Уравновешенность, амплитуда и пружины с изгибом

Автор Richard Lee

Механический калибр часов — это крошечная, но сложная система, которая состоит из компонентов, пребывающих в безупречном равновесии. Но поскольку эти компоненты очень хрупки, особенно детали спусковой системы, работа механизма подвержена влиянию внешних факторов. Это удары, влажность и чаще всего положение часов на запястье, а также то, как они хранятся.

Как положение часов влияет на точность хода

От положения часов напрямую зависит степень влияния гравитации на подвижные части механизма. Другими словами, точность хода зависит от того, в каком положении находятся часы.

Погрешность, возникающая под влиянием внешних факторов, известна как позиционная ошибка. Она в значительной степени связана с воздействием сил гравитации на колесо баланса. Позиционная ошибка также зависит от амплитуды колеса баланса, типа волосковой пружины и уравновешенности баланса.

Все эти составляющие неразрывно связаны друг с другом и должны быть правильно отрегулированы, что позволит снизить позиционную ошибку и таким образом улучшить точность хода часов.

Примечание редактора: в этой статье мы будем рассматривать исключительно механизмы, сконструированные из традиционных материалов. Такое новшество, как кремниевые пружины, всё ещё остается нишевым и широко не применяется.

Как положение часов влияет на точность хода

Баланс с регулируемой массой Microstella в механизме Rolex cal. 4030, сконструированный на основе Zenith El Primero

Вопрос положения

Положение наручных часов существенно влияет на их точность. Ведь независимо от того, в каком положении находится механизм, сила гравитации «тянет» колесо баланса вниз.

Для лучшего понимания этого процесса представьте велосипедное колесо, брошенное на землю. От силы удара при падении оно совершает колебательные движения. Примерно так выглядит колесо баланса. В центре него находится стержень (ось баланса), поддерживаемый с обоих концов подшипниками из драгоценного камня.

Каждый подшипник накрыт концевой крышкой (также из камня), которая ограничивает осевое перемещение стержня, а также удерживает смазочные материалы.

Концевая крышка, в свою очередь, удерживается крошечной пружиной (ее зачастую производят швейцарские специалисты Kif или Incabloc), выполняющей роль амортизатора.

Как положение часов влияет на точность хода

Поперечное сечение оси баланса с пружиной-лирой Incabloc над концевой крышкой, под подшипником из камня находится стержень

Часы работают максимально эффективно в положениях «циферблатом вверх» и «циферблатом вниз». Это значит, что механизм находится в горизонтальном положении, то есть параллелен земле, а значит, сила трения минимальна. Контакт приходится на наконечник нижней шестерни, поддерживаемый камнем нижней концевой крышки. Эффект как у волчка, вращающегося на столе.

Поэтому всем ценителям механики рекомендуется на ночь класть часы циферблатом вверх или вниз, но не на бок. Так погрешность хода будет сведена к минимуму. Между тем, когда часы долго не носят, не имеет значения, в каком положении они будут храниться, так как механизм перестанет работать, как только пружина раскрутится.

Когда часы на браслете (или со складной застежкой) кладут на бок, механизм оказывается в вертикальном положении. На языке часовой терминологии такая позиция называется «заводная головка вниз/вверх». При таком расположении площадь контакта с поверхностью обоих стержней колеса баланса значительно больше, поскольку они прижимаются к стенкам подшипников. Такую позицию можно сравнить с ручкой, которая плашмя лежит на столе, а не стоит на кончике.

Поэтому сила трения на стержнях всегда будет выше, если часы положили на бок. Тем не менее, губительный эффект будет сведен к минимуму, если у механизма чистые, хорошо смазанные и, конечно, исправные стержни.

Как положение часов влияет на точность хода

Слева направо: заводная головка внизу/слева/вверху/справа

Четыре варианта вертикального положения часов приводят к погрешности в точности хода. Связано это с тем, что волосковая пружина, прикрепленная к неподвижной точке на колесе баланса, подвергается воздействию гравитации. Невозможно добиться теоретически совершенного хронометража во всех позициях, поэтому при регулировке часовой мастер будет ориентироваться на наиболее распространенные.

Поскольку часы могут находиться в шести разных положениях (циферблатом вверх и вниз, четыре варианта вертикальной позиции заводной головки), бренды, отрегулировавшие механизм на все шесть, непременно упомянут это в рекламе. К слову, некоторые модели отрегулированы на пять позиций, представляя собой некий компромиссный вариант.

Рассмотрим порядок расстановки приоритетных положений при регулировке. Наиболее значимые позиции часов — «циферблатом вверх и вниз». Они должны демонстрировать абсолютно идентичный хронометраж, поскольку стержни не опираются на внутренние стенки подшипников, будучи показателем работоспособности зубчатой передачи.

Следующая по важности позиция – это положение «заводная головка вниз» (когда человек стоит, а его рука опущена). Далее следует положение корпуса часов «12-ю часами вниз» (когда предплечье лежит на столе ребром ладони вниз). И последние по приоритету позиции — «заводной головкой вверх или 12-ю часами вниз». На них ориентируются менее всего, поскольку человек нечасто поднимает прямую руку вверх или держит ее закинутой за голову.

Важно отметить, что вышеперечисленные положения ориентированы на правшей, для левшей все вертикальные позиции корпуса часов будут зеркальными. При носке часов на правом запястье заводная головка направлена вверх, к предплечью, а не вниз, по направлению к кисти руки.

Уже столько было сказано о вертикальном положении часов, что пора бы выяснить, почему трение стержней колеса баланса – это проблема. В долгосрочной перспективе трение приводит к быстрому износу тонких стержней. Но есть также неприятность, возникающая, как говорится, здесь и сейчас, — это снижение амплитуды колебаний.

Многие часовые компании создавали усложнения, призванные устранить позиционную ошибку. В 2019 году F.P. Journe выпустил модель Tourbillon Souverain Vertical, колесо баланса которой расположено перпендикулярно циферблату. Это позволило зафиксировать баланс в вертикальном положении, которое не меняется даже при смене положения руки. А поскольку колесо баланса находится внутри турбийона, позиционная ошибка, вызванная гравитацией, усредняется.

Важность угла

Помимо положения часов есть еще несколько факторов, влияющих на точность хода. Чтобы механизм работал, ему необходима энергия. Ее производит ходовая пружина и передает через колесную передачу к колесу баланса, что и вызывает колебания.

Величина возвратно-поступательных колебаний колеса баланса, выраженная в градусах, называется амплитудой. Большая мощность предполагает большую амплитуду, которая, в свою очередь, подразумевает большую инерцию и более стабильный хронометраж. Хороший механизм, как правило, при полном заводе поддерживает амплитуду в пределах от 270° до 310°.

Как положение часов влияет на точность хода

Огромное колесо баланса часов Voutilainen Vingt-8

Часы с низкой амплитудой колебаний более подвержены внезапной остановке и неточному хронометражу. Причина тому — низкая частота колебаний баланса, прервать которую может просто удар рукой или другой агрессивный внешний фактор.

Но и слишком высокая амплитуда нежелательна. Она часто возникает при ремонте старинных часов с использованием более качественных современных смазок и при замене ходовой пружины на более мощную. Это вызывает перегрузку – колесо баланса в попытках совершить полный оборот сталкивается с внешним краем анкерной вилки, что зачастую приводит к повреждению камня вала.

Уравновешенность баланса

Еще один фактор, влияющий на величину позиционной ошибки, – это уравновешенность баланса. Под уравновешенностью подразумевается процесс равномерного распределения веса по ободу колеса баланса.

На ободе неуравновешенного колеса баланса появятся тяжелые участки, на которые будет влиять сила гравитации – особенно в вертикальном положении. Представьте, что вы едете на велосипеде, а к одному из его колес прикреплен тяжелый груз. Из-за смещения веса при повороте колеса вы будете чувствовать, что педали стало крутить тяжелее.

Именно поэтому автомобильные шины также требуют балансировки, которая подразумевает добавление крошечных грузиков к ободу колеса. По этому же принципу работает и колесо баланса в часах за тем лишь исключением, что оно колеблется вперед-назад, а не вращается в одном направлении. Поэтому амплитуда колебаний особенно важна для неуравновешенного баланса в вертикальном положении.

Это связано с тем, что разная амплитуда заставляет тяжелые участки колеса баланса перемещаться на различные расстояния вдоль дуги колебаний. В зависимости от положения механизма сила гравитации будет тянуть тяжелые участки вниз, против или по направлению к колебаниям. Следовательно, ход часов будет либо ускоряться, либо замедляться.

Таким образом, при регулировке часов с помощью неуравновешенного колеса баланса даже при условии отменной балансировки механизма и правильной амплитуды в пределах 270°-310° точность хода будет смещаться. Причиной погрешности станет падение амплитуды, которое неизбежно происходит по мере разжатия ходовой пружины. Более того, не стоит забывать о хаотичном влиянии силы гравитации, интенсивность которой зависит от положения механизма.

Поэтому для минимизации позиционной ошибки необходимо либо идеально уравновесить колесо баланса, либо равномерно его утяжелить по всей длине обода. Сделать это можно двумя способами: удалить материал с более тяжелого участка обода, просверлив в нем крошечные отверстия или изменив вес винтов на балансе, обычно используемом в традиционных часах.

Как положение часов влияет на точность хода

Проверка пружины баланса на эксцентричность центра тяжести после уравновешивания

При сборке механизма на заводе новые колеса баланса автоматически уравновешивают с помощью современных машин с автоматическим управлением. Лишний материал удаляется лазерами, которые проделывают крошечные отверстия или бороздки в нижней части колеса баланса.

Однако, когда часы сдаются в ремонт, и необходимо разобрать колесо баланса, уравновешивание будет выполняться часовым мастером вручную. И это весьма сложная операция – повторная сборка узла спуска нивелирует предыдущее уравновешивание, поскольку невозможно дважды одинаково сбалансированно собрать все компоненты вместе.

Износ

Детали неизбежно изнашиваются и со временем требуют замены, становясь еще одной причиной возникновения позиционной ошибки. Рассмотрим этот фактор на примере замены оси баланса. Когда стержни изнашиваются и истончаются, под влиянием силы трения снижается амплитуда колебаний. Чем хуже их состояние, тем ниже амплитуда особенно в вертикальном положении.

В особо тяжелых случаях вопрос замены деталей становится критичным, поскольку изношенные элементы продолжают стираться, образуя металлические опилки, которые могут мигрировать в другие участки механизма.  

Как положение часов влияет на точность хода

Установка новой оси баланса

Замена изношенной оси баланса, как правило, приводит к мгновенному увеличению амплитуды колебаний и, следовательно, к значительному улучшению точности хода. Но как только подобная замена произведена, все составляющие колеса баланса должны быть заново уравновешены, как описано выше.

Кроме того, стержни и края оси баланса должны быть максимально чистыми, поскольку они соприкасаются с подшипниками. Единственный грязный стержень может привести к позиционной ошибке при смене положений «циферблат вниз/вверх».

Волосковая пружина

Извечный спутник колеса баланса — волосковая пружина, позволяющая контролировать колебания, которые и определяют точность хода часов. Она должна распускаться и сжиматься концентрически равномерно, таким образом поддерживая в процессе движения одинаковое пространство между завитками.

Пружины баланса обычно бывают двух видов: плоские и с загнутым концом (изгибом). Последние представлены в множествах форм, самой известной из которых стала «Breguet overcoil» (кривая/спираль Бреге). Она была изобретена в 1795 году французским часовщиком Абрахамом-Луи Бреге (1747-1823 гг.), в честь которого и была названа.

Как положение часов влияет на точность хода

Спираль с изгибом в часах Charles Frodsham Double Impulse Chronometer

Плоская пружина идеально плоская в профиль, а ее внешний кончик неподвижен и крепится к молотку баланса. Внутренний край пружины прикреплен к подвижному колесу баланса. Однако с геометрической точки зрения такая пружина не «дышит» идеально концентрически. Колебания заставляют вращаться внутренний конец пружины, эксцентрично ее искажая. В результате центр тяжести пружины смещается, а восстанавливающая сила (упругость) пружины на колесе баланса меняется.

Эти процессы весьма нежелательны и приводят к тому, что сила пружины становится нестабильной и варьируется в зависимости от амплитуды колебаний. Что, в свою очередь, ухудшает изохронность пружины — свойство, позволяющее сохранять время колебания вне зависимости от амплитуды.

Нестабильная амплитуда влияет на точность хода, поскольку ходовая пружина раскручивается медленно, постепенно снижая количество энергии, передаваемое на колеблющееся колесо баланса. Со временем это приводит к снижению амплитуды.

Для того чтобы как-то компенсировать этот эффект, на некоторых пружинах делают изогнутый кончик. Другими словами, внешний конец волосковой пружины специально изгибается под определенным углом непосредственно над витком. Это обеспечивает максимально концентрическое «дыхание» пружины и улучшает изохронность.

Такие пружины более дорогостоящие и трудоемкие в изготовлении, поскольку необходимый изгиб делается исключительно вручную. Кроме того, они требуют больше пространства (высоты), что утолщает механизм. Для тонких автоматических калибров, где каждый миллиметр на счету, этот момент критичный. Именно по этой причине плоские пружины столь широко используются в массовом производстве часов, а спиралью с изгибом оснащают преимущественно дорогие модели премиального сегмента.

Такие пружины делают в основном из металлических сплавов, поскольку кремний недостаточно податлив и не позволяет сделать необходимый изгиб. Тем не менее, несколько специалистов исхитрились сделать спираль Бреге на пружине из кремния. Известны два способа: объединение двух отдельных частей пружины из кремния (как сделала марка Breguet) и особая обработка, позволяющая изогнуть кремний в необходимую форму (метод разработала компания Master Dynamic из Гонконга).

Как положение часов влияет на точность хода

Кремниевая пружина с изгибом, созданная компанией Master Dynamic

Концентричности пружины с изгибом может соответствовать только двойная пружина, которую применяют только в нишевых премиальных часах. Она состоит из двух волосков, уложенных друг на друга в противоположных направлениях, за счет чего «дыхание» пружин компенсирует друг друга. Наиболее известный пример использования двойной пружины — турбийоны H. Moser & Cie и Laurent Ferrier. Изготовлением пружин занимались в Precision Engineering (дочерняя компания Moser).

Как положение часов влияет на точность хода

Крупным планом: H. Moser & Cie Endeavour Tourbillon Concept, оснащенный двумя пружинами, помещенными в клетку турбийона

Стабильный баланс

Даже если детали механизма идеально изготовлены и точно сопрягаемы, зачастую ручная регулировка часовым мастером всё равно необходима. Только так можно обеспечить правильную частоту колебаний колеса баланса – в этом и состоит суть регулировки.

Практически все механические часы сконструированы таким образом, что требуют настройки частоты осциллятора. Два наиболее распространенных способа точной настройки частоты — это использование регулятора скорости пружины или переменного баланса инерции. В теории оба метода должны давать одинаковые результаты при условии, что всё сделано правильно.

Регулятор — это наиболее распространенный традиционный способ, который реализуется как в самых недорогих, так и в премиальных наручных часах. Он состоит из двух маленьких штифтов, меняющих активную длину пружины.

Как положение часов влияет на точность хода

Современный калибр Omega 321 Chronograph с индексом регулятора, обозначенного шкалой А-R (сокращенно от фр. avancé — продвижение вперед, retard — замедление)

Как положение часов влияет на точность хода

На указателе регулятора видны два латунных ограничителя

Эти параллельные штифты, еще называемые булавками, не соприкасаются с пружиной, но позволяют ей беспрепятственно «дышать» и пружинить при распускании и сжатии.  Более короткая волосковая пружина – биение убыстряется, более длинная — замедляется.

Расстояние между штифтами должно быть отрегулировано таким образом, чтобы они располагались строго параллельно друг другу. В противном случае часы будут более подвержены позиционной ошибке. Если, к примеру, штифты погнулись, пружина начнет соприкасаться с ними в позициях «циферблат вверх/вниз».

Переменный баланс инерции (или регулируемый баланс массы) — это более сложный способ настройки частоты. Как правило, его применяют в часах более высокого класса, таких как Rolex Microstella и Patek Philippe Gyromax. Тем не менее, технология постепенно распространяется и на сегмент более доступных часов, таких как, например, Tudor. Эта марка оснащает свои модели мануфактурными механизмами, будучи при этом, как часто бывает, дочерней компанией Rolex.

Как положение часов влияет на точность хода

Rolex Microstella

Как положение часов влияет на точность хода

Баланс Gyromax внутри механизма Patek Philippe CH 27-70 Q. Модель с референсом 3970

Регулируемый баланс массы не оснащен регулятором, вместо него в качестве опоры используются гирьки или винты, прикрепленные к ободу баланса, – для обеспечения регулировки. Маленькие винты (гирьки) вращают, настраивая скорость механизма. Смещение их наружу увеличивает инерцию баланса, что приводит к замедлению хода, и наоборот. Отличный пример, демонстрирующий этот процесс, — фигурное катание. Фигурист будет вращаться медленнее, если его руки расставлены, поскольку в таком положении сила инерции возрастает.

Как положение часов влияет на точность хода

Регулируемый баланс массы в механизме Tudor MT5813 Сhronograph, установленном в Breitling 01

Поскольку они не имеют регуляторных штифтов, и волосковая пружина свободно дышит, их также называют свободно подпружиненными весами. Теоретически они менее подвержены возникновению позиционной ошибки в сравнении с регулятором, поскольку пружина не сможет столкнуться со штифтами регулятора из-за силы тяжести.

Однако на практике хорошо отрегулированный баланс регулятора будет работать так же, как и переменный инерционный.  

Прогресс не остановить

Точность хода часов не возникает сама по себе – этому параметру уделяется огромное внимание. Со временем она будет неизбежно ухудшаться, следовательно, часам потребуется обслуживание. Должный и своевременный уход обеспечит отменный хронометраж на протяжении долгих лет.

При ежедневной носке механизм часов испытывает постоянную эксплуатационную нагрузку, а временами даже сильные потрясения. Но даже несмотря на это часам удается показывать нам точное время. Это ли не свидетельство великих достижений инжиниринга?

Базовым концепциям часового искусства уже несколько веков, но они продолжают совершенствоваться: улучшаются производственные методы, используются современные материалы. И появление кремниевых пружин — лучшее тому свидетельство.