Главная пружина — это спиральная торсионная пружина из металлической ленты, обычно из пружинной стали , используемая в качестве источника энергии в механических часах , некоторых настенных часах и других часовых механизмах. Завод часов поворотом ручки или ключа сохраняет энергию в главной пружине, скручивая спираль сильнее. Затем сила главной пружины вращает колеса часов по мере их раскручивания, пока не потребуется следующая подзаводка. Прилагательные заводной и пружинный относятся к механизмам, работающим от главных пружин, к которым также относятся кухонные таймеры , метрономы , музыкальные шкатулки , заводные игрушки и заводные радиоприемники .
Современная часовая пружина представляет собой длинную полосу закаленной и вороненой стали или специального стального сплава длиной 20–30 см и толщиной 0,05–0,2 мм. Главная пружина в обычном однодневном механизме рассчитана на то, чтобы часы могли работать от 36 до 40 часов, т. е. 24 часа между ежедневными заводами с запасом хода от 12 до 16 часов, на случай, если владелец заведет часы позже. Это обычный стандарт для часов с ручным заводом, а также для часов с автоподзаводом . 8-дневные механизмы, используемые в часах, которые должны заводиться еженедельно, обеспечивают работу не менее 192 часов, но используют более длинные главные пружины и более крупные барабаны . Главные пружины часов похожи на часовые пружины, только больше.
Начиная с 1945 года, сплавы углеродистой стали все больше вытесняются новыми специальными сплавами ( железо , никель и хром с добавлением кобальта , молибдена или бериллия ), а также холоднокатаными сплавами (структурное упрочнение). Известные часовщикам как пружины из «белого металла» (в отличие от вороненой углеродистой стали), они нержавеющие и имеют более высокий предел упругости . Они меньше подвержены постоянному изгибу (усталости), и риск их поломки практически отсутствует. Некоторые из них также практически немагнитны . К запатентованным сплавам относятся SPRON, производимый Seiko , и Nivarox , производимый Swatch Group . [1] [2]
В расслабленном состоянии пружины изготавливаются в трех различных формах:
Полуобратный и обратный типы обеспечивают дополнительную силу в конце периода работы, когда энергия пружины почти иссякает, чтобы часы продолжали работать с постоянной скоростью до конца.
Главная пружина намотана вокруг оси, называемой валом, с внутренним концом, зацепленным за нее. Во многих часах внешний конец прикреплен к неподвижному столбу. Пружина заводится поворотом вала, и после завода ее сила поворачивает вал в другую сторону, чтобы запустить часы. Недостатком этого открытого пружинного устройства является то, что во время завода главной пружины ее движущая сила удаляется из часового механизма, поэтому часы могут остановиться. Этот тип часто используется в будильниках , музыкальных шкатулках и кухонных таймерах , где не имеет значения, остановится ли механизм во время завода. К заводному механизму всегда прикреплен храповик с собачкой (называемой часовщиками щелчком ) , чтобы предотвратить раскручивание пружины.
В форме, используемой в современных часах, называемой идущим барабаном , главная пружина намотана вокруг вала и заключена в цилиндрическую коробку, называемую барабаном , которая может свободно вращаться. Пружина прикреплена к валу на ее внутреннем конце, а к барабану на ее внешнем конце. Крепления представляют собой небольшие крючки или язычки, к которым пружина прикреплена квадратными отверстиями на ее концах, поэтому ее можно легко заменить.
Главная пружина заводится вращением вала, но приводит в движение часовой механизм с помощью барабана; такое расположение позволяет пружине продолжать приводить в действие часы во время их завода. Завод часов поворачивает вал, который затягивает главную пружину, обматывая ее плотнее вокруг вала. К валу прикреплен храповик с щелчком, предотвращающим вращение вала назад и его раскручивание пружиной. После завода вал неподвижен, а тяга главной пружины вращает барабан, вокруг которого расположено кольцо зубьев шестерни. Он входит в зацепление с одной из шестерен часов, обычно с центральной шестерней колеса , и приводит в движение колесную передачу . Барабан обычно вращается один раз каждые 8 часов, поэтому обычной 40-часовой пружине требуется 5 оборотов, чтобы полностью раскрутиться.
Главная пружина содержит много энергии. Если не принять меры предосторожности во время разборки, пружина может внезапно освободиться, что может привести к потенциально серьезной травме. Перед обслуживанием главные пружины осторожно «распускают», оттягивая защелку назад, удерживая заводной ключ, позволяя пружине медленно раскручиваться. Однако даже в «распущенном» состоянии главные пружины содержат опасное остаточное напряжение. Часовщики и часовщики используют инструмент, называемый «заводчик главной пружины», для их безопасной установки и снятия. Большие главные пружины в часах обездвиживаются «зажимами главной пружины» перед снятием.
Главные пружины появились в первых часах с пружинным приводом в Европе XV века. Они заменили груз, подвешенный на шнуре, обернутом вокруг шкива, который был источником энергии, использовавшимся во всех предыдущих механических часах. Около 1400 года спиральные пружины начали использовать в замках, [3] и многие ранние часовщики также были слесарями. [4] Пружины применялись в часах, чтобы сделать их меньше и портативнее, чем предыдущие часы с весовым приводом, превратившись в первые карманные часы к 1600 году. Многие источники ошибочно приписывают изобретение главной пружины нюрнбергскому часовщику Петеру Хенлейну (также пишется как Хенле или Хеле) около 1511 года. [5] [6] [7] Однако многочисленные ссылки в источниках XV века на переносные часы «без гирь», и по крайней мере два сохранившихся примера, показывают, что часы с пружинным приводом существовали к началу этого столетия. [3] [8] [9] Самые старые сохранившиеся часы, работающие от главной пружины, — это Burgunderuhr (Бургундские часы), богато украшенные, позолоченные камерные часы, которые в настоящее время хранятся в Германском национальном музее в Нюрнберге. Иконография часов предполагает, что они были изготовлены около 1430 года для Филиппа Доброго, герцога Бургундского . [3]
Первые главные пружины были сделаны из стали без процессов отпуска или закалки . Они не работали долго и их приходилось заводить дважды в день. Генлейн был известен тем, что делал часы, которые работали 40 часов между заводами. Методы изготовления главных пружин в 18 веке описаны Берту [10] и Блейки [11]
Проблема на протяжении всей истории часов с пружинным приводом заключается в том, что сила ( крутящий момент ), создаваемая пружиной, не является постоянной, а уменьшается по мере раскручивания пружины (см. график). Однако, часы должны работать с постоянной скоростью, чтобы поддерживать точное время. Механизмы измерения времени никогда не бывают идеально изохронными , то есть их скорость зависит от изменений движущей силы. Это было особенно верно для примитивных типов Verge и Folio, которые использовались до появления пружины баланса в 1657 году. Поэтому ранние часы замедлялись во время своего периода работы, когда главная пружина останавливалась, что приводило к неточному измерению времени.
В ранних пружинных часах XV века появились два решения этой проблемы: безынерционные и фузеевые :
Stackfreed представлял собой эксцентриковый кулачок, установленный на валу главной пружины, с подпружиненным роликом, который давил на него. Кулачок имел форму «улитки», так что в начале периода работы, когда главная пружина сильно толкала, пружина упиралась в широкую часть кулачка, обеспечивая сильную противодействующую силу, в то время как позже в период работы, когда сила главной пружины уменьшалась, пружина упиралась в более узкую часть кулачка, и противодействующая сила также уменьшалась. Stackfreed добавлял много трения и, вероятно, существенно сокращал время работы часов; он использовался только в некоторых немецких часах и был заброшен примерно через столетие.
Фузея была гораздо более долговечным новшеством. Это был конусообразный шкив , который вращался цепью, обернутой вокруг ствола главной пружины. Его изогнутая форма непрерывно изменяла механическое преимущество связи, чтобы выровнять силу главной пружины по мере ее движения вниз. Фузея стала стандартным методом получения постоянного крутящего момента от главной пружины. Они использовались в большинстве часов с пружинным приводом с момента их первого появления до 19 века, когда на смену пришел движущийся ствол, и в морских хронометрах до 1970-х годов.
Другим ранним устройством, помогавшим выровнять силу пружины, был стопор или заводной стопор , который не давал главной пружине полностью завестись и не давал ей полностью раскрутиться. Идея заключалась в том, чтобы использовать только центральную часть «кривой крутящего момента» пружины, где ее сила была более постоянной. Наиболее распространенной формой был женевский стопор или «мальтийский крест». В современных часах стопор не нужен.
Четвертым устройством, использовавшимся в некоторых точных часах, был ремонтуар . Это была небольшая вторичная пружина или груз, который приводил в действие спусковой механизм часов и сам периодически заводился главной пружиной. Это изолировало элемент хронометража от изменяющейся силы главной пружины.
Современный заводной барабан , изобретенный в 1760 году Жаном-Антуаном Лепином , создает постоянную силу, просто используя более длинную, чем необходимо, главную пружину и наматывая ее под натяжением в барабане. При работе одновременно используются только несколько витков пружины, а остальная часть прижимается к внешней стенке барабана. Математически натяжение создает «плоский» участок на кривой крутящего момента пружины (см. график), и используется только этот плоский участок. Кроме того, внешний конец пружины часто имеет обратную кривую, поэтому он имеет форму буквы «S». Это сохраняет больше натяжения во внешних витках пружины, где оно доступно к концу периода работы. Результатом является то, что барабан обеспечивает приблизительно постоянный крутящий момент в течение расчетного периода работы часов; крутящий момент не уменьшается, пока главная пружина почти не сядет.
Из-за натяжения пружины в заводном барабане ее разборка опасна даже в незаведенном состоянии.
Поскольку они подвергаются постоянным циклам напряжения , вплоть до 1960-х годов главные пружины обычно ломались от усталости металла задолго до других частей часов. Они считались расходными материалами. [12] Это часто случалось в конце процесса завода, когда пружина наматывается максимально плотно вокруг вала, без зазора между витками. При ручном заводе легко неожиданно достичь этой точки и оказать чрезмерное давление на пружину. Другой причиной были перепады температуры. Если часы были полностью заведены вечером, а ночью температура падала, без какого-либо провисания между витками, тепловое сжатие длинной пружины могло бы оторвать ее от креплений на одном конце. Раньше часовые мастера отмечали, что изменения погоды приводили к появлению большого количества часов со сломанными главными пружинами. Сломанные главные пружины были самой большой причиной ремонта часов до 1960-х годов. [13] С тех пор упомянутые выше усовершенствования в металлургии пружин сделали сломанные главные пружины редкими.
Даже если пружины не были склонны к поломке, слишком большое усилие при заводе вызывало в ранних часах другую проблему, называемую «стуком» или «креном». [14] [15] Если после завода пружина имела очень небольшой провис («перезавод»), давление последнего поворота заводной головки создавало чрезмерное натяжение конца пружины, которое блокировалось последним щелчком храповика. Таким образом, часы работали с чрезмерной силой привода в течение нескольких часов, пока излишнее натяжение конца пружины не снималось. Это заставляло балансирное колесо вращаться слишком далеко в каждом направлении, заставляя импульсный штифт на колесе ударяться о заднюю часть рожков вилки. Это заставляло часы отставать и могло сломать импульсный штифт. В старых часах это предотвращалось с помощью «стопворка». В современных часах это предотвращается путем разработки «щелчка» с некоторой «отдачей» ( люфтом ), чтобы позволить валу вращаться назад после завода примерно на два зубца храповика, достаточного для снятия избыточного натяжения.
Около 1900 года, когда поломка часовых пружин была более серьезной проблемой, некоторые карманные часы использовали разновидность движущегося барабана, называемого моторным барабаном или предохранительным барабаном . Главные пружины обычно ломались в месте крепления к валу, где изгибающие напряжения были наибольшими. Когда главная пружина ломалась, внешняя часть отскакивала, и импульс вращал барабан в обратном направлении. Это прилагало большую силу к деликатной колесной передаче и спусковому механизму , часто ломая шарниры и камни.
В моторном стволе функции вала и ствола были противоположны функциям движущегося ствола. Главная пружина заводилась стволом и вращала вал, приводя в движение колесную передачу. Таким образом, если главная пружина ломалась, разрушительная отдача ствола передавалась не колесной передаче, а заводному механизму, который был достаточно прочным, чтобы выдержать ее.
Предохранительная шестерня была альтернативным средством защиты, используемым с движущимся стволом. В этом случае центральная шестерня колеса , которую зацепляла шестерня ствола, была прикреплена к его валу с помощью обратной винтовой резьбы. Если пружина ломалась, обратная отдача ствола, вместо того, чтобы передаваться на зубчатую передачу, просто откручивала шестерню.
Часы часто останавливаются при полностью заведенной пружине, что привело к мифу о том, что полный завод пружинных часов приводит к их поломке. [16] Несколько проблем могут вызвать поломку такого типа, но она никогда не бывает связана с «перезаводом», поскольку часы рассчитаны на полный завод. [16]
Одной из причин «перезавода» является грязь. Часовые механизмы требуют регулярной чистки и смазки, и обычным результатом пренебрежения чисткой часов является остановка часов при полном заводе. По мере того, как часовой механизм собирает грязь, а масло высыхает, трение увеличивается, так что у главной пружины нет силы, чтобы повернуть часы в конце их обычного периода работы, и они останавливаются преждевременно. Если владелец продолжает заводить и использовать часы без обслуживания, в конечном итоге сила трения достигает «плоской» части кривой крутящего момента, и быстро достигается точка, в которой у главной пружины нет силы, чтобы запустить часы даже при полном заводе, поэтому часы останавливаются при полностью заведенной главной пружине. Часы нуждаются в обслуживании, но проблема вызвана грязным механизмом или другим дефектом, а не «перезаводом».
Еще одной распространенной причиной остановки часов при полном заводе является то, что если часы уронить, то может сломаться ось баланса, и часы больше не смогут идти, даже если главная пружина полностью заведена.
Самозаводящиеся или автоматические часы , широко представленные в 1950-х годах, используют естественные движения запястья для поддержания заводной пружины. Полукруглый груз, установленный в центре часов, вращается с каждым движением запястья. Механизм заводного механизма использует вращения в обоих направлениях для завода заводной пружины.
В автоматических часах движение запястья может продолжать завод главной пружины до тех пор, пока она не сломается. Это предотвращается с помощью проскальзывающего сцепления . [17] Внешний конец главной пружины, вместо того, чтобы прикрепляться к барабану, прикреплен к круглой пружине расширения, называемой уздечкой , которая прижимается к внутренней стенке барабана, которая имеет зубцы или выемки для ее удержания. Во время обычного завода уздечка удерживается трением на барабане, позволяя главной пружине заводиться. Когда главная пружина достигает своего полного натяжения, ее тяга сильнее, чем уздечки. Дальнейшее вращение вала заставляет уздечку скользить по барабану, предотвращая дальнейший завод. В терминологии часовых компаний это часто ошибочно называют «неразрушаемой главной пружиной». [ необходима цитата ]
После десятилетий использования, пружины в старых часах обнаруживают, что они слегка деформируются и теряют часть своей силы, становясь «уставшими» или «зажатыми». Это состояние чаще всего встречается у пружин в барабанах. Это приводит к уменьшению времени работы между заводами. Во время обслуживания пружину следует проверять на «усталость» и заменять при необходимости. Британский институт часового дела предлагает следующие тесты: [18]
Некоторые высококачественные часы имеют дополнительный циферблат на циферблате, показывающий, сколько энергии осталось в главной пружине, часто градуированный в часах, которые часы должны были проработать. Поскольку вращаются и вал, и барабан, этот механизм требует дифференциальной передачи , которая измеряет, насколько повернута ось по сравнению с барабаном.
Боевая пружина обычно представляет собой спиральную металлическую пружину, однако существуют исключения:
{{cite web}}: Внешняя ссылка в |publisher={{cite web}}: Внешняя ссылка в |publisher=