Главная Статьи Колесо времени
 

КОЛЕСО ВРЕМЕНИ


текст: Владимир ШПОЛЯНСКИИ, доктор технических наук, профессор


Глядя на миниатюрные зубчатые колесики внутри механизма часов, сложно себе представить что они - частный случай рычага, придуманного Архимедом. Правда, как и все в часах, случай этот уж больно специфический



КРУГЛЫЙ РЫЧАГ


В самом деле, и открывашка для пива, и рукоятка ручной лебедки, и колеса часового механизма выполняют одну и ту же задачу: преобразуют малую силу при большом перемещении в большую силу перемещений малых.


Колеса в часовом механизме почти всегда идут парами: на одной оси закреплены большое колесо и совсем маленькое, называемоетрибом. Если приложить к трибу усилие (рис. 1), то оно передастся на большое колесо, но, в соответствии с законом рычага, уменьшенное во столько раз, во сколько радиус колеса больше радиуса триба. Зато линейная скорость зубьев большого колеса будет во столько же раз выше. В механизме такие пары соединены последовательно: зубья большого колеса входят в зацепление с трибом,сидящее на его оси большое колесо - со следующим трибом и так далее.


Таким образом, система колес, или, как ее называют в часовом деле, колесная передача, способна не просто передать вращение с заводного барабана на стрелки или спуск, но и увеличить/уменьшить скорость вращения. Например, колесная передача обычных механических часов с частотой колебаний баланса в 21 400 пк/час и 12-часовой шкалой решает задачу повышения скорости вращения от барабана пружинного двигателя до оси секундной стрелки в 14 400 раз!


Кстати, упаси вас Бог когда-либо при часовщике назвать колеса шестеренками - это все равно что сказать моряку, что его корабль плавает.


КУДА ДЕВАТЬ КОЛЕСА?


Во всех современных наручных и карманных часах имеются, как минимум, две колесные системы: основная, преобразующая скорость вращения выходного вала спускового регулятора в требуемые скорости вращения стрелок на циферблате часов (так называемый ангранаж), и сервисная (ремонтуар), с помощью которой вращение заводной головки передается на пружинный двигатель и переводятся стрелки. Колесные системы различных календарных устройств являются последовательным продолжением ангранажа, а иные дополнительные устройства - такие как будильник, устройства боя или репетира и т.п. - имеют свои специальные колесные системы.


Теоретически, того множества колес, что мы привыкли видеть в основной колесной системе часов, вовсе не нужно: повысить скорость вращения можно и с помощью всего одной пары «триб-колесо». Вот только диаметр такого колеса будет огромным, в те самые 14 400 раз больше диаметра триба. Поэтому вместо одной пары используют несколько, последовательно повышающих скорость.


При весьма малых размерах колесных пар, которые можно уместить в часы, они способны обеспечивать лишь ограниченную величину передаточного отношения. Так, часовые трибы при диаметрах 1-Змм имеют не более шести зубцов, а колеса - несколько десятков, в силу чего передаточные отношения таких пар не превышают значения 10-12. При таких ограничениях в простейших часах с центральной секундной стрелкой ангранаж содержит не менее 6-8 пар колес, а при наличии различных дополнительных устройств - в два и более раз больше.


И основная проблема создания часов состоит не в высоких требованиях отделки колесных пар, а в необходимости разместить (как говорят проектировщики, «скомпоновать») в весьма малом объеме колесную передачу, во много тысяч раз понижающую (в кварцевых часах) или повышающую (в механических часах) скорость вращения.


Эта проблема усугубляется еще и тем, что примерно половина объема часов занята спусковым регулятором и пружинным двигателем. Стараясь «выжать» из пружинного двигателя максимум энергии, его диаметр делают почти равным радиусу платины механизма, и таким же делают диаметр баланса, чтобы обеспечить максимальное значение его момента инерции при минимально возможном весе (рис. 2).


Часовая колесная пара как рычаг Архимеда Особенность компоновки наручных часов

ЧТОБЫ ЗУБ НА ЗУБ ПОПАДАЛ


Частенько в какой-нибудь заставке на телевизионном канале можно увидеть, как тикает некий похожий на часы механизм. У часовщиков такие заставки вызывают почти ужас: те шестерни, которые показывают по ТВ, имеют отношение скорее к какому-нибудь комбайну, но никак не к часам. Из-за специфики устройства и компактности в часах применяют колеса с особыми профилями зубьев.


В крупногабаритных часах используют так называемый циклоидальный профиль. Циклоида - это кривая, которую описывает точка окружности, если ее катить. Циклоидальное зацепление является лучшим по КПД, ибо при исполнении профиля зубцов триба и колеса строго по форме циклоиды при вращении колесной пары они «обкатывают» друг друга, то есть зубцы триба и колеса при передаче движения катятся один по другому, и их поверхности не проскальзывают, не трутся друг о друга. Благодаря тому что в этом случае нет трения скольжения, а только трение качения, потери энергии в зацеплении сводятся к минимуму.


А обеспечить максимально возможный КПД колесной передачи очень важно. Как уже говорилось, передача состоит из нескольких пар колес. И если, например, каждая пара будет терять всего по 5% энергии (то есть КПД составит 95%), то система из шести таких пар передаст на спуск лишь 73% энергии. С учетом того, что момент, передаваемый на спуск понижается во столько же раз, во сколько повышается скорость (14 400), то потеря почти 30% от этого и без того небольшого момента может оказаться критичной для работоспособности часов.


Профиль циклоидального и часового зацепления

К сожалению, в малогабаритных часах использовать циклоидальное зацепление оказывается невозможно. При массовом производстве нельзя добиться идеально точного изготовления профилей зубьев. А циклоидальная передача очень чувствительна к радиальным зазорам: малейшая неточность в изготовлении зубца или отклонение оси колеса (которое может произойти или из-за неточного изготовления, или в связи с износом деталей в процессе эксплуатации) приводят к резкому увеличению трения между зубцами, а иногда - к заклиниванию передачи и остановке часов.


Преодолеть эту проблему позволяют специально откорректированные зубчатые зацепления, введенные впервые ГОСТ-ом 13678-73 «Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные с часовым профилем». Форма зацепления в такой передаче представлена на рис. 3. Циклоидальный профиль заменен на одноразмерный часовой, состоящий из аппроксимирующих кривых: ножки зубцов очерчены отрезками радиаль-но направленных прямых линий А1А1' и В^В^', а профили головки зубца образованы дугами окружностей D^D^' и D2D2'. Аналогичным образом корректируется и профиль зуба триба. Такое зацепление позволяет колесной передаче устойчиво работать при величине радиальных зазоров до 0,04-0,5 мм, что вполне можно обеспечить в реальном производстве. Кстати, упомянутый выше ГОСТ устанавливает шесть степеней точности зубчатых колес и передач для часов различного качества.


Кроме описанных типовых колес ангранажа в него входят и иные весьма специфические колеса. Прежде всего это барабанное колесо, сформированное непосредственно на внешней боковой поверхности барабана  пружинного двигателя, и храповое колесо устройства, предотвращающего свободное раскручивание пружины.


Барабанное колесо испытывает максимальную силовую нагрузку и подвержено ускоренному износу и разрушению зубцов. Для предотвращения этого ее зубцы усиливают: ножки зубцов выполняют более широкими и все колесо увеличивают по ширине в осевом направлении; это же относится и к храповому колесу пружинного двигателя.


Еще большим разнообразием отличаются ходовые (спусковые) колеса на другом конце ангранажа. Они соединяют спусковой регулятор с ангранажем и взаимодействуют с палетами анкерного хода. Спусковые колеса, в отличие от остальных колес ангранажа, снабжаются, как правило, двухкамневыми опорами со сквозным и накладным камнем (подпятником).


Свои предельные возможности в области изготовления мелкомодульных часовых колес мировой часпром продемонстрировал при выпуске американской фирмой Bulova Watch Co первых камертонных наручных часов Accutron. При диаметре 2,5 мм и толщине 40 микрон первое колесо ангранажа в этих часах имело 300 зубцов храпового профиля; размеры этих зубцов не превышали толщины человеческого волоса! Эти часы, кроме фирмы Bulova, выпускал по их лицензии ряд других американских часовых заводов; партия таких часов была изготовлена на 2-м Московском часовом заводе.


Большинство колес в механических часах делают из латуни, а их оси и трибы - из стали. Пара латунь-сталь дает вполне приемлемый коэффициент трения. Иногда колеса покрывают позолотой, но это делается скорее с декоративными целями, чем с техническими. Кстати, золотят только боковые поверхности колес и никогда - рабочие. А вот снятие фасок, помимо внешнего эффекта, помогает избавиться от мельчайших заусенцев, образующихся после нарезки зубцов.


Изготовление часовых колес относится к наиболее сложным процессам производства, необычайная трудоемкость которого побудила часовщиков средневековья заняться его механизацией. Первые примитивные станки для нарезания зубцов часовых колес были прямыми предшественниками современных зуборезных станков и всего разнообразия сегодняшних токарных и револьверных автоматов.


Сегодня в массовом производстве часовых колес используется автоматическое оборудование и методы «групповых технологий», при которых нарезается одновременно профиль нескольких сотен колес, нанизанных на ось-оправку наподобие кусков шашлыка на шампуре.


Еще более новые и совершенные технологии используются при изготовлении колесных пар кварцевых часов. С одной стороны, здесь все кажется предельно простым: в этих передачах силовые нагрузки на зацепление ничтожны, и износ деталей практически отсутствует. Однако создание надежных и эффективных зубчатых передач для КНЧ-часов является особо сложной проблемой. При столь же микроминиатюрных размерах и столь же больших передаточных числах, что и в механических часах, они должны надежно и с минимальными потерями передавать ничтожную мощность, развиваемую часовым шаговым микродвигателем (порядка 0,000001 Вт). Для того чтобы сдвинуть с места колесную систему КНЧ, обладающую определенной инерционностью и трением покоя, последняя должна обладать весьма малым моментом инерции, а кроме того - высокостабильным и очень малым трением в зацеплении и в опорах. Ведь помимо вращения всех этих колес энергия нужна еще и для основного дела - поворота стрелок.


Наиболее распространенным способом решения этой проблемы сегодня стало изготовление всей колесной системы КНЧ из специального самосмазывающегося пластика. Такой ангранаж не требует дорогих камневых опор, не нуждается в принципиально нестабильной смазке (которая загустевает, растекается, высыхает и т.п.) и в силу гораздо меньшего, по сравнению с металлом, удельного веса такого пластика обладает малым трением в опорах и незначительным моментом инерции.


При таком материале колес эффективно реализуются и задачи их массового дешевого производства. Чаще всего их просто отливают вместе (колесо, триб и ось с цапфами) на высокопроизводительных центробежных литьевых машинах.


Начинает привлекаться для их изготовления и широкий спектр современных высоких технологий от гальванопластики до травления керамической подложки с защитным фотошаблоном и т.п.


ЗУБЫ ДЛЯ СПЕЦСЛУЧАЕВ


В заключение остановимся кратко на особенностях колесных пар сервисной колесной системы наручных часов, которая служит для ручного перевода стрелок, а в механических наручных часах еще и обеспечивает ручной завод пружины. Помимо обычных колесных пар, сервисные колесные системы содержат и специальные пары весьма специфической формы и конструкции, необходимые для выполнения ремонтуаром своих функций.


На рис. 4 изображены наиболее распространенные представители двух основных видов этих колесных пар: пара конических колес (рис. 4а) и пара коронных колес (рис. 46).


Первая из них решила проблему часовщиков XVIII века - как перенести гнездо под ключ завода наручных часов со стороны циферблата или задней крышки часов в более удобное место, на их боковую стенку, и избавиться от необходимости открывать крышку часов для их завода. Проблема состояла в том, что все колеса часов вращаются в одной плоскости - плоскости циферблата. Соответственно, их оси лежат в перпендикулярном этой плоскости направлении, что неизбежно заставляет так же располагать и ось ключа завода часов. Возможность вращать колесную систему часов от оси, расположенной перпендикулярно всем ее осям, требовало необычайного решения. Его поиски заняли годы, и оно было найдено в виде пары конических зубчатых колес (рис. 4а), позволяющих «повернуть» движение колесной системы на 90°. Гнездо под ключ, а позже и несъемная заводная головка заняла свое нынешнее место на боковой стенке часов, а коническая пара стала незаменимым элементом ремонтуара.


Вторая специальная пара - пара коронных колес- служит для совмещения ремонтуаром обеих своих функций: и завода пружинного двигателя, и перевода стрелок. Фактически, для этого ремонтуар имеет две отдельные колесные системы - одна идет на барабан пружинного двигателя, вторая - на стрелочный механизм. На входе каждой из них имеется коронное колесо в виде чашки с венцом храпового профиля на верхней стенке своего зацепления. Одно из них (на рис. 46 - правое) соединяется с перемещающимся в осевом направлении валом заводной головки и находится в зацеплении со стрелочным механизмом, второе (на рис. 46 - левое) не перемещается в осевом направлении и находится в зацеплении с барабаном. Оба коронных колеса образуют муфту сцепления, позволяющую при перемещении заводной головки либо приводить в движение стрелочный механизм, либо заводить часы.


Кроме рассмотренных видов часовых колес и трибов, характерных для базовой модели часов с минимальным набором функций, в более сложных часах с различными дополнительными устройствами (календарными, хронографными, сигнальными и др.) используется значительное количество иных видов колес, порой весьма необычных.


В любых современных часах колеса составляют от 50 до 80% общего числа деталей, а их суммарная себестоимость составляет значительную долю общих затрат на производство механизмов. И несмотря на свою кажущуюся простоту, часовые колеса - это микроминиатюрные размеры, беспрецедентные требования по точности исполнения, износостойкости, низкому уровню трения и его стабильности, высокой технологичности, ориентированной на массовый выпуск. Поэтому производство часовых колес требует выхода на предельные возможности современных высоких технологий и высокоавтоматизированных интегрированных производств. Такой уровень передовых современных час-промов является итогом многовековой творческой деятельности знаменитых ученых и талантливых часовых мастеров, и этот процесс совершенствования часов и всех их деталей, включая колесные системы, интенсивно продолжается в наши дни.


Типовые специальные пары служебной колесной системы - ремонтуара

 


"Часовой бизнес" №5 2007

 



СМИ о нас
Пресса о нас
Мы в сети

Боевой арсенал Oakley Пуля, Торпеда, Бомба ... Нет-нет, не волнуйтесь, вы не ошиблись адресом и попали, куда надо. Это вовсе не армейский склад и не магазин боеприпасов, а часовой салон. Ну, a Bullet, Torpedo, Bomb - всего лишь названия моделей Oakley.
Часовой салон - 2003 - теперь все будет по-новому За четыре года существования выставка "Московский часовой салон" стала самым громким событием в часовой жизни страны. Как всякое большое мероприятие, одним оно нравится, другим - нет. Каким будет МЧС-2003, рассказывает его директор Наталья Химакова.
Игра в Hautlence Демократизация производства, современные технологии и компьютеры открыли доступ в часовое искусство (как в некий портал) сотням изобретательных чудаков, которые, кажется, не работают, а играют. Одним из них стал молодой основатель компании Hautlence Гильом Тету. Его авангардные и немножко смешные часы-паровозы под нехитрым названием HL внесли свой вклад в развитие часового искусства
Время и люди Признана самой элегантной гимнасткой мира олимпийская чемпионка Ирина ЧАЩИНА. Этот престижный титул учрежден швейцарской часовой компанией Longines и вручается ежегодно.
© 2007 «TimeWay»