Часовой механизм
Основные узлы механических часов собираются на платине - никель-серебряной пластине, которая является основанием часового механизма. Никель-серебряный сплав используется в швейцарской часовой промышленности по причине своей механической прочности и долговечности. Кроме отверстий для крепления осей шестеренок, платина имеет целую серию проточек, впадин и выступов, повышающих ее механическую прочность и дающих возможность разместить детали часового механизма на сравнительно малой площади. Противоположные концы шестеренок крепятся в отверстиях мостов - фасонных деталей, закрепляемых с помощью винтов на платине. Применение мостов облегчает сборку механизма и регулировку осевого люфта.
Для обозначения размера, формы часового механизма и платин, к которым он крепится, используется термин калибр (Caliber). В Швейцарии, в отличие от России, калибры механизма указываются в линиях (Lignes). Одна линия соответствует 2.255мм. Например, круглый калибр в 10 линий будет равен 23.7мм в диаметре. Круглые калибры более распространены, хотя существуют овальные, прямоугольные с резаными краями, восьмиугольные и т.д. Одной из составляющих точности хода часов является снижение трения. Такие части часового механизма, как оси шестеренок, ось баланса, ось вилки и т.д., опираются на синтетические рубиновые камни, представляющие собой плоские миниатюрные цилиндры с воронками для удержания часового масла. Применение в часах рубиновых камней обусловлено тем, что потери на трение у передающих пар должны быть минимальны. Этому требованию удовлетворяет рубин, имеющий наименьший коэффициент трения в паре со сталью, еще более снижающийся в процессе эксплуатации. Начало использование рубиновых камней уходит к 1700 году, когда начали использоваться природные рубины.
Использование синтетических камней началось в 1902 году, и сегодня без них не обходится ни одно часовое производство. В зависимости от качества механизма обычно используются 7, 15, 17 камней или 21 камень. Изменение кинематической схемы часов и введение дополнительных устройств ведет к увеличению числа камней, и в отдельных случаях оно может достигать 68 и даже 126 камней (Calibre 89 Patek Philippe). В качестве источника энергии, обеспечивающего работу часового механизма применяется спиральная пружина, расположенная в барабане с зубчатым краем. При заводке часов, пружине сообщается изгибающий момент, который при раскручивании преобразуется в крутящий момент барабана, вращение которого приводит в движение весь часовой механизм. Недостатком пружинного двигателя является неравномерность крутящего момента, передаваемого набаланс, что приводит к неточности хода часов. Наибольший крутящий момент имеет полностью заведенная пружина, наименьший - раскрученная.
Из-за такой неравномерности крутящего момента возникает погрешность в частоте колебаний баланса. А разница даже в 10 колебаний в сутки дает расхождение с точным временем в две секунды. В особо точных часах - "Морских хронометрах" (Marine Chronometer), для компенсации разницы момента пружины, применяется устройство, называемое улиткаusee). Оно представляет собой конус, основанием которого является главная шестеренка часового механизма, на который спирально навита цепь. Один конец цепи зацеплен за основание конуса, другой конец - за внешнюю поверхность пружинного барабана. Когда пружина заведена и имеет максимальный момент, цепь намотана на конус полностью, при этом конус оказывает максимальное сопротивление вращению за счет силы трения. По мере того, как пружина разворачивается, момент пружины уменьшается.
Одновременно с уменьшением момента пружины уменьшается и усилие требуемое для поворота конуса. Таким образом, при правильно рассчитанном конусе, момент пружины будет постоянно одинаков, что обеспечит высокую точность хода часового механизма.
Для завода наручных часов также используется механизм автоподзавода. Классический механизм состоит из ротора (инерционного сектора), оборачивающегося вокруг центральной оси часов, и реверсивного устройства, обеспечивающего преобразование двухстороннего вращения ротора в одностороннее вращение вала пружинного барабана. При различных движениях запястья руки, под действием силы тяжести, ротор поворачивается вокруг своей оси, предавая через зубчатую передачу вращение на вал заводной пружины, заводя ее.
В таких часах пружинный барабан устроен таким образом, что во время завода пружины, при достижении максимального момента, пружина будет проскальзывать, предотвращая поломку часового механизма. Для передачи энергии от пружины через шестереночный механизм к балансу, а также поддержания его колебаний и управления скоростью вращения шестереночного механизма, служит анкерный механизм. Анкерный механизм состоит из анкерного колеса (шестеренки), как правило, с 15 зубчиками, анкерной вилки, с впрессованными в паллеты синтетическими рубинами, и баланса. Анкер периодически освобождает зубчатую передачу и преобразует энергию пружины в импульсы, передаваемые балансу для поддержания его колебаний со строго определенным периодом, и преобразование этих колебаний в равномерное вращение шестереночного механизма.
Изогнутые концы анкерной вилки называются паллетами. Их две - входная и выходная. При подъеме входной паллеты одновременно опускается выходная, и анкерное колесо поворачивается на один зубец. Затем поднимается выходная паллета и опускается входная, анкерное колесо поворачивается еще на один зубец и т.д. Во время подъема входной паллеты, под действием анкера, баланс поворачивается на пол-оборота до ограничителя, при этом собственная пружина баланса сворачивается. Во время опускания входной паллеты, под действием собственной разворачивающейся пружины, баланс совершает движение в обратную сторону до второго ограничителя. Таким образом, баланс постоянно совершает строго ограниченные полуколебания, уравновешивая тем самым ход часового механизма.
Поскольку само балансное колесо (баланс) представляет собой двойной маятник, то на точность его хода, как и в случае с простым маятником, оказывают влияние температура, трение и сила притяжения Земли. Так как балансное колесо делают из металла, то оно, как и все металлы, подвержены расширению и сжатию под действием температуры. Для минимизации этого влияния колесо делают биметаллическим: из материалов с разным коэффициентом расширения, например, стали и цинка.
Для уменьшения силы трения концы оси баланса (цапфы) делают очень тонкими, порядка 0.07-0.08 мм. Поэтому при неосторожном обращении с часами может произойти поломка цапфы. С целью предохранения оси баланса от поломки, для крепления баланса в платине и мосте используют противоударный механизм.
В обычной конструкции узла баланса сквозные камни, в которых находятся цапфы, жестко запрессовывают в отверстия платины и моста, а накладные камни - в отверстия накладок, привинченных к плоскостям платины и моста. Между камнями оставляют зазоры, заполняемые при сборке узла часовым маслом. В противоударном механизме оси баланса запрессованы в специальные подвижные опоры.
Подвижная опора устроена таким образом, что при осевом ударе ось баланса будет смещаться вверх до тех пор, пока широкая часть оси баланса не упрется в узкое отверстие сквозного камня, приняв на себя, таким образом, силу удара. При боковом ударе ось баланса будет смещаться в бок до тех пор, пока не упрется своей утолщенной частью в стенку отверстия опоры. Таким образом, вместо тонких цапф, все нагрузки принимают на себя утолщенные части оси баланса, предохраняя первые от поломки и изгиба. Для компенсации явления гравитации на анкерный механизм были изобретены сначала турбийонный регулятор в 1795 году, а затем в начале XX века - карусель.