Введение

Спиральная торсионная пружина из металлической ленты, используемая в качестве источника энергии в механических часах и часах. Роман 2007 года Джей Лейка.

Основная пружина – это спиральная торсионная пружина из металлической ленты, как правило, из пружинной стали, используемая в качестве источника энергии в механических часах, некоторых часах и других часовых механизмах. Завод часов, осуществляемый поворотом ручки или ключа, накапливает энергию в основной пружине, сжимая спираль. Затем сила основной пружины приводит в движение колеса часов по мере ее раскручивания, до тех пор, пока не потребуется следующий завод. Термины "с заводным механизмом" и "работающие от пружины" относятся к механизмам, приводимым в действие основной пружиной, к которым также относятся кухонные таймеры, метрономы, музыкальные шкатулки, заводные игрушки и часовые радиоприемники.

Операция

Основная пружина скручивается вокруг оси, называемой арбор, с внутренним концом, зацепленным за неё. Во многих часах наружный конец прикреплен к неподвижной стойке. Пружина наматывается поворотом арбора, а после намотки её сила вращает арбор в обратную сторону, приводя часы в движение. Недостатком такой открытой конструкции пружины является то, что во время намотки движущая сила пружины отключается от часового механизма, из-за чего часы могут остановиться. Этот тип часто используется в будильниках, музыкальных шкатулках и кухонных таймерах, где не критично, если механизм остановится во время намотки. Механизм намотки всегда оснащен храповиком с защелкой (называемой часовщиками кликом), предотвращающей раскручивание пружины. В конструкции, используемой в современных часах, называемой барабаном, основная пружина скручивается вокруг арбора и помещается внутрь цилиндрического корпуса – барабана, который может свободно вращаться. Пружина прикрепляется к арбору внутренним концом, а к барабану – наружным. Крепления представляют собой небольшие крючки или выступы, к которым пружина прикрепляется через квадратные отверстия на концах, что позволяет легко её заменять. Основная пружина наматывается поворотом арбора, но приводит в движение часовой механизм уже барабан. Такая конструкция позволяет пружине продолжать питать часы во время намотки. Намотка часов вращает арбор, который сжимает основную пружину, плотнее наматывая её вокруг арбора. На арборе закреплен храповик с кликом, предотвращающим раскручивание пружины и вращение арбора в обратную сторону. После намотки арбор остается неподвижным, а усилие пружины вращает барабан, на котором имеется кольцо зубьев. Оно зацепляется с одной из шестерен часов, обычно с зубчатым колесом центрального колеса, и приводит в движение колесную цепь. Барабан обычно совершает один оборот каждые 8 часов, поэтому обычной 40-часовой пружине требуется 5 оборотов для полного разматывания.

Опасности

В пружине много энергии. Если при разборке не соблюдать меры предосторожности, пружина может внезапно освободиться, что может привести к серьезным травмам. Перед обслуживанием пружины аккуратно "разжимают", отводя фиксатор при удержании заводного ключа, позволяя пружине медленно раскручиваться. Однако даже в "разжатом" состоянии пружины сохраняют опасное остаточное напряжение. Часовщики и мастера по ремонту часов используют специальный инструмент – "заводной механизм для пружин" – для безопасной установки и снятия пружин. Большие пружины в часах фиксируются "зажимами для пружин" перед извлечением.

История

Основные пружины появились в первых часах с пружинным заводом в Европе в XV веке. Они заменили груз, подвешенный на веревке, обернутой вокруг шкива, который был источником энергии, использовавшимся во всех предыдущих механических часах. Около 1400 года спиральные пружины начали использоваться в замках, и многие ранние часовщики также были слесарями. Пружины стали применять в часах, чтобы сделать их меньше и более портативными, чем предыдущие часы с гиревым заводом, что привело к созданию первых карманных часов к 1600 году. Многие источники ошибочно приписывают изобретение основной пружины нюрнбергскому часовщику Петеру Хенлейну (также известному как Хенле или Хеле) около 1511 года. Однако многочисленные упоминания в источниках XV века о портативных часах «без грузов» и по крайней мере два сохранившихся экземпляра свидетельствуют о том, что часы с пружинным заводом существовали уже в начале этого века. Самыми старыми сохранившимися часами, работающими от основной пружины, являются Бургундерур (Burgunderuhr) – богато украшенные, позолоченные комнатные часы, которые в настоящее время находятся в Германском национальном музее в Нюрнберге. Их иконография позволяет предположить, что они были изготовлены около 1430 года для Филиппа Доброго, герцога Бургундского. и Блейки.

Стэкфрид

Стекфред представлял собой эксцентричный кулачок, установленный на оси главной пружины, с роликом, подпружиненным для прижатия к нему. Кулачок имел форму спирали, так что в начале хода, когда главная пружина оказывала сильное давление, пружина прижималась к широкой части кулачка, создавая значительное противодействие, а по мере ослабления силы главной пружины, пружина прижималась к более узкой части кулачка, и противодействие также уменьшалось. Стекфред создавал значительное трение и, вероятно, существенно сокращал время работы часов; он использовался лишь в некоторых немецких часах и был отменен примерно через столетие.

Огнетушитель

Физиолом был значительно более долговечной инновацией. Это был конусообразный шкив, приводимый в движение цепью, обернутой вокруг барабана пружины. Его изогнутая форма непрерывно изменяла передаточное отношение механизма, чтобы выравнивать силу пружины по мере ее раскручивания. Физиолы стали стандартным способом получения постоянного крутящего момента от пружины. Они использовались в большинстве часов и часов с пружинным заводом с момента их появления и до 19-го века, когда их вытеснил барабан хода, а также в морских хронометрах до 1970-х годов.

Работа с остановкой

Еще одним ранним устройством, помогавшим выравнивать силу пружины, были стопворки или ограничители завода, которые предотвращали полный завод пружины и ее полное раскручивание. Идея заключалась в использовании только центральной части "кривой крутящего момента" пружины, где ее сила оставалась более постоянной. Наиболее распространенной формой являлась Женевская остановка, также известная как "мальтийский крест". В современных часах стопворки больше не нужны.

Ремонтный

Четвертым устройством, использовавшимся в некоторых прецизионных часах, был ремонтуар. Это была небольшая вспомогательная пружина или груз, который приводил в действие спусковой механизм часов, а сам периодически перезаводился основной пружиной. Это изолировало ход часов от неравномерной силы основной пружины.

Вперед , барабан !

Современный двигательный бочок, изобретенный в 1760 году Жаном Антуаном Лепином, обеспечивает постоянную силу за счет использования более длинной, чем требуется, главной пружины, скрученной под напряжением внутри бочки. В процессе работы используется лишь несколько витков пружины одновременно, а остальная часть прижата к внешней стенке бочка. Математически, это создает "плоский" участок на графике крутящего момента пружины (см. график), и используется именно этот участок. Кроме того, внешний конец пружины часто загибают в обратную сторону, придавая ей S-образную форму. Это позволяет накапливать большее напряжение во внешних витках пружины, которое доступно к концу хода. В результате бочок обеспечивает приблизительно постоянный крутящий момент на протяжении всего расчетного времени работы часов; крутящий момент не уменьшается, пока главная пружина почти не разрядится. Внутреннее напряжение пружины в двигательном бочке делает его опасным для разборки даже в расслабленном состоянии.

Неисправность главных пружин

Поскольку они подвергаются постоянным циклам напряжения, до 1960-х годов основные пружины обычно ломались от усталости металла задолго до других деталей часов. Их считали расходным материалом. Это часто происходило в конце процесса завода, когда пружина наматывалась максимально плотно вокруг оси, без зазора между витками. При ручном заводе легко неожиданно достичь этой точки и создать избыточное давление на пружину. Другой причиной были изменения температуры. Если часы полностью заводили вечером, а ночью температура падала, то при отсутствии зазора между витками тепловое сжатие длинной пружины могло привести к её отсоединению от креплений с одного конца. В прежние времена часовые мастера отмечали, что смена погоды вызывала резкий приток часов с поломанными пружинами. Поломанные пружины были наиболее частой причиной ремонта часов до 1960-х годов. С тех пор, благодаря упомянутым выше улучшениям в металлургии пружин, поломки пружин стали редкостью.

"Клокотать" или "банкинг"

Даже если основные пружины не были склонны к поломке, чрезмерное усилие при заводе вызывало другую проблему в ранних часах, известную как "стук" или "подскок". Если после завода в пружине оставалось очень мало свободного хода ("перезавод"), давление последнего оборота головки завода создавало чрезмерное напряжение на конце пружины, которое фиксировалось последним щелчком храповика. В результате часы работали с избыточным усилием в течение нескольких часов, пока это дополнительное напряжение на конце пружины не ослабевало. Это приводило к тому, что балансовое колесо вращалось слишком сильно в обе стороны, из-за чего импульсный штифт на колесе ударялся о заднюю часть вилочных рогов. Это заставляло часы спешить и могло сломать импульсный штифт. В старых часах это предотвращалось с помощью "стоп-устройства". В современных часах это предотвращается конструкцией "клика" с некоторым "люфтом" (задним ходом), позволяющим оси вращаться назад после завода примерно на два зубца храповика, чего достаточно для снятия избыточного напряжения.

Двигательная или охранная труба

Около 1900 года, когда поломки пружин часов были более распространенной проблемой, в некоторых карманных часах использовалась модификация барабана хода, известная как моторный или безопасный барабан. Главные пружины обычно ломались в месте крепления к оси, где изгибающие напряжения наиболее сильны. Когда пружина рвалась, внешняя часть отскакивала назад, и импульс вращал барабан в обратном направлении. Это создавало значительную нагрузку на деликатный колесный механизм и спусковой механизм, часто приводя к поломке осей и камней. В моторном барабане функции оси и барабана были обращены по сравнению с барабаном хода. Барабан заводил главную пружину и вращал ось для привода колесного механизма. Таким образом, в случае обрыва пружины, разрушительный отскок барабана воздействовал бы не на колесный механизм, а на механизм завода, который был достаточно прочным, чтобы выдержать это.

Защитный шарик

Защитная шестерня (или зубчатое колесо) была альтернативным средством защиты, используемым вместе с барабаном (или движущимся стволом). В ней центральная колесная шестерня, с которой зацепляется шестерня барабана, крепилась к своему валу с помощью резьбы с обратным ходом. Если пружина обрывалась, обратный откат барабана, вместо того чтобы передаваться на зубчатую передачу, просто откручивал шестерню.

Миф о "перегрузке"

Часы и часовые механизмы часто обнаруживаются остановленными с полностью накрученной пружиной, что породило миф о том, что полный завод пружинного механизма может его повредить. Существует несколько причин, которые могут привести к подобной поломке, но она никогда не вызвана "перезаводом", поскольку часовые механизмы сконструированы таким образом, чтобы выдерживать полный завод. Внешний конец главной пружины крепится не к барабану, а к круговой пружине расширения, называемой уздечкой, которая прижимается к внутренней стенке барабана, имеющей насечки или выемки для фиксации. Во время обычного завода уздечка удерживается на барабане силой трения, позволяя пружине накручиваться. Когда главная пружина достигает максимального напряжения, её усилие становится больше, чем сила удержания уздечки. Дальнейшее вращение осного вала приводит к проскальзыванию уздечки по барабану, предотвращая дальнейший завод. В терминологии часовых компаний это часто ошибочно называют "неразрушаемой пружиной".

"Устаревшие" или "застроенные" пружины

После десятилетий использования основные пружины в старинных часах обнаруживаются слегка деформированными и теряющими часть своей силы, становясь "уставшими" или "ослабленными". Это состояние чаще всего встречается в пружинах, установленных в бочках. Оно приводит к уменьшению времени хода между заводами. При обслуживании основная пружина должна быть проверена на предмет "усталости" и заменена при необходимости. Британский институт часового дела предлагает следующие тесты: в бочке основной пружины, когда она размотана и расслаблена, большинство витков исправной пружины должны быть прижаты к стенке бочки, а лишь 1 или 2 витка спирально располагаться в центральном пространстве для крепления к оси. Если в центре свободно более 2 витков, пружина может быть "уставшей"; при 4 или 5 витках она определенно "уставшая". При извлечении из бочки, если диаметр расслабленной пружины, лежащей на плоской поверхности, меньше чем в 2,5 раза превышает диаметр бочки, она "утомлена".

Показатель резерва хода

Некоторые часы высокого класса имеют дополнительный циферблат на лицевой стороне, показывающий остаточный запас энергии в основной пружине, обычно градуированный в часах автономной работы. Поскольку и ось, и барабан вращаются, этот механизм требует дифференциального механизма, который измеряет разницу в повороте оси относительно барабана.