Боевая пружина - Mainspring
Движущей силой является спиральная пружина кручения из металлической ленты, которая обычно пружинной стали -подержанные в качестве источника энергии в механических часах , некоторые часы и другие заводной механизмы. Заводя часы, вращая ручку или ключ, накапливает энергию в заводной пружине за счет более плотного закручивания спирали. Затем сила боевой пружины вращает колеса часов по мере их раскрутки, пока не потребуется следующий завод. Прилагательные заводных и пружинные питания относятся к механизмам , работающих на пружинах, которые также включают кухонные таймеры , метроном , музыкальные шкатулки , заводные игрушки и заводное радио .
Современные боевые пружины
Боевая пружина современных часов представляет собой длинную полосу из закаленной и вороненой стали или специального стального сплава, длиной 20–30 см и толщиной 0,05–0,2 мм. Боевая пружина в обычном однодневном механизме рассчитана на то, чтобы часы могли работать от 36 до 40 часов, то есть 24 часа между ежедневным заводом с запасом хода от 12 до 16 часов, на случай, если владелец поздно заводит часы. Это обычный стандарт как для часов с ручным заводом, так и для часов с автоподзаводом . 8-дневные механизмы, используемые в часах, которые должны заводиться еженедельно, обеспечивают мощность не менее 192 часов, но используют более длинные боевые пружины и более крупные стволы . Боевые пружины часов похожи на пружины часов, только большего размера.
С 1945 года углеродистые стальные сплавы все чаще заменяются новыми специальными сплавами ( железом , никелем и хромом 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 изготовлены из нержавеющей стали и имеют более высокий предел упругости . Они меньше подвержены постоянному сгибанию ( «утомлению» ), и риск их поломки практически отсутствует. Некоторые из них также практически немагнитны .
В расслабленном виде боевые пружины бывают трех различных форм:
- Спирально намотанные : они намотаны в одном направлении по всей простой спирали.
- Полуоборотный : внешний конец пружины наматывается в обратном направлении менее чем на один оборот (менее 360 °).
- Реверс (упругий): внешний конец пружины наматывается в обратном направлении на один или несколько оборотов (более 360 °).
Полуоборотный и реверсивный типы обеспечивают дополнительную силу в конце периода работы, когда пружина почти полностью разряжена, чтобы часы продолжали работать с постоянной скоростью до конца.
Как они работают
Боевая пружина наматывается на ось, называемую валом, с прикрепленным к ней внутренним концом. Во многих часах внешний конец прикреплен к стационарной стойке. Пружина заводится поворотом оправки, и после заворачивания ее сила поворачивает оправку в другую сторону для хода часов. Недостатком этой открытой пружинной конструкции является то, что во время заводки боевой пружины ее движущая сила снимается с часового механизма, поэтому часы могут остановиться. Этот тип часто используется в будильниках , музыкальных шкатулках и кухонных таймерах, где не имеет значения, останавливается ли механизм во время завода. Заводной механизм всегда имеет трещотку с защелкой (которую часовщики называют щелчком ), чтобы пружина не раскрутилась.
В форме, используемой в современных часах, называемой ходовым стволом , боевая пружина намотана на оправку и заключена в цилиндрическую коробку, называемую стволом, который может свободно вращаться. Пружина прикреплена к оправке на ее внутреннем конце и к стволу на внешнем конце. Насадки представляют собой небольшие крючки или язычки, за которые пружина цепляется за квадратные отверстия на концах, поэтому ее можно легко заменить.
Боевая пружина заводится поворотом оправки, но приводит в движение часовой механизм стволом; такое расположение позволяет пружине продолжать приводить часы в действие во время их завода. Заводя часы, поворачивает оправку, которая натягивает боевую пружину, плотнее обвивая ее вокруг оправки. К оправке прикреплен храповик с щелчком, чтобы пружина не поворачивала оправку назад и не раскручивалась. После завода оправка остается неподвижной, и натяжение боевой пружины вращает ствол, вокруг которого находится кольцо зубьев шестерни. Он входит в зацепление с одной из шестерен часов, обычно с шестерней центрального колеса, и приводит в движение колесную передачу . Ствол обычно вращается каждые 8 часов, поэтому обычная 40-часовая пружина требует 5 оборотов для полного раскрутки.
Опасности
Боевая пружина содержит много энергии. Часы и часы необходимо периодически разбирать для обслуживания и ремонта, и, если не будут приняты меры предосторожности, пружина может внезапно сработать, что может привести к серьезным травмам. Боевые пружины мягко опускаются перед обслуживанием, отводя щелчок назад, удерживая заводной ключ, позволяя пружине медленно раскручиваться. Однако даже в спущенном состоянии главные пружины содержат опасное остаточное напряжение. Часовщики и мастера по часам используют инструмент, называемый «заводной головкой главной пружины», чтобы безопасно устанавливать и снимать их. Большие боевые пружины в часах перед снятием фиксируются "зажимами боевой пружины".
История
Боевые пружины появились в первых часах с пружинным приводом в Европе 15 века. Он заменил груз, висящий на шнуре, обмотанном вокруг шкива, который был источником энергии, использовавшимся во всех предыдущих механических часах. В замках начали использовать около 1400 витых пружин, и многие первые часовщики также были слесарями. Пружины были применены к часам, чтобы сделать их меньше и более портативными, чем предыдущие часы с весовым приводом, превратившись в первые карманные часы к 1600 году. Многие источники ошибочно приписывают изобретение основной пружины нюрнбергскому часовщику Питеру Генлейну (также пишется Генле или Хеле) около 1511 года. Однако многие ссылки в источниках 15-го века на портативные часы «без веса» и, по крайней мере, два сохранившихся примера показывают, что часы с пружинным приводом существовали к началу этого века. Самые старые из сохранившихся часов, приводимые в действие основной пружиной, - это Burgunderuhr (Бургундские часы), богато украшенные позолоченные камерные часы, которые в настоящее время находятся в Национальном музее Германии в Нюрнберге, чья иконография предполагает, что они были изготовлены около 1430 года для Филиппа Доброго, герцога Бургундского .
Первые боевые пружины изготавливались из стали без отпуска и закалки . Они бегали недолго, и их приходилось перематывать дважды в день. Генлейн был известен тем, что создавал часы, которые наработали 40 часов без перезарядки. Методы изготовления боевых пружин 18-го века описаны Берту и Блейки.
Постоянная сила пружины
На протяжении всей истории часов с пружинным приводом проблема заключалась в том, что сила ( крутящий момент ), создаваемая пружиной, не является постоянной, а уменьшается по мере раскручивания пружины (см. График). Однако для того, чтобы время было точным, часы должны работать с постоянной скоростью. Механизмы хронометража никогда не бывают идеально изохронными , то есть на их скорость влияют изменения движущей силы. Это особенно относилось к примитивному типу грани и листа, которые использовались до появления пружины баланса в 1657 году. Таким образом, ранние часы замедлялись во время своего рабочего периода, когда заводная пружина спускалась, что приводило к неточному отсчету времени.
Два решения этой проблемы появились в первых часах с пружинным приводом в 15 веке; stackfreed и запал :
Stackfreed
Stackfreed представлял собой эксцентриковый кулачок, установленный на валу боевой пружины, с подпружиненным роликом, который прижимался к нему. Кулачок имел форму `` улитки '', так что в начале периода работы, когда основная пружина давила сильно, пружина упиралась в широкую часть кулачка, создавая сильную противодействующую силу, а позже в период работы как сила Боевая пружина уменьшилась, пружина будет упираться в более узкую часть кулачка, и противодействующая сила также уменьшится. Стеклофрид добавил много трения и, вероятно, значительно сократил время работы часов; он использовался только в некоторых немецких часах и был заброшен примерно через столетие.
Fusee
Запал был намного продолжительнее инновации. Это был шкив конической формы, который вращался цепью, обернутой вокруг ствола боевой пружины. Его изогнутая форма непрерывно изменяла механическое преимущество рычажного механизма, выравнивая усилие боевой пружины при ее спуске. Предохранители стали стандартным методом получения постоянного крутящего момента от боевой пружины. Они использовались в большинстве часов с пружинным приводом с момента их первого появления до 19-го века, когда на смену пришел ходовой барабан, а также в морских хронометрах до 1970-х годов.
Стопворк
Еще одним ранним устройством, которое помогло выровнять силу пружины, были стопоры или ограничители завода , которые предотвращали полный завод боевой пружины и не позволяли ей полностью раскручиваться. Идея заключалась в том, чтобы использовать только центральную часть «кривой крутящего момента» пружины, где ее сила была более постоянной. Самой распространенной формой была остановка в Женеве или «мальтийский крест». В современных часах стопор не нужен.
Ремонтуар
Четвертым устройством, используемым в некоторых точных часах, был remontoire . Это была небольшая вторичная пружина или грузик, который приводил в действие спусковой механизм часов и сам периодически заводился с помощью главной пружины. Это изолировало элемент хронометража от изменяющейся силы боевой пружины.
Идущий бочонок
Современный ствол , изобретенный в 1760 году Жаном-Антуаном Лепином , создает постоянное усилие, просто используя более длинную боевую пружину, чем необходимо, и наматывает ее под натяжением в стволе. При работе одновременно используется только несколько оборотов пружины, а оставшаяся часть прижимается к внешней стенке ствола. Математически натяжение создает «плоский» участок на «кривой крутящего момента» пружины (см. График), и используется только этот плоский участок. Кроме того, внешнему концу пружины часто придают «обратную» кривую, поэтому он имеет S-образную форму. Это сохраняет большее натяжение во внешних витках пружины, где оно доступно к концу периода работы. В результате барабан обеспечивает приблизительно постоянный крутящий момент в течение расчетного периода работы часов; крутящий момент не снижается до тех пор, пока главная пружина почти не разрядится.
Встроенное натяжение пружины в ходовом стволе делает его разборку опасной, даже если она не намотана.
Поломка боевой пружины
Поскольку они подвергаются циклам постоянной нагрузки , до 1960-х годов заводные пружины обычно ломались из-за усталости металла задолго до других частей часов. Они считались расходным материалом. Это часто происходило в конце процесса наматывания, когда пружина наматывается как можно плотнее на оправку, без промежутка между витками. При ручном заводе легко неожиданно достичь этой точки и оказать чрезмерное давление на пружину. Еще одна причина - перепады температуры. Если вечером часы были полностью заведены, а ночью температура упала, без провисания между витками, тепловое сжатие длинной пружины могло вырвать ее из крепления на одном конце. Раньше мастера по ремонту часов отмечали, что изменения погоды привели к появлению целого ряда часов со сломанными боевыми пружинами. До 60-х годов прошлого века поломка главной пружины была основной причиной ремонта часов. С тех пор упомянутые выше усовершенствования в металлургии пружин сделали сломанные боевые пружины редкостью.
'Стучать' или 'крениться'
Даже если боевые пружины не были склонны к поломке, слишком большое усилие во время завода вызывало в ранних часах еще одну проблему, называемую «стуком» или «креном». Если после наматывания пружины оставалось очень небольшое провисание («перемотка»), давление последнего поворота заводной ручки приводило к чрезмерному натяжению конца пружины, которое фиксировалось последним щелчком храпового механизма. часы работали с чрезмерной движущей силой в течение нескольких часов, пока не было снято дополнительное напряжение в конце пружины. Из-за этого балансировочное колесо слишком сильно вращалось в каждом направлении, в результате чего импульсный штифт на колесе ударялся о заднюю часть пружины. вилочные рожки. Это заставляло часы отставать от времени и могло сломать импульсный штифт. В старых часах это предотвращалось с помощью «стоп-сигнала». В современных часах это предотвращается путем создания «щелчка» с некоторой «отдачей» ( люфтом ), чтобы оправка могла вращаться назад после обмотки примерно на два зубца храповика, чтобы снять излишнее натяжение.
Мотор или предохранительный ствол
Примерно в 1900 году, когда сломанные пружины были более серьезной проблемой, в некоторых карманных часах использовалась разновидность ходового ствола, называемая моторным стволом или предохранительным стволом . Боевые пружины обычно ломались в месте крепления к оправке, где изгибающие напряжения наиболее велики. Когда боевая пружина ломалась, внешняя часть отдалялась, и импульс вращал ствол в обратном направлении. Это прилагало большие усилия к хрупкой колесной передаче и спуску , часто ломая оси и драгоценные камни.
В стволе мотора функции оправки и ствола были обратными по сравнению с ходовым стволом. Боевая пружина заводилась от ствола и поворачивала вал для привода колесной передачи. Таким образом, если бы боевая пружина сломалась, разрушительная отдача ствола была бы применена не к колесной передаче, а к заводному механизму, который был достаточно прочным, чтобы выдержать ее.
Шестерня безопасности
Безопасности Шестерня было альтернативное средство защиты, используемые при идущем ствола. При этом ведущая шестерня центрального колеса , с которой зацепляется цилиндрическая шестерня, была прикреплена к его валу с помощью обратной винтовой резьбы. Если пружина сломалась, обратная отдача ствола вместо передачи на зубчатую передачу просто открутила бы шестерню.
Миф о "перемотке"
Часы часто останавливаются с полностью заведенной заводной пружиной, что привело к мифу о том, что полный завод часов с пружинным приводом повреждает их. Этот тип поломки может быть вызван несколькими проблемами, но это никогда не происходит из-за "перезавода", поскольку часы рассчитаны на то, чтобы выдерживать полный завод.
Одна из причин «перемотки» - грязь. Механизмы часов требуют регулярной чистки и смазки, и нормальным результатом пренебрежения чисткой часов является остановка часов на полном ходу. По мере того, как механизм часов собирает грязь и высыхает масло, увеличивается трение, так что у боевой пружины нет силы, чтобы повернуть часы в конце нормального периода работы, и она преждевременно останавливается. 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 главная пружина не имеет силы для запуска часов даже на полной мощности. ветер, поэтому часы останавливаются с полностью заведенной боевой пружиной. Часы нуждаются в обслуживании, но проблема вызвана грязным механизмом или другим дефектом, а не «перекручиванием».
Другой распространенной причиной «перезавода» является то, что при падении часов рейка баланса может сломаться, и часы больше не смогут работать, даже если главная пружина полностью заведена.
Часы с автоподзаводом и небьющиеся боевые пружины
Часы с автоподзаводом или автоматические часы , широко представленные в 1950-х годах, используют естественные движения запястья, чтобы удерживать заводную пружину. Полукруглый грузик, поворачивающийся в центре часов, вращается при каждом движении запястья. Механизм намотки использует вращение в обоих направлениях, чтобы заводить боевую пружину.
В автоматических часах движение запястья могло продолжать заводить боевую пружину, пока она не сломалась. Это предотвращается устройством проскальзывания сцепления . Внешний конец боевой пружины, вместо того, чтобы прикрепляться к стволу, прикреплен к круговой пружине растяжения, называемой уздечкой, которая прижимается к внутренней стенке ствола, которая имеет зубцы или выемки для ее удержания. При обычном заводе уздечка удерживается за счет трения о ствол, позволяя заводной пружине заводиться. Когда боевая пружина достигает полного натяжения, ее сила натяжения сильнее, чем у уздечки. Дальнейшее вращение оправки приводит к скольжению уздечки по стволу, предотвращая дальнейшее наматывание. В терминологии часовых компаний это часто ошибочно называют «нерушимой главной пружиной».
"Устали" или "установили" боевые пружины
После десятилетий использования заводные пружины в старых часах обнаруживают, что они слегка деформируются и теряют часть своей силы, становясь «уставшими» или «застрявшими». Это состояние чаще всего встречается в пружинах в бочках. Это приводит к уменьшению времени работы между обмотками. Во время обслуживания необходимо проверить боевую пружину на предмет «усталости» и при необходимости заменить. Британский институт часового искусства предлагает следующие тесты:
- В стволе боевой пружины, когда она разматывается и расслабляется, большая часть витков здоровой пружины должна быть прижата к стенке ствола, и только 1 или 2 витка спирали через центральное пространство для прикрепления к оправке. Если в центре ослаблено более 2 витков, возможно, пружина «устала»; с 4 или 5 витков он определенно «подустал».
- Если после извлечения из ствола диаметр расслабленной пружины, лежащей на плоской поверхности, меньше чем в 2½ раза больше диаметра ствола, она «устала».
Индикатор запаса хода
У некоторых высококачественных часов есть дополнительный циферблат на циферблате, показывающий, сколько энергии осталось в главной пружине, часто с градуировкой в часах, оставшихся до работы часов. Поскольку и оправка, и ствол вращаются, этому механизму требуется дифференциальная передача, которая измеряет, насколько далеко повернута оправка по сравнению со стволом.
Необычные формы боевой пружины
Боевая пружина обычно представляет собой спиральную металлическую пружину, однако есть исключения:
- Пружинные часы для вагонов: в течение короткого времени в истории американского часового производства спиральная пружинная сталь не была доступна в Соединенных Штатах, и изобретательные часовщики создали часы, приводимые в действие пакетом листовых рессор , аналогичных тем, что традиционно служили пружиной подвески для вагонов. .
- Возможны и другие типы пружин, которые иногда использовались в экспериментальных часах, например, торсионные пружины.
- Иногда встречаются странные часы с пружиной, сделанной не из металла, а из синтетического эластичного материала.
Примечания
использованная литература
- Глоссарий Г. А. Бернера на 4 языках , переиздание 1988 г., любезно предоставлено FH, Федерация швейцарской часовой промышленности, Бьен, Швейцария.
- Мюррей, Майкл П. (01.02.2005). «Все, что вы всегда хотели знать о пружинах часов» . Клиника Mike's Clock . Проверено 6 июля 2009 .