не достигает цели, часовые мастера решили действовать более радикально —• заменить стальные пружины пружинами из другого металла.

Иридистая или так называемая твердая платина совершенно не подвер­ жена коррозии, и коэффициент ее линейного расширения намного меньше ко­ эффициента линейного расширения стали, однако она не может заменить сталь, поскольку имеет большой удельный вес, намного превышающий удель­ ный вес стали (соотношение 21 : 8).

Серебро — мало подверженный коррозии металл и в виде сплавов с дру­ гими металлами имеет достаточную упругость. Этот металл мог бы заменить сталь для часовых пружин, если бы не имел столь значительного коэффици­ ента линейного расширения. Часы с серебряными пружинами нуждаются в еще большей температурной компенсации, чем часы со стальными пружинами. По этой же причине не может быть использована алюминиевая бронза, хотя по упругости, малому удельному весу и слабой подверженности коррозии она и могла бы подойти в качестве материала для спирали.

Никель по коэффициенту линейного расширения и плотности очень бли­ зок к стали, но, как и сталь, подвержен коррозии. Он обладает малой вяз­ костью и ковкостью. Ферроникелевые сплавы, однако, оказались, как мы убедимся ниже, наиболее пригодными для спиральных пружин. Из всех ме­ таллов наиболее пригодным, для часовых пружин оказалось золото, и боль­ шая часть опытов была проведена именно с ним. Но в чистом виде золото — мягкий и плотный металл, поэтому оно может быть использовано только в сплавах.

В 1825 г. Ф. Гуриент (1743—1830) опубликовал результаты своих опы­ тов по определению изохронности спиральных пружин, изготовленных из спла­ ва золота е самой чистой медью и серебром. Такие пружины, закаливаемые, как и сталь, сохраняют свою упругость даже при очень высокой температуре, но их коэффициент линейного расширения больше, чем у стальных пружин, поэтому при их применении требуется надлежащая компенсация. Знаменитый копенгагенский часовщик Юргенсон по поручению правительства изготовил хронометр с пружиной из сплава золота. В течение тридцати лет этот хроно­ метр использовался на разных кораблях и его ход все время оставался бе­ зупречным, хотя подвергался и большим колебаниям температуры и другим неблагоприятным влияниям.

Однако, несмотря на очевидные успехи применения пружин из сплава золота, последние все же не получили широкого распространения. Часовщики скоро вновь вернулись к стальным пружинам. Причина заключалась не столько в недостатках нового материала, сколько в неумелом его применении. Так, например, золотые пружины ставили в часы, не имеющие компенсационного устройства. Но такие часы не могли иметь хороший вид (одна из причин — золото с повышением температуры расширяется сильнее, чем сталь).

хром — 9%, марганец—1,7%, остальное — железо. Особенностью хроноварной проволоки является небольшой температурный коэффициент упругости, большая сопротивляемость коррозии и достаточная антимагнитность. Известен также сплав метаэлинвар. По сравнению с обычным элинваром метаэлинвар имеет дополнительные примеси — молибден и ванадий.

Необходимо упомянуть еще о существовании сплава дюринвала, который относится к числу ферроникелевых сплавов с добавкой алюминия, титана и других присадок. Он поддается упрочению посредством закалки и отпуска. Имеются также и более новые сплавы для изготовления заводных пружин. В США появился сплав элжилой, из которого можно изготовлять антикорро­ зийные, антимагнитные и износостойкие заводные пружины.

Л. Дефоссе в декабрьском номере журнала . «Suisse d'Horlogerie» за 1950 г. в свете новейших данных и фактов доказывает, что применение более совершенных сплавов в часостроении во многом облегчает решение задач, связанных с регулированием хода часов, и, что не менее важно, способствует значительному устранению отрицательного влияния на их ход неуравнове­ шенности баланса, изменений температуры, барометрического давления, маг­ нетизма, центробежных сил, трения н других отрицательно действующих фак­ торов.

По свидетельству Дефоссе, разработкой проблем, имеющих отношение к регулированию хода карманных и наручных часов, весьма успешно занима­ ются исследовательские лаборатории в Невшателе и Безансоне. Он указывает на Гаага и Жакеро как на ученых, сумевших приблизиться к решению этих проблем.

Система баланс—спираль как регулятор хода часов

Баланс со спиральной пружиной, в отличие от маятника, может без нарушения правильности хода часов совершать колебания и при переноске, поэтому он нашел применение в качестве регуля­ тора во всех видах переносных часов (карманных, наручных и хронометрах). Баланс—спираль по сравнению с маятником тео­ ретически обладает еще одним крупным преимуществом — пе­ риод его свободного колебания не изменяется при изменении величины его размаха, или амплитуды.

Когда система баланс—спираль совершает движение свобод­ но, то ее колебания являются простыми гармоническими. Пе­ риод такого колебания выражается формулой

(1)

где Т — период одного полного колебания баланса; /— момент инерции баланса, который выражается через массу m и радиус инерции G — упругая жесткость, развиваемая спи­

ралью при закручивании ее на 1 рад (единицу угла отклонения баланса от положения равновесия).

Условием постоянства хода часов и будет соблюдение пос­ тоянства отношения IIG в формуле (1).

Период колебания системы баланс—спираль зависит от ве­ личины и расположения массы баланса, размера и упругости материала спирали

гости спирали; h, b, L — толщина, ширина и длина спирали со­ ответственно.

Из этой формулы вытекает, что на период колебания системы баланс—спираль влияют следующие величины.

а) Масса баланса. Увеличение массы увеличивает период колебания баланса и наоборот. На период может оказывать влияние изменение расположения отдельных частей системы ба­ ланс—спираль или смена их на более тяжелые или легкие. Это свойство используется для регулировки периода, например, пу­ тем замены более тяжелых винтов баланса более легкими или при помощи подкладывания небольших шайб под винты баланса.

б) Инерция баланса. Она изменяется путем приближения или удаления отдельных частей баланса от его оси (завинчива­ нием и вывинчиванием особых винтов баланса).

в) Действительная длина спиральной пружины. На этом свойстве основан способ регулировки периода системы баланс— спираль при помощи градусника или особого устройства, позво­ ляющего удлинять рабочую часть спирали.

г) Сила упругости спирали. Упругость учитывается при под­ боре новой спирали.

В колебательной системе баланс—спираль энергия два раза за период колебания переходит из потенциальной в кинетическую и обратно. Колебания системы — затухающие, поскольку проис­ ходит рассеяние энергии на преодоление сопротивления возду­ ха, трения в опорах осей и внутривиткового трения спирали и т. д. Величина, исчисленная из отношения полной колебатель­ ной энергии к сумме потерь за один период колебания балансо­ вого осциллятора, характеризует добротность этого осциллятора. А чем выше добротность осциллятора, тем выше стабильность периода колебания системы баланс—спираль.

Затухающие колебания, или колебания с амплитудой, не­ прерывно уменьшающейся с возрастанием времени t, описы­ ваются в теоретической механике следующим дифференциаль­ ным уравнением:

Здесь т — масса; cfx/df — ускорение точки. Правая часть урав­ нения служит мерой совокупных сил, действующих на точку;

— R x — сила, пропорциональная расстоянию точки от некоторо­ го неподвижного центра, —Ldx/dt — сила, пропорциональная

скорости движения точки и направленная в сторону, противо­ положную движению. Это и есть сила трения. Суммарные поте­ ри на трение в колебательной системе определяются коэффи­ циентом затухания. Он находится опытным путем при наблюде­ нии затухания колебаний или последовательности амплитуд по их абсолютной величине. Натуральные логарифмы из отноше­ ния этих амплитуд есть постоянная величина. Гаусс назвал ее логарифмическим декрементом (и).

В колебательной системе баланс—спираль одним из важных источников рассеяния энергии является сопротивление воздуха движению этой системы. Оно прямо пропорционально угловой скорости баланса. При допущении, что баланс колеблется сво­ бодно (без наличия какого-либо спускового регулятора) и что при этом была замерена начальная амплитуда колебания, а за­ тем и амплитуда по истечении времени f, отношение между ни­

Рассеяние энергии в системе баланс—спираль растет вместе с амплитудой, что может быть выражено дифференциальным уравнением

где Е — модуль упругости спирали; G — упругая жесткость спи­

рующей их системы требуется приток энергии извне или переда­ ча импульса от ходовой пружины на ходовое колесо. Величина импульса (или входа энергии в систему баланс — спираль) долж­ на во всех случаях покрывать рассеяние энергии, вызываемое действием трения в опорах осей, сопротивлением воздуха, внутривитковым трением и т. п. Только при этом условии колебания становятся незатухающими.

Колебания системы баланс—спираль происходят под воздей­ ствием энергии импульсов и трения. Главной причиной измене­ ния амплитуды, а следовательно, и периода колебания является изменение энергии импульсов, сообщаемой от ходового колеса балансу. Ходовое колесо с приложенным к нему крутящим моментом Мкр при взаимодействии с регулятором хода часов образует замкнутую динамическую систему [186]. На ее состоя­ ние оказывает воздействие ряд внутренних и внешних факто­ ров.

Внутренние факторы: а) колебания Mкр на ходовом колесе вследствие перепада и рывков Мкр пружины и изменения мгно­ венных значений передаточных отношений в колесной системе; б) изменения автоколебательного режима системы баланс—спи­ раль, вносимые анкерным спуском; в) краткосрочные и длитель-

ные изменения условий трения в часах, связанных с изменением вязкости масла, аэродинамического сопротивления воздуха дви­ жению баланса; г) потеря энергии в спиральной пружине.

Внешние факторы: а) позиционные ошибки хода, связанные с неуравновешенностью баланса, спирали и анкерной вилки; б) температурные воздействия, связанные прежде всего с тер­ моэластическим коэффициентом спирали; в) влияние атмосфер­ ного давления на ход часов; г) влияние толчков, вибраций и ускорений при ношении часов; д) влияние магнитных и электри­ ческих полей [252].

Непостоянство крутящего момента, передаваемого завод­ ной пружиной на ходовое или анкерное колесо, — основной не­ достаток пружинного завода. Отсюда возникает необходимость в применении особых приспособлений, которые известны под названием ограничителя заводки пружины, или останова, и выравнителя крутящего момента пружины. Пружину не следует заставлять работать на всех шести витках, а только на средних ее витках. Ограничение работы пружины на средних витках до­ стигается применением остановов, например мальтийского кре­ ста, накладки Гуллера и т. д. Чтобы обеспечить постоянный кру­ тящий момент подобно тому, какой дает гиревой завод, приме­ няется фузея. На ее оси будет сохраняться постоянный крутящий момент, если цепь, передающая усилие от барабана на фузею, будет работать при полном заводе пружины на наименьшем ее радиусе, а при спущенном заводе пружины — на наибольшем. Теперь фузея используется только в хронометрах.

В последние десятилетия найдены более эффективные сред­ ства для обеспечения постоянства передаваемого импульса от ходовой пружины на анкерное колесо. Имеется в виду примене­ ние пружин из созданного Штрауманом (Швейцария) сплава нивофлекс, обладающих высоким модулем упругости; они могут обеспечивать продолжительность хода наручных часов до 40 ча­ сов от одного до другого завода. При этом можно обходиться более тонкими, но длинными пружинами и тем самым использо­ вать до 0,6—0,7 свободного объема барабана. Испытания пока­ зывают, что такие часовые пружины могут служить без остаточ­ ной деформации и поломок до 10 лет. График момента пружин из нивофлекса имеет почти горизонтальный участок на рабочем интервале, что необходимо для повышения точности хода часов.

Другим средством стабилизации импульса, передаваемого регулятору, в настоящее время является автоматический завод (об этом см. на с. 367). Перепад крутящего момента может вы­ зываться не только неравномерностью падения энергии заводной пружины, но и трением в колесной передаче. Поэтому к зубча­ тым зацеплениям часового механизма предъявляются требова­ ния: малое трение, большая точность и постоянство передаточ­ ного отношения.

В часовых зубчатых зацеплениях имеет место трение сколь­ жения, за счет которого снижается момент, передаваемый на