Баланс - не просто обод

Рубрика: Уголок мастера
Автор: Андрей Бабанин
Журнал: "Часовой бизнес" №4 - 2001
полная версия статьи

Знакомьтесь, мистер Баланс

Баланс - это центральный узел, регулирующий ход колебательной системы. Баланс заменил маятники, которые зависели от сил гравитации, обеспечивающих им колебания, а их точность - от температуры окружающей среды и даже атмосферного давления. По существу, часы должны были быть неподвижными, т.е. настольными, напольными или настенными. Для компенсации атмосферного влияния применялись сложные температурные и барометрические компенсаторы (маятники Гарсиона, Грагама или Рифлера). Именно замена маятников на балансы позволила выпускать малогабаритные механизмы, т.е. наконец-то часы стали переносными, а также отпала необходимость строго позиционировать часы в пространстве для обеспечения условий колебания маятника. Баланс и спираль изобрел в 1675 году голландский математик и физик Кристиан Гюйгенс (Christiaan Huygens).

Обод. Просто обод

Балансовый регулятор состоит из баланса с осью, спирали, колодки и колонки. До сих пор встречаются балансы, на ободе которых установлены регулировочные винты. Их задача - установить баланс в оптимальное положение. Как колеса автомобиля требуют периодического выравнивания, так и баланс должен двигаться по идеально круговой траектории, все точки которой расположены в одной плоскости. В отличие от компенсирующих винтов на ободах балансов высококачественных часов, которыми мастер регулирует ход, регулировочные винты никогда больше не трогают после их установки.

Для того чтобы достичь оптимального, постоянного вращения баланса и, следовательно, постоянства погрешности хода, необходимо минимизировать расширение и сжатие обода баланса при изменении температуры окружающей среды. Это достигается путем применения специального бериллиево-бронзового сплава, известного под названием глюсидур (glucydur).

Более ранняя альтернатива такому решению - и поэтому менее эффективный способ компенсировать ошибки, возникающие при изменении температуры окружающей среды, - создание баланса с разрезным биметаллическим ободом из слоя стали, наложенного на слой латуни. При изменении температуры меняется размер обода и волоска, а следовательно и момент инерции, влияющий на период колебания баланса и, как следствие, на ход, но из-за различных коэффициентов теплового расширения стали и латуни, обод деформируется в обратную сторону, что приводит к поправке момента инерции. Таким образом происходит автоматическая регулировка хода часов в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Недостатки такого обода также очевидны: сложность и дороговизна изготовления, разрезной обод все же испытывает большее сопротивление воздуха, чем монометаллический. Кроме того, пара сталь-латунь хороша не во всех температурных диапазонах из-за некоторой нелинейности характеристик.

В особо точных часах в 40-х годах ХХ века начали применять биметаллические балансы, постепенно вытесненные балансами, с ободами, изготовленными из бериллиево-бронзового сплава или глюсидура. Этот тип баланса - сейчас он так же популярен, как и в то время, когда он появился - создал практически идеальный механизм регулировки хода часов. Комбинацию глюсидурового обода и спирали можно встретить практически во всех качественных механических часах.

Прогресс в технологии изготовления материалов сделал возможным (для сверхскоростных балансов из глюсидура) полностью отказаться от регулировочных винтов. Это сделало баланс более обтекаемым и уменьшило сопротивление окружающего воздуха. Некоторые производители продолжают использовать балансы с регулировочными винтами, но такое решение вызвано лишь желанием придать балансу более впечатляющий внешний вид.

Хочется, однако, заметить, что все вышесказанное относится к импортным часам. В нашей стране используются другие материалы. Так, обод изготовляют из латуни или нейзильбера. Трудно сказать, чем это вызвано, но скорее всего, некоторой изолированностью СССР в период развития часового дела, а также наличием патентов, защищающих права на использование на новые материалы.

Архимедово чудо

Если предположить, что заводной барабан - сердце механических часов, то спираль можно сравнить с "душой". Вопреки часто встречающемуся названию, "волосок" (спираль) на самом деле в три раза тоньше человеческого волоса. Но несмотря на чрезвычайную тонкость и вес, который редко превышает 0,002 г, спираль может совладать с натяжением до 600 грамм. Часовщики часто упоминают о "дыхании" спирали, чтобы описать ее ритмические пульсирующие циклы сжатия и расширения. Необычайно упругий волосок скручивается в тугую спираль и раскручивается более 200 миллионов раз в год.

Спираль должна быть неразрывно связана с балансом. Вместе эти два узла составляют колебательную систему и являются основой наручных часов. Спираль - это тонкая выровненная полоска металла, которую раньше изготавливали из стали или латуни, имеющая форму спирали Архимеда. Изменения температуры окружающей среды оказывают влияние на упругость стальных спиралей баланса. Интенсивные исследования в области металлов и сплавов в 30-е годы привели к появлению новейшей спирали, которая, благодаря сплаву из различных металлов, была способна автоматически компенсировать изменения температуры. Эти самокомпенсирующиеся спирали впервые были предложены в 1933 году и назывались "ниварокс" (nivarox). Слово это произошло от первых букв немецких слов "nicht variabel, oxidabel" (не меняется, не окисляется). Подтверждая название, материал почти невосприимчив к изменениям температуры. Изготовленный, в основном, из железа, никеля и хрома с добавлением некоторого количества магния, кремния, титана и бериллия, сплав ниварокс воплощает ряд замечательных свойств. Большинство специалистов полагают, что его изобретение было наиболее важным шагом в истории развития точных наручных часов. В 40-е годы качественные биметаллические балансы со спиралями из ниварокса заполонили рынок. В наши дни эти спирали используются во всех высококачественных наручных часах.

Современный волосок баланса можно назвать самокомпенсируемой плоской спиралью. Ее называют плоской, потому что все ее витки лежат в одной плоскости. Спирали бывают как с правой, так и с левой навивкой.

Точность механических часов сильно зависит и от формы спирали. В прошлом в наиболее высококачественных механизмах использовались так называемые брегетированные спирали. Абрахам-Луи Бреге (Abraham-Louis Breguet) улучшил геометрию спирали путем загиба наружного витка кверху, при этом наружный виток приподнят на доли миллиметра над спиралью. В этом случае колонка находится не в плоскости спирали, а над ней.

Свойства спирали обеспечивают постоянство и равномерность колебаний баланса. Величина активного участка спирали, а также кинетическая энергия обода баланса определяют период колебания баланса. Именно поэтому большинство часов оборудовано градусниками, поворачивая которые, можно менять активную длину спирали. Удлинение спирали приводит к замедлению хода часов, укорачивание - к ускорению.

Дайте мне опору

Подшипник баланса - также важная деталь. Баланс имеет относительно большую массу, и приобретает значительные положительные и отрицательные ускорения в моменты до и сразу после смены направления вращения. Чтобы справиться с этими силами, а также смягчить возможные внешние удары и сотрясения, а также уменьшить трение между цапфами оси баланса и их посадочными местами, часовые мастера были вынуждены разработать сложную, двухподшипниковую систему на балансе и платине.

Сквозной камень баланса и накладной камень (подпятник) установлены с обоих концов оси баланса. Подпятник служит для ограничения вертикальных перемещений баланса, а также для обеспечения сохранности жидкой смазки в подшипнике. Хвостовик каждой цапфы оси баланса отполирован и имеет форму полусферы, что помогает уменьшить трение. Внутри сквозного камня имеется специальное углубление - масленка, в которой удерживается часовое масло. Более того, отверстия для цапф, просверленные в сквозном камне до самого подпятника, имеют не цилиндрическую, а скругленную форму, так называемый "оливаж", чтобы обеспечить наименьшую возможную зону трения цапф.

Большинство современных механизмов оборудовано противоударным устройством, оснащенным металлической фиксирующей пружинкой, которая давит на накладной и сквозной камни в соответствующем чашеобразном подшипнике, установленном в платине. Эта пружинка может компенсировать удары и тем самым предохранять цапфы оси баланса от выскакивания из подшипника или даже от их поломки.

Завораживающее вращение

Давайте вкратце разберем взаимодействие между анкерным спуском и колебательной системой (осциллятором): сила, которая заставляет баланс колебаться не что иное, как результат нажатия, которое производит вилка, воздействуя на импульсный камень двойного ролика. Это нажатие заставляет баланс, возвратившийся в состояние покоя на доли секунды, выйти из этого состояния и начать описывать очередную дугу. Как только баланс достигнет крайней точки полупериода колебания (мертвой точки), он начинает вращаться в противоположном направлении. Через импульсный камень, баланс толкает хвостовик вилки, выводя его из состояния покоя. Впоследствии, баланс мгновение остается неподвижным, ожидая нового импульса от хвостовика вилки. После того, как балансу был передан импульс, он начинает описывать дополнительный угол, т.е. два полуоборота, во время которых предохранительный диск двойного ролика обеспечивает связь между хвостовиком вилки и балансом. Баланс при этом совершает свободное движение без взаимодействия с ходом. Задача здесь - преодолеть сопротивление спирали баланса. В крайней точке (точке возврата) обод баланса меняет направление вращения и силы, вызванные упругостью спирали и анкерным спуском, взаимно компенсируются. Часовые мастера называют эти три цикла в колебательной системе углами подъема, импульса и освобождения баланса.

Мы уже коснулись работы двойного ролика и импульсного камня. Последний крепится в нижней части оси баланса, связывая баланс и хвостовик вилки. Импульсный камень передает движущий импульс от хвостовика вилки балансу. Вторым компонентом двойного ролика является предохранительный ролик, осуществляющий связь в период дополнительного угла.

Точность - вежливость королей

Баланс объединен со спиралью для создания такого устройства, которое регулирует ход часов (балансового регулятора). Точность часов в наибольшей степени зависит от конструкции баланса. В типичных механизмах баланс колеблется с частотой 5 колебаний (тактов) в секунду, или 18000 тактов в час. В более новых и более точных часах балансы колеблются с частотой 19800, 21600, 28800 или даже 36000 тактов в час. В большинстве часов - и в японских, и в большинство наших, а также во многих швейцарских - используется частота 21600. Частота 28800 применяется в некоторых отечественных часах и во многих точных швейцарских механизмах с так называемым учащенным ходом. Частота 18000 применяется в классических швейцарских механизмах, а также в нашем "Востоке".

Регулировка механизма включает осмотр и, если требуется, оптимизацию суточного хода часов при различных температурах и в различных позициях. В зависимости от качества механизма и желаемой степени точности, возможны различного рода регулировки. Стандартная регулировка хороших наручных часов выполняется при двух положениях (вверх циферблатом и вверх заводной головкой). Отклонения хода между этими двумя положениями не должны превышать 30 секунд в сутки. Для точной регулировки в соответствии с заводскими требованиями, механизм должен регулироваться как минимум в пяти различных положениях (или даже шести: циферблатом вверх СН, вниз СВ, и в четырех вертикальных положениях 3Н, 6Н, 9Н и 12Н, т.е. в положении 3, 6, 9 или 12 часов) и при трех разных температурах (обычно 8⁰C, 23⁰C и 38⁰ С). Если испытания проведены официально признанным учреждением и если механизм достигает или превосходит какие-либо минимальные установленных значений ряда параметров, то он с гордостью может получить определение "официально сертифицированный хронометр".

Механические часы с отклонением 30 секунд суточного хода, имеют погрешность только 0,035%. Или если выразиться иначе, то с 99,965% точностью - степенью точности, которой достигло подавляющее число механических часов.

Подводя итог, мы не преувеличим, если скажем, что колебательная система, построенная на балансе в наручных часах, является одним из наиболее удачных изобретений. Хотя каждая из деталей узла баланса кажется достаточно простой сама по себе, их сложное, почти лишенное недостатков взаимодействие можно назвать механическим чудом.

Внутренний конец волоска или спирали прикреплен к оси баланса с помощью колодки цилиндрической формы, плотно напрессованной на ось. Колодка имеет прорезь, в которой конец волоска или запрессован, или закреплен с помощью специального тонкого штифта. Противоположный, наружный конец спирали закреплен в непосредственной близости от хвостовика регулятора (градусника) в специальной колонке, которая в большинстве импортных часов имеет цилиндрическую или треугольную форму. Эта колонка прикреплена верхним концом к мосту баланса. В лупу можно заметить небольшое отверстие, просверленное в нижней части колонки. Это место, где спираль крепится и удерживается с помощью миниатюрного конического штифта. В наши дни стала довольно популярной практика закрепления наружного кончика спирали в колонке с помощью клея, нововведение, которое ярые консерваторы презирают почти так же, как и пластмассовые компоненты в часовых механизмах.