Механизмы
Существует довольно мало способов привидения в действие (источников энергии) часовых механизмов наручных часов: - механические часы (простой способ ручного завода); - механические часы с автоподзаводом (автоматик); - кварцевые (электромеханические, элемент питания – батарейка), к кварцевым часам также относятся системы питания «Кинетик» (Seiko), «Автокварц» (швейцарские часы), «Эко-драйв» (Citizen), солнечный элемент. - термочасы, использующие в качестве источника энергии разницу температур (от 1 С).
Механические часы
Термин «часовой механизм» применятся к полностью собранным часам без корпуса. Часовой механизм состоит из: шестерёночного механизма с двигателем в виде заводной пружины, и анкерного механизма, сдерживающего распускание пружины и контролирующего скорость вращения шестерёнок. Если к часовому механизму добавить стрелки, то они как раз будут регистрировать скорость вращения шестерёночного механизма.
Основные узлы механических часов собираются на платине – никель – серебристой 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 шестерёнок, платина имеет целую серию проточек, впадин и выступов, повышающих её механическую прочность и дающих возможность разместить детали часового механизма на сравнительно малой площади. Противоположные концы шестерёнок 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 отличии от России, калибры механизма указываются в линиях (Lignes). Одна линия соответствует 2.255 мм.
Одной из составляющих точности хода часов является снижение трения. Такие части часового механизма, как оси шестерёнок, 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, ещё 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, 21 или 25 камней. Изменение кинематической схемы часов и введение дополнительных устройств ведёт 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 на баланс, 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 улитка. Оно представляет собой конус, основанием которого является главная шестерёнка 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 счёт 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, передавая через зубчатую передачу вращение на вал заводной пружины, заводя её. 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 шестерёночный механизм к балансу, а также поддержания его колебаний и управления скоростью вращения шестерёночного механизма, служит анкерный механизм. Анкерный механизм состоит из анкерного колеса (шестерёнки), как правило, с 15 зубчиками, анкерной вилки, с впрессованными в паллеты паллеты синтетическими рубинами, и баланса. Анкер периодически освобождает зубчатую передачу и преобразует энергию пружины в импульсы, передаваемые балансу для поддержания его колебаний со строго определённым периодом, и преобразование этих колебаний в равномерное вращение шестерёночного механизма. Изогнутые концы анкерной вилки называются паллетами. Их две – входная и выходная. При подъёме входной паллеты одновременно опускается выходная, и анкерное колесо поворачивается на один зубец. Затем поднимается выходная паллета и опускается входная, анкерное колесо поворачивается ещё на один зубец и т.д. Во время подъёма 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 упрётся 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 упрётся своей утолщённой частью в стенку отверстия опоры. Таким образом, вместо тонких цапф, все нагрузки принимают на себя утолщённые части оси баланса, предохраняя первые от поломки и изгиба. Для компенсации гравитации на анкерный механизм был изобретён турбийонный регулятор (турбийон).
Кварцевые часы
Принципиально все кварцевые часы похожи – кварцевый генератор выдаёт синусоидальный сигнал с высокой степенью стабилизации частоты, который в дальнейшем делится до частоты 1 Гц и усиленный подаётся на обмотку шагового механизма, движущего секундную стрелку или подаётся в процессор, который обрабатывает сигнал и подаёт на жидкокристаллический индикатор команды управления.
Особенности кварца – высокая стабильность частоты, практически не зависящая от внешних факторов, таких как температура, влажность, напряжение питания. Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. И так кристалл можно заставить сжиматься и разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32.768 МГц.
С началом производства интегральных микросхем стало возможно использовать эти свойства в часах, благодаря чему реализовалась нынешняя средняя точность хода кварцевых часов +/- 15 секунд в месяц, а в специально спроектированных хронометрах – даже 0.3 секунды в месяц. А если к этому ещё добавить простоту, надёжность, долговечность и отсутствие в механизме кварцевых часов деталей, которые постоянно находятся в напряжении, то вполне закономерно, что сейчас кварцевые часы являются доминантой на часовом рынке. Здесь могут возразить любители швейцарской механики, что, мол, кварцевые часы – это не часы вовсе, а стрелки или индикатор с батарейкой, но часы в первую очередь должны показывать правильное время, а с этим кварцевые часы справляются намного лучше швейцарской механики (вопросы престижа, имиджа, дизайна, гармонии с окружающим миром и т.п. сейчас не затрагиваются, поскольку речь идёт о системах снабжения часового механизма энергией). Принятая изначально схема питания – батарейка, к которой принципиально сводятся все другие способы питания. У неё существует огромное достоинство перед другими схемами питания – дешевизна элементов питания и относительная простота их замены (безусловно, лучше пользоваться услугами фирменных сервис-центров или часовых мастеров для замены батареек – в конечном счёте, это обходится дешевле).
Этот тип часов появился в 70-е годы 20-го века и в первое время практически вытеснил классические часы с рынка, многие фирмы в то время разорились. К тому же кварцевые часы можно сделать весьма тонкими, уменьшение же толщины механических часов ведёт к их существенному удорожанию и сталкивается с серьёзными техническими трудностями.
Недостаток кварцевых часов – ограниченность срока действия элемента питания, в то время как механические часы могут работать весьма долго, а если ими не пользоваться, - то достаточно нескольких движений – и они опять на ходу. Поэтому производители постоянно ищут источники «подпитки» для своих часов. В настоящее время существуют различные способы подзарядки элемента питания часов: - зарядка генератора от механического маятника (как в механических часах с автоподзаводом) и преобразование механической энергии в электрическую с помощью миниатюрного генератора. В этом преуспели фирмы Seiko (часы серии Kinetic) и Swatch Group (механизм ETA Autoquartz, используется в моделях Omega, Certina, Tissot и др.). - подпитка энергией от источников света. Наибольших успехов здесь добилась фирма Citizen (серия часов Eco-Drive) и некоторые швейцарские и немецкие фирмы. - использование разности температур – реализовано фирмой Citizen в серии Eco-Drive Thermo, используя разность температур (достаточно разницы в 1 градус Цельсия). В часах типа «Eco-Drive» фирмы Citizen солнечная энергия проходит через циферблат и попадает на площадки солнечного элемента, который заряжает аккумулятор, установленный в часах.
В часах «Kinetic» фирмы Seiko применена более сложная схема зарядки аккумулятора часов. По сути Kinetic является гибридом между часами с «автоподзаводом» и простыми кварцевыми часами. Тот же грузик, что и в автоподзаводе вращается при носке часов, но вращает он уже не механизм завода пружины, а ротор генератора, который развивает скорость вращения до 2500 оборотов в минуту. Генератор уже преобразует ток генерации в ток зарядки и заряжает аккумулятор. Преимущества системы Eco-Drive в отсутствии лишних движущихся деталей, что повышает срок службы часов в целом, а часы типа Kinetic – одно из последних слов в технологии часов. Системы Kinetic и Eco-Drive – по сути маленькие передвижные электростанции с довольно хитрыми механизмами, что вселяет в обладателя таких механизмов чувство гордости за свои часы.
Недостатки обеих систем с использованием аккумулятора – ограниченный срок службы самого аккумулятора – от 3 до 10 лет, и его высокая стоимость (в 3-7 раз выше чем у обычной батарейки). Время работы часов Eco-Drive без попадания солнечных лучей на циферблат от 40 до 500 дней; часы типа Kinetic без движения работают от 2 дней до 6 месяцев (данные согласно паспортам).
Также достижениями по применению нестандартных источников энергии в часах являются термочасы, произведённые фирмами Seiko и Citizen. Принцип работы этих часов схож с Eco-Drive и Kinetic, только аккумулятор подзаряжается от системы термопар, использующих разность температур на внутренней (задней крышке) и внешней (ранте) стороне часов. Пока эти часы достаточно громоздки, увесисты (около 150-200 гр.) и дороги (700-1500 долл. США), но со временем эта технология, несомненно, будет улучшена и упрощена. Seiko Kinetic Auto Relay представляет собой усовершенствованную модель часов Kinetic и имеет дополнительные функции. Для часов данной коллекции, как и для любых часов серии Kinetic, не нужна батарея, чтобы обеспечить их работоспособность. Если часы оставались без движения в течение 3-х дней, стрелки перестанут двигаться, чтобы уменьшить потребление энергии, но встроенная интегральная цепь продолжает отсчитывать время вплоть до 4-ёх лет. Часы «проснутся», если их немного потрясти, стрелки начнут быстрое вращение и установят точное время, после чего продолжат свой нормальный ход, но показания даты надо корректировать вручную.