Пружина баланса - Balance spring

Балансировочное колесо в будильнике 1950-х годов с балансирной пружиной (1) и регулятором (2)

Баланс весной или волосок , является пружиной прикреплен к балансиру в механических часах . Он заставляет балансирное колесо колебаться с резонансной частотой во время работы часов, что определяет скорость вращения колес часов и, следовательно, скорость движения стрелок. Регулятор рычаг часто установлен, который может быть использован , чтобы изменить свободную длину пружины и , таким образом , регулировать скорость хронометра.

Пружина баланса - это тонкая спиральная или винтовая торсионная пружина, используемая в механических часах , будильниках , кухонных таймерах , морских хронометрах и других механизмах хронометража для управления частотой колебаний колеса баланса. Балансовая пружина является важным дополнением к балансовому колесу, заставляя его колебаться вперед и назад. Балансовая пружина и балансовое колесо вместе образуют гармонический осциллятор , который колеблется с точным периодом или «биением», сопротивляясь внешним возмущениям, и отвечает за точность хронометража.

Добавление пружины баланса к балансовому колесу около 1657 года Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом значительно повысило точность портативных часов, превратив ранние карманные часы из дорогих новинок в полезные хронометры. Улучшения в пружине баланса с тех пор привели к дальнейшему значительному увеличению точности. Современные пружины баланса сделаны из специальных сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как nivarox, чтобы уменьшить влияние температурных изменений на скорость, и тщательно продуманы, чтобы свести к минимуму влияние изменений движущей силы при спуске боевой пружины . До 1980-х годов балансировочные колеса и пружины баланса использовались практически в каждом портативном устройстве для хронометража, но в последние десятилетия технология электронного кварцевого хронометража пришла на смену механическим часам, и в основном пружины баланса используются в механических часах.

Типы пружин баланса: (1) плоская спираль, (2) перематывающая спираль Бреге, (3) спираль хронометра с изогнутыми концами, (4) ранние пружины баланса.

История

Рисунок одной из первых пружин баланса, прикрепленный к колесу баланса, Христиан Гюйгенс , изобретатель пружины баланса, опубликовал в своем письме в Journal des Sçavants от 25 февраля 1675 года.

Существует некоторый спор относительно того, были ли они изобретены около 1660 года британским физиком Робертом Гуком или голландским ученым Кристианом Гюйгенсом , с вероятностью, что идея была изобретена у Гука , но Гюйгенс построил первые работающие часы, в которых использовалась пружина баланса. Раньше в часах и часах использовались балансирные колеса или фолианты без пружин, но они были очень чувствительны к колебаниям движущей силы, что приводило к замедлению хода часов при раскручивании основной пружины . Введение пружины баланса привело к огромному увеличению точности карманных часов, возможно, с нескольких часов в день до 10 минут в день, что впервые сделало их удобными хронометрами. Первые пружины баланса имели всего несколько оборотов.

В некоторых ранних часах был регулятор Барроу, в котором использовался червячный привод , но первый широко используемый регулятор был изобретен Томасом Томпионом около 1680 года. В регуляторе Tompion бордюрные штифты были установлены на полукруглой зубчатой ​​рейке, которая регулировалась с помощью установки ключ от винтика и поворачивая его. Современный регулятор, рычаг, вращающийся концентрически с колесом баланса, был запатентован Джозефом Босли в 1755 году, но не заменил регулятор Tompion до начала 19 века.

Регулятор

Для регулировки скорости пружина баланса обычно имеет регулятор . Регулятор представляет собой подвижный рычаг, установленный на балансировочном кране или мосту и поворачивающийся соосно с балансом. Узкая прорезь образована на одном конце регулятора двумя выступающими вниз штифтами, называемыми штифтами бордюра, или штифтом бордюра и штифтом с более тяжелым сечением, называемым пыльником. Конец внешнего витка балансировочной пружины закреплен в шпильке, которая прикреплена к балансировочному крану. Внешний виток пружины проходит через паз регулятора. Часть пружины между штифтом и пазом остается неподвижной, поэтому положение паза контролирует свободную длину пружины. При перемещении регулятора прорезь скользит по внешнему витку пружины, изменяя ее эффективную длину. Перемещение паза от шпильки укорачивает пружину, делает ее более жесткой, увеличивает частоту колебаний баланса и ускоряет ускорение часов.

Регулятор немного мешает движению пружины, вызывая неточность, поэтому точные часы, такие как морские хронометры и некоторые высококачественные часы, имеют свободную подпружину , что означает, что у них нет регулятора. Вместо этого их скорость регулируется синхронизирующими винтами на балансирном колесе.

Существует два основных типа регуляторов пружины баланса.

  • Регулятор Tompion, в котором штифты бордюра установлены на секторной стойке, перемещаются шестерней. Шестерня обычно оснащается градуированным серебряным или стальным диском.
  • Регулятор Bosley, как описано выше, в котором штифты установлены на рычаге, повернутом коаксиально с балансиром, конец рычага может перемещаться по градуированной шкале. Есть несколько вариантов, которые повышают точность перемещения рычага, в том числе регулятор «Улитка», в котором рычаг подпружинен против кулачка спирального профиля, который можно поворачивать, микрометр, в котором рычаг перемещается с помощью червячная передача и регулятор «Лебединая шея» или «Рид», в которых положение рычага регулируется тонким винтом, причем рычаг удерживается в контакте с винтом с помощью пружины в форме изогнутой лебединой шеи. Это было изобретено и запатентовано американцем Джорджем П. Ридом, патент США № 61867 от 5 февраля 1867 года.

Существует также регулятор «Свиной волос» или «Свиной щетиной», в котором жесткие волокна размещаются на концах дуги балансира и аккуратно останавливают его перед тем, как отбросить назад. Часы ускоряются за счет сокращения дуги. Это не регулятор пружины баланса, который использовался в самых ранних часах до изобретения пружины баланса.

Существует также регулятор Барроу, но на самом деле это более ранний из двух основных методов создания «установочного напряжения» главной пружины; это требовало натяжения цепи Fusee, но не достаточного, чтобы приводить часы в движение. Часы Verge можно регулировать, регулируя установочное натяжение, но если присутствует какой-либо из ранее описанных регуляторов, то обычно этого не делают.

Материал

Для изготовления пружин баланса был использован ряд материалов. Вначале использовалась сталь, но без каких-либо процессов закалки или отпуска; в результате эти пружины постепенно ослабнут, и часы начнут терять время. Некоторые часовщики, например Джон Арнольд , использовали золото, которое позволяет избежать коррозии, но сохраняет проблему постепенного ослабления. Закаленная и отпущенная сталь была впервые использована Джоном Харрисоном и впоследствии оставалась предпочтительным материалом до 20 века.

В 1833 году Э. Дж. Дент (создатель Больших часов в здании парламента ) экспериментировал со стеклянной пружиной баланса. Он гораздо меньше подвержен воздействию тепла, чем сталь, что снижает требуемую компенсацию, а также не ржавеет. Другие испытания стеклянных пружин показали, что их сложно и дорого изготавливать, и что они страдают от широко распространенного восприятия хрупкости, которое сохранялось до тех пор, пока не появились стекловолокно и волоконно-оптические материалы. Волосы из травленого кремния появились в конце 20 века и не подвержены намагничиванию.

Влияние температуры

Модуль упругости материалов зависит от температуры. Для большинства материалов этот температурный коэффициент достаточно велик, чтобы колебания температуры существенно влияли на хронометраж баланса и пружины баланса. Первые производители часов с пружинами баланса, такие как Гук и Гюйгенс, наблюдали этот эффект, но не нашли для него решения.

Харрисон, в ходе разработки морского хронометра, решил эту проблему с помощью «компенсационного бордюра» - по сути, биметаллического термометра, который регулировал эффективную длину пружины баланса в зависимости от температуры. Хотя эта схема работала достаточно хорошо, чтобы позволить Харрисону соответствовать стандартам, установленным Законом о долготе , она не получила широкого распространения.

Примерно в 1765 году Пьер Ле Руа (сын Жюльена Ле Руа ) изобрел компенсационные весы, которые стали стандартным подходом для температурной компенсации в часах и хронометрах. При таком подходе изменяется форма баланса или регулируемые грузы перемещаются на спицах или ободе весов с помощью механизма, чувствительного к температуре. Это изменяет момент инерции балансового колеса, и это изменение регулируется таким образом, чтобы компенсировать изменение модуля упругости балансовой пружины. Компенсирующая конструкция баланса Томаса Эрншоу , которая состоит просто из балансового колеса с биметаллическим ободом, стала стандартным решением для температурной компенсации.

Элинвар

Хотя компенсирующий баланс был эффективным средством компенсации влияния температуры на пружину баланса, он не мог обеспечить полное решение. Базовая конструкция страдает "погрешностью средней температуры": если компенсация настроена так, чтобы быть точной при крайних значениях температуры, то она будет немного отклоняться при температурах между этими крайними значениями. Чтобы избежать этого, были разработаны различные механизмы «вспомогательной компенсации», но все они сложны и трудны в настройке.

Примерно в 1900 году принципиально иное решение было создано Шарлем Эдуардом Гийомом , изобретателем elinvar . Это сплав никель-сталь, обладающий тем свойством, что модуль упругости практически не зависит от температуры. Часы, оснащенные балансирной пружиной elinvar, не требуют температурной компенсации вообще или очень мало. Это упрощает механизм, а также означает, что ошибка средней температуры также устраняется или, как минимум, значительно снижается.

Изохронизм

Уравновешивающая пружина подчиняется закону Гука : восстанавливающий момент пропорционален угловому смещению. Когда это свойство точно выполняется, балансовая пружина называется изохронной , и период колебаний не зависит от амплитуды колебаний. Это важное свойство для точного хронометража, потому что никакой механический привод не может обеспечить абсолютно постоянную движущую силу. Это особенно верно в отношении часов и портативных часов, которые приводятся в действие от основной пружины, которая обеспечивает уменьшение движущей силы при раскручивании. Другой причиной изменения движущей силы является трение, которое меняется с возрастом смазочного масла.

Первые часовщики эмпирически нашли способы сделать свои пружины баланса изохронными. Например, Арнольд в 1776 году запатентовал спиральную (цилиндрическую) форму пружины баланса, в которой концы пружины были закручены внутрь. В 1861 г. М. Филлипс опубликовал теоретическое рассмотрение проблемы. Он продемонстрировал, что балансовая пружина, центр тяжести которой совпадает с осью балансового колеса, изохронна.

В общей практике наиболее распространенным методом достижения изохронности является использование перемотки Бреге, которая помещает часть крайнего витка спирали в плоскости, отличной от остальной части пружины. Это позволяет пружине «дышать» более равномерно и симметрично. Обнаружены два типа перемотки - постепенная перемотка и Z-изгиб. Постепенное перегибание достигается путем наложения двух постепенных скручиваний на спираль с образованием подъема во вторую плоскость на половине окружности. Z-образный изгиб делает это, создавая два изгиба под дополнительными углами 45 градусов, достигая подъема во вторую плоскость примерно на три высоты секции пружины. Второй метод делается из эстетических соображений, и его гораздо сложнее выполнить. Из-за сложности формирования изгиба современные часы часто используют несколько менее эффективный «изгиб», который использует серию резких изгибов (в плоскости), чтобы убрать часть внешней катушки с пути остальной пружины.

Период колебания

Балансовая пружина и балансовое колесо (которое обычно называют просто «баланс») образуют гармонический осциллятор . Пружина баланса обеспечивает восстанавливающий крутящий момент, который ограничивает и меняет движение баланса, так что оно колеблется взад и вперед. Его резонансный период делает его устойчивым к изменениям от возмущающих сил, что делает его хорошим устройством для хронометража. Жесткость пружины, ее коэффициент пружины, в Н * м / радиан, наряду с балансом колеса момента инерции , в кг * м 2 , определяет колеса колебаний периода . Уравнения движения для баланса выводятся из угловой формы закона Гука и угловой формы второго закона Ньютона.

Следующее дифференциальное уравнение для движения колеса является результатом упрощения приведенного выше уравнения:

Решением этого уравнения движения для баланса является простое гармоническое движение , т. Е. Синусоидальное движение с постоянным периодом.

Таким образом, из приведенных выше результатов можно извлечь следующее уравнение для периодичности колебаний:

Этот период контролирует скорость хода часов.

Смотрите также

использованная литература