Точность хода и компромиссы в архитектуре механизмов: подробный анализ

Энергия и пространство

Автор: Tim Lake

Часовая индустрия, особенно премиального сегмента, прилежно хранит свои секреты. Она чтит традиции и придерживается обычаев вот уже несколько поколений: например, использует пегвуды (pegwoods) при полировке скосов часовых мостов, обозначает римскую цифру «IV» как «IIII» и т.д.

Эта приверженность всегда определялась ключевой целью — неустанно улучшать точность хронометража. Так называемые «обсерваторные гонки», определявшие самые точные часы, всегда стимулировали индустрию на создание более совершенных и надежных механизмов.

Без малого четыре сотни лет стремление к улучшению точности было главным принципом в развитии часового дела. Американский экономист Дэвид С. Ландес пишет в своей книге: «Качество часов во все времена измерялось их точностью» («Революция во времени: часы и производство современного мира», прим. автора).

Omega, калибр 47.7 — хронометр для обсерваторных испытаний на точность. Заводной барабан и балансовое колесо занимают большую часть площади механизма

Вот уже 50 лет как механические калибры сдали свои позиции электронным собратьям. Однако остались мануфактуры, чтущие многовековые традиции часового искусства. Из года в год они улучшают свои механизмы, доводя их до совершенства. Именно в этом состоит их превосходство над производителями массовой механики.

В этой статье я хочу подробно осветить подходы разных часовых компаний к созданию механических калибров. Цель – определить, кто из них выпускает самые точные хронометры, а также оценить, насколько сертификация COSC объективна в условиях повседневной носки часов.

Анализ

Используя общедоступную информацию, мы собрали данные об инерции балансового колеса, частоте полуколебаний в час, амплитуде и запасе хода 43 часовых механизмов. В нашу выборку попали самые разные калибры: от крупного Kerbedanz KRB-08 с его 27-миллиметровой центральной клеткой турбийона до тонкого автоматического RMXP1 с микро-ротором (от Vaucher), помещенного внутрь RM 33. Также мы разберем всем известные калибры Rolex 3135, Omega 8500, Jaeger-LeCoultre 899 и ETA 2892.

Опираясь на «Теорию часового искусства» от WOSTEP (обучающая программа часовщиков в Швейцарии), мы рассчитали:

• величину балансовой мощности (это величина, присутствующая в колебательном балансе, выполняющая также функцию инерции, амплитуды и частоты);
• мощность, передаваемую на баланс (это величина, необходимая для поддержания колебаний баланса).
  
  

Это соотношение известно как «Q» — доля потери энергии при трении в балансе. Например, Q = 300 означает, что 1/300 силы баланса теряется при каждом колебании. Чем выше «Q», тем лучше.

Произведенные нами расчеты позволили оценить уровень мощности, переданной главной пружиной. Это, в свою очередь, помогло понять причины, по которым конструкторы принимали те или иные решения при создании механизма.

Также стоит отметить, что хронометрические характеристики зависят от множества факторов, а не только от мощности осциллятора. Ключевой момент — это последовательность поступления движущей силы от главной пружины. Среди прочих немаловажных факторов: качество сборки и регулировка, чистовая обработка, выбор материалов, использование свободного подпружиненного баланса, а также изохронность волосковой пружины. Все перечисленные мною факторы оказывают непосредственное влияние на точность хода часов в процессе эксплуатации.

Проведенный анализ показывает, какие компании на этапе создания механизма нацелены исключительно на высокую точность хода, а какие довольствуются достаточно хорошей.

Мощность баланса: что это?

Мощность баланса пропорциональна инерции баланса, соответствует амплитуде в квадрате и, что наиболее важно, частоте колебаний в третьей степени.

Показатель «Q» обычно находится в диапазоне от 200 (для вертикальных положений) до 300 (для горизонтальных положений), составляя в среднем 250. Механизмы Breguet достигают исключительного числа 650 благодаря магнитным шарнирам, исключающим трение (модель Classique Chronometrie 10 Hz 7727).

Уравнения:

Следующий пример мы приведем на базе «рабочей лошадки» Rolex 3135. Исходные данные: баланс 15 мг/см², амплитуда 320°, частота колебаний 4 Гц, оценка Q = 300.

Все вышеприведенные расчеты представлены на графике ниже.

Мощность баланса (микроватты), ось Х: Запас хода (часы)

Анализ мощности баланса и запаса хода был осуществлен на базе 42 (из 43) механизмов. Калибр Harrison Н4 был исключен по причине полного несоответствия параметрам конкурентов.

Компромисс

Наиболее важный вывод, который мы можем сделать на основе проведенного анализа, состоит в следующем: для постоянного количества энергии, находящейся в данном пространстве, мощность баланса и запас хода изменяются обратно пропорционально по отношению друг к другу.

Другими словами, увеличивая одну величину, следует уменьшать другую. Это фундаментально важное соотношение, которое наглядно демонстрирует нам, на какие компромиссы приходится идти инженерам, чтобы обеспечить больший запас хода, чтобы оправдать высокие потребительские ожидания.

Часы с высокой точностью хода, но маленьким запасом хода имеют все шансы остаться невостребованными. Людям нужен этот запас мощности. Именно поэтому часовым компаниям проще предложить 100-часовую автономность, чем объяснять преимущества точности хода, за счет улучшенной на несколько микроватт мощности баланса.

И по мере того, как увеличивался среднестатистический запас хода, возрастали и ожидания потребителей. И сегодня, когда компания выпускает новый механизм с запасом хода менее 50 часов, она обязательно столкнется с критическими замечаниями в духе: «Неужели в 2019 году бренд не в состоянии выпустить калибр с увеличенным запасом хода?»

Конечно, он может. Но компания приняла решение направить больше энергии на баланс, чтобы повысить параметры точности.

Поэтому, когда вы видите часы с большим запасом хода, следует понимать, что этот «бонус» не берется из ниоткуда. Помещая механизм в весьма ограниченное пространство, инженеры просто вынуждены идти на компромисс, забирая энергию, которая могла улучшить точность часов.

Именно поэтому сертифицированные хронометры с увеличенным запасом хода — большая редкость. Бренды, у которых внутренние стандарты точности куда более строгие, нежели в COSC (те же Omega и Rolex), предлагают более скромную автономность, не выходящую за пределы 72 часов.

Показатели точности для 43 механизмов взяты из общедоступных источников. Показатели инерции для Bulgari и Zenith указаны приблизительно. Калибры с высокой точностью отмечены светлыми ячейками, по мере снижения точности цвет темнеет.

Резюмируем данные

Глядя на приведенную нами таблицу, невозможно не восхититься исключительной мощностью баланса калибра 574DR. Именно этим механизмом оснащена знаменитая версия Breguet Classique Chronometrie 7727, работающая на впечатляющей частоте в 10 Гц. Этот показатель на 72% выше, чем у Richard Mille RM 031 с высокочастотным балансом и прямым импульсным спуском хронометра. К слову, стоит он почти в 25 раз дороже Breguet. Удивительно, сколь высоких результатов можно добиться при помощи магнитных стержней и двойных кремниевых пружин.

Мы, конечно, могли бы усомниться в объективности нашего анализа, не опубликуй Breguet эти цифры при выпуске калибра 574DR в 2013 году. Вне всяких сомнений, центральная клетка турбийона Kerbedanz технически занимает первое место. Что не удивительно, ведь своей впечатляющей мощности баланса он достигает за счет внушительных размеров корпуса (диаметр 49 мм против 41-миллиметрового у Breguet).

Балансовый мост, удерживающий магнитные стержни; кремниевая волосковая пружина и спусковой механизм. Breguet cal. 574DR

В последнее время наметилась новая тенденция: практически друг за другом вышли калибры Omega 8500, Rolex 3135, Jaeger-LeCoultre 975 и новый Audemars Piguet 4400 (хронограф Code 11.59). Эти механизмы стали своего рода заявлением брендов о наступлении новой эпохи суперточных часов. Что ж, радостью наблюдаем за гонкой победителей.

В первой десятке приведенной нами таблицы уверенно расположились тонкие механизмы BVL138 (модель Bulgari Octo Finissimo) и RMXP1. Они сознательно пожертвовали хронометражным потенциалом ради изящных форм. Налицо тот самый компромисс.

Изящный механизм BVL138

Жажда скорости

Амплитуда для традиционной балансовой пружины ограничена, ее нижний порог начинается с 220 градусов. Это обусловлено необходимостью выдержать позиционные характеристики на должном уровне. Верхняя граница – показатель в 350 градусов, и превышение чревато перегрузками, о чем мы поговорим далее. Принимая во внимание эти данные, можем сделать вывод, что инерция и частота колебаний — одни из наиболее значимых переменных.

Инженеры достигают необходимой мощности баланса двумя способами: посредством медленного и тяжелого балансира, либо напротив – облегченного, но с высокой частотой колебаний. Фактически они вынуждены выбирать между частотой и инерцией.

Еще один момент, который инженеры обязаны учитывать — это показания, полученные во время испытаний. Однако и здесь не всё так просто. Тестирование в зафиксированном положении или даже на симуляторе движения не дает объективной картины, так как реальный процесс носки более непредсказуемый для механизма часов. Создать условия абсолютно аналогичные эксплуатационным в лаборатории невозможно.

Занятия спортом, аплодисменты, встряхивания и любые активные движения запястьем, даже мелкие, так называемые «офисные» встряски корпуса от регулярного соприкосновения со столом – всё может негативно сказаться на колебаниях балансового колеса.

Чтобы получить наиболее точное представление о величине механического резонанса и его влиянии на механизм, мы решили провести эксперимент. Для двух калибров (на 3 и 4 Гц) мы воссоздали условия, максимально приближенные к реальным, – вращения и поднятия руки в локте. Весь процесс был заснят со скоростью 30 кадров в секунду.

На оси Y отображены отклонения скорости за 8-секундный период. Механизм с частотой 3 Гц показал скачки возможной ошибки до 900 минут в день на одно колебание. Возникает резонный вопрос: как это возможно компенсировать?  Ведь погрешность (за 8 секунд) составила 0,16 секунды, а это около 29 минут в сутки.

Механизм с частотой 4 Гц показал лучший результат: 13 минут за сутки.

Механизм с частотой 3 Гц показал высокие мгновенные отклонения скорости (потенциальную погрешность), которые может вызвать движение руки.  У калибра на 4 Гц результат в два раза лучше.

Возникает вполне закономерный вопрос: а возможно ли достичь идеального сочетания инерции и частоты колебаний? Запястье человека — это динамическая среда. Компенсировать ее влияние может только одно: сочетание данного уровня мощности с более высокой частотой. Это бы решило проблему погрешности.

Как это можно решить:

1. Чем выше угловая скорость колеса баланса, и чем ниже его инерция, тем меньше влияние любого движения запястья.
2. Желательно, чтобы естественная частота колебаний баланса значительно превышала естественный диапазон движений запястья, не создавая механического резонанса.
   
   

Конечно, такой подход идет вразрез с традиционным убеждением о том, что медленное, тяжелое колесо баланса предпочтительнее легкого и быстрого. Но необходимо учитывать тот факт, что большая часть традиционной сертификационной хронометрии — это продукт эпохи обсерваторных соревнований (в Невшательской, Женевской и др.). Они применимы к механизмам, пребывающим в статическом положении, а не в условиях динамического окружения.

Именно поэтому исторические «обсерваторные» механизмы, такие как Peseux 260 и Zenith 135, почти всегда оснащались большими и тяжелыми балансирами. Этот подход периодически реализуется и в современных калибрах, как например, в модели Voutilainen cal. 28.

Огромное колесо баланса модели Voutilainen cal. 28

В статических условиях испытаний более низкая частота колебаний давала явные преимущества. Как правило, это и более низкие углы подъема баланса и отрыва, а также снижение потерь энергии на трение при спуске.

Но на запястье правила игры меняются из-за динамической составляющей. Реальность настойчиво говорит нам о том, что более высокая скорость предпочтительней при прочих равных условиях. Большие колеса баланса, безусловно, выглядят впечатляюще, но законы физики не отменить.

Отличным примером, демонстрирующим этот принцип в действии, стал новый калибр L155.1 от A. Lange & Söhne, представленный в спортивных часах Odysseus. Это первый калибр немецкой мануфактуры, работающий на частоте 4 Гц. Прежние механизмы работали на 3 Гц и даже менее. Очевидно, компания серьезно нацелена на спортивный сегмент.

При том же объеме пружинного цилиндра, что и в калибре L086.1, на базе которого он был создан, L155.1 показал увеличение балансовой мощности на 44%. Достигли этого благодаря перераспределению энергии: сокращен запас хода (с 72 до 50 часов) и установлен осциллятор с большей частотностью. Это позволило лучше стабилизировать движение балансового колеса в случае активной внешней динамической среды (во время спортивных соревнований).

Новый калибр L155.1 от A. Lange & Söhne. Первый механизм в линейке, работающий на частоте 4 Гц

Итак, с движениями запястья в диапазоне от 1 Гц до 6 Гц и механизмами с частотой от 2,5 Гц до 5 Гц ситуация ясна. Но что же сдерживает частоту колебаний? Почему ее нельзя сделать выше? Дело в том, что с ростом скорости мощность, затраченная на процесс трения, также резко возрастает. Это значит, что сила, передаваемая зубчатой передачей, становится еще больше, потому что энергия устремляется через анкерную вилку к колесу баланса.

Влияние инерции анкерного колеса увеличивается (одновременно с ней изнашивается зубчатая передача). Это негативно сказывается на продолжительности запаса хода, который ожидаемо снижается.

Увеличение скорости требует принципиально новых подходов: изменения геометрии спуска, материалов с низким коэффициентом трения, использования магнитных подшипников. Яркий пример — кремниевый осциллятор в Zenith Defy Inventor.

Трение и спуск

Говоря об энергии, мы всегда должны помнить и о силе трения. Ведь в механических часах больше всего энергии потребляет спусковой механизм. Широко распространенный швейцарский рычажный (анкерный) спуск обладает массой положительных качеств, которые сделали его столь востребованным в наручных часах. Но при большом скольжении он всегда показывает низкую механическую эффективность.

В процессе подготовки материалов для этой статьи мы обнаружили довольно ощутимую разницу в показателях механической эффективности: от 25% до 50%. И это данные из официальных источников и крупных мануфактур.

Мы пришли к выводу, что такое различие в цифрах может быть связано с тем, что на практике фактическая эффективность рычажного спуска будет со временем уменьшаться по мере испарения смазки.

Проводя анализ, мы решили использовать для основного рычага усредненное значение — 40%. То есть, от общего объема энергии, которая достигает спускового механизма, только 40% передается на балансовое колесо.

В попытках улучшить этот показатель компания Rolex недавно представила собственную конструкцию рычага с измененной геометрией, использованного в новых калибрах 32xx. Компания утверждает, что новый механизм, названный спуском Chronergy, на 15% более эффективен, чем традиционный швейцарский рычаг.

С другой стороны, прямые или радиально-импульсные спуски (коаксиальные, стопорные, двойное спусковое колесо) куда более эффективны при передаче энергии от спускового колеса к балансу.

Часовые мастера, использующие эти типы спусков, как правило недооценивают их преимущества. Часто механизм в его первозданном виде «скачет», издавая характерный звук, пока часовщик не поймет, что необходимо уменьшить жесткость ходовой пружины или увеличить инерцию балансового колеса.

Двойное спусковое колесо Charles Frodsham

Эти вибрации, называемые «галопом» и «стуком», вызваны объективными причинами: импульсный камень на оси баланса получает от анкерной вилки такое количество энергии, что вращается по всей своей длине пока не столкнется с задней частью вилки (амплитуда достигает величины порядка 350 градусов).

В рамках нашего анализа мы оценили эффективность данных типов спусковых механизмов в 53%. Они объективно обладают более высокой механической эффективностью, которая не уменьшается со временем.

Понятие хорологической плотности

Больший диаметр и более толстый механизм подразумевают увеличенный заводной барабан и балансовое колесо. С целью свести все это воедино мы вычислили показатель, который назвали «Фактор Хорологической Плотности» (HDF).

Полученный показатель помогает определить, какие механизмы наиболее эффективны в плане обеспечения энергии из расчета на единицу объема калибра. График, приведенный ниже, показывает, какие компании оптимально использовали имеющееся пространство (не важно, с целью увеличить запас хода или дать больше мощности балансу). Таким образом, нам становятся понятнее мотивы производителей.

Значения HDF калибра варьируются в десятки раз в зависимости от механизма

Помимо великолепных Breguets на верхних позициях расположились сертифицированные хронометры от Omega и Rolex. Из первой десятки только два механизма (Jaeger-LeCoultre 877 и Panerai P.2002) обладают восьмидневным запасом хода. Примечательно также, что скромный калибр ETA 2892 вошел в список лучших.

Разница между самыми высокими и самыми низкими показателями соответствует соотношению 20:1 (для сравнения: диапазон энергии пружины составляет 170:1). Причина исключительных характеристик механизмов Breguet (один из которых — fly-back хронограф) – это высокий показатель «Q» балансового колеса. Низкие значения «Q» всегда требуют больше энергии для пружины (и, таким образом, больше места), что всегда ускоряет износ трансмиссии.

Что же насчет механизмов, занявших самые низкие позиции в нашем графике? Всё просто: некоторые компании сделали выбор в пользу эстетики, некоторые пошли на известные жертвы из-за технических причин.

Отличный пример – марка F.P. Journe. В калибре 1304 (модель Chronometre Souverain) двойные цилиндры расположились весьма вольготно. Но наличие свободного пространства обусловлено эстетическими соображениями.

Очевидно, если бы целью инженеров была максимальная производительность, то механизм работал бы на частоте 4 Гц. Его бы оснастили балансовым колесом, занимающим всю площадь от оси центрального колеса до корпуса, а пружины баланса были бы куда большего размера.

Однако будь это действительно так, создание механизма без видимой связи между заводными барабанами и балансовым колесом не имело бы никакого смысла.

Механизм F.P. Journe cal. 1304: эстетическая прихоть, ограничивающая потенциальные возможности

Еще один интересный пример: Jaeger-LeCoultre Duomètre Chronographe. Этот поистине уникальный механизм оснащен двумя источниками энергии: один — для зубчатой передачи текущего времени, второй — для хронографа.

Цель этого решения состоит в том, чтобы повысить точность, предотвратив изменения амплитуды, что обычно и возникает при запуске и остановке хронографа. Но не всё так гладко, как хотелось бы. Снижение мощности баланса (а именно это происходит в данном случае) несет более серьезные негативные последствия, нежели отрицательный эффект от кратковременных амплитудных колебаний.

Duomètre Chronographe cal. 380 с двумя заводными пружинами: для хронометража и для хронографа, что ограничивает потенциал обоих

Турбийон – это свидетельство высокого мастерства или обуза для механизма?

Когда речь идет о турбийонах, необходимо учитывать дополнительные потери энергии из-за трения и инерции клетки.

В рамках этого анализа мы изначально оценивали объемы потребляемой турбийоном энергии в 10%. Как видите, мы были слишком консервативны. И несмотря на то, что производители склонны ассоциировать турбийоны с высокой точностью, есть нюансы, которые вызывают немало скепсиса.

• Во-первых: клетка турбийона занимает ценное пространство, которое можно было бы использовать куда эффективнее. Например, увеличить колесо баланса.
• Во-вторых: инерция клетки поглощает энергию, которую можно было бы потратить на поддержание инерции балансового колеса или повышение частоты колебаний.
  
  

Наглядный пример – Jaeger-LeCoultre. Калибр 975 с фиксированным спуском оснащен балансом с показателем инерции 14 мг.см², в то время как калибр 978 (аналогичный, но оснащенный турбийоном) показывает инерцию 11,5 мг.см².

Пример демонстрирует, что клетка турбийона может потреблять до 20% от общей энергии механизма. И даже больше, поскольку амплитуда балансового колеса в турбийонах часто менее 300 градусов.

Когда дело доходит до уменьшения инерции самой клетки турбийона, такие бренды, как Jaeger-LeCoultre и De Bethune добились огромных успехов. Но по определению турбийоны всегда становятся причиной увеличения инерции и трения, а также требуют уменьшения размера баланса. В отличие от аналогичных моделей с фиксированным спуском.

И хотя не существует никаких сравнительных тестов, на основании которых мы могли бы изучить вышеописанные эффекты, можно сделать определенные выводы, опираясь на опыт компании Omega в обсерваторных соревнованиях 1950-1960-х годов. В 1947 году Omega создала калибр 30I – первый серийно выпускаемый механизм с турбийоном для наручных часов. Он был создан исключительно для ежегодных часовых состязаний в обсерваториях.

Механизмы Omega с фиксированным спуском (в основном из семейства калибров 30Т2) регулярно побеждали в испытаниях, устанавливая новые рекорды точности (1951, 1955, 1959 и 1966 года). Однако новый турбийон, созданный на основе того же калибра, получил признание лишь единожды – на соревнованиях в Женеве в 1950 году.

Механизм Omega 30I с турбийоном

Почему хронометрические характеристики все еще важны

Для коллекционеров, испытывающих ностальгию по былым дням обсерваторных соревнований, нет ничего лучше механизма с высокой точностью. Стремление к идеальной скорости колебания баланса вдохновило поколения часовщиков на разработку выдающихся инноваций. И чтобы оставаться актуальными и востребованными в 21 веке, часовой индустрии (в особенности премиального сегмента) нельзя останавливаться на достигнутом.

Часовые мастера, которые смогут перенести это непреходящее стремление к развитию и совершенствованию на современные наручные часы, создадут аутентичную связь между достижениями прошлого и настоящего.

Ведь недостаточно просто перевыпустить винтажную модель, повторив прежний дизайн. Если механизм не будет соответствовать канонам того времени, часы будут попросту лишены исторической подоплеки.

Кроме того, приверженность фундаментальным принципам хронометража поможет современным часовым мастерам сделать свои механизмы отличными от современных трендовых предметов роскоши.

Карманные часы Patek Philippe с турбийоном дважды принимали участие в женевских обсерваторных состязаниях. В 1929 году они одержали победу, а в 1931 удостоились лишь почетного упоминания

Если мы хотим избежать ситуации, когда всё, что нам остается, — это коллекция винтажных кинетических скульптур с сомнительной точностью, необходимо что-то менять. И подтверждением тому стало прошлогоднее соревнование Concours International de Chronométrie – современного преемника обсерваторных испытаний прошлого века. Объявленное с небывалой помпезностью оно в итоге был отменено, так как участников было... всего один.

Заявление о том, что это международное состязание было изначально некорректным и вводило в заблуждение, так как участие могли принимать только швейцарские марки. Поэтому «международный» следовало заменить на «межкантональный». И это была далеко не единственная уступка предполагаемым участникам. Очевидно, что всё это было предпринято для того, чтобы в случае провала ни один из брендов не потерял лицо.

Ирония состоит в том, что, намеренно отказавшись от честной конкуренции, индустрия стала беднее.

Не единожды было сказано и написано, что точные механические хронометры больше никому не нужны. Большинство из нас сделали выбор в пользу электронных гаджетов, которые периодически синхронизируются с атомными часами, что позволяет им быть гораздо более точными, чем лучшие морские хронометры прошлых лет.

В такой ситуации довольно трудно обосновать преимущества сверхвысокой точности хронометра в сравнении с трендовым дизайном и модными усложнениями.

И тем не менее, самые привлекательные часы — те, которые сочетают в себе искусство и науку, продолжая традиции научных хронологических изысканий. Это отражается не только в механизмах, но и в эстетике дизайна. Вдохновляет и обнадеживает то, что некоторые бренды всё ещё продолжают идти по этому трудному, но увлекательному пути.