Пружина баланса

A Пружина баланса или спираль - это пружина, прикрепленная к колесу баланса в механических часах. Он заставляет балансировочное колесо колебаться с резонансной частотой , когда часы работают, что определяет скорость вращения колес часов и, следовательно, скорость движения стрелок. Часто устанавливается рычаг регулятора, с помощью которого можно изменять свободную длину пружины и тем самым регулировать скорость хронометра.

Пружина баланса представляет собой тонкую спиральную или спиральную торсионную пружину, используемую в механических часах, сигнализации. часы, кухонные таймеры, морские хронометры и другие механизмы хронометража для управления частотой колебаний колеса баланса. Пружина баланса является важным дополнением к колесу баланса, заставляя его колебаться вперед и назад. Балансовая пружина и балансовое колесо вместе образуют гармонический осциллятор, который колеблется с точным периодом или «биением», сопротивляясь внешним воздействиям, и отвечает за точность хронометража.

Добавление пружины баланса к балансовому колесу около 1657 года Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом значительно повысило точность портативных часов, преобразив ранние карманные часы от дорогих новинок до полезных хронометристов. Усовершенствования пружины баланса с тех пор привели к дальнейшему значительному повышению точности. Современные пружины баланса изготовлены из специальных сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как nivarox, чтобы уменьшить влияние температурных изменений на скорость, и тщательно отформованы, чтобы минимизировать влияние изменений движущей силы, поскольку заводная пружина спускается. До 80-х годов прошлого века балансировочные колеса и пружины баланса использовались практически в каждом портативном устройстве для хронометража, но в последние десятилетия технология электронного кварцевого хронометража пришла на смену механическим часам, и в основном пружины баланса используются в механических часах.

Типы пружин баланса: (1) плоская спираль, (2) перематывающая спираль Бреге, (3) спираль хронометра с изогнутыми концами, (4) ранние пружины баланса.

• 1 История
• 2 Регулятор
• 3 Материал
• 4 Влияние температуры
  • 4.1 Elinvar
• 5 Изохронизм
• 6 Период колебаний
• 7 См. Также
• 8 Ссылки

Чертеж одна из его первых пружин баланса, прикрепленная к балансовому колесу, Христианом Гюйгенсом, изобретателем балансовой пружины, опубликованная в его письме в Journal des Sçavants от 25 февраля 1675 года.

Есть некоторые споры относительно того, были ли они изобретены около 1660 года британским физиком Робертом Гуком или голландским ученым Христианом Гюйгенсом, с вероятностью, что идея была изобретена у Гука, но Гюйгенс построил первые работающие часы, которые использовал пружину баланса. До этого момента в часах и часах использовались балансировочные колеса или листы без пружин, но они были очень чувствительны к колебаниям движущей силы, вызывая замедление хода часов при заводная пружина размотана. Введение пружины баланса привело к значительному увеличению точности карманных часов, возможно, с нескольких часов в день до 10 минут в день, что впервые сделало их полезными хронометрами. Первые пружины баланса имели всего несколько оборотов.

В нескольких ранних часах был регулятор Барроу, в котором использовался червячный привод, но первый широко используемый регулятор был изобретен Томасом Томпионом около 1680 года. В Tompion Бордюрный штифт регулятора устанавливался на полукруглой зубчатой ​​рейке, регулировка которой осуществлялась путем подгонки ключа к зубчатому колесу и его поворота. Современный регулятор, рычаг, вращающийся концентрически с колесом баланса, был запатентован Джозефом Босли в 1755 году, но он не заменил регулятор Tompion до начала 19 века.

In Для регулировки скорости у балансной пружины обычно есть регулятор. Регулятор представляет собой подвижный рычаг, установленный на балансировочном кране или мосту, вращающийся соосно с балансом. Узкая прорезь образована на одном конце регулятора двумя выступающими вниз штифтами, называемыми штифтами бордюра, или штифтом бордюра и штифтом с более тяжелым сечением, называемым пыльником. Конец внешнего витка балансировочной пружины закреплен на шпильке, которая прикреплена к балансировочному крану. Внешний виток пружины проходит через паз регулятора. Часть пружины между штифтом и пазом остается неподвижной, поэтому положение паза контролирует свободную длину пружины. Перемещение регулятора перемещает паз по внешнему витку пружины, изменяя его эффективную длину. При перемещении паза от шпильки пружина укорачивается, становится более жесткой, увеличивается частота колебаний баланса и время ускоряется.

Регулятор слегка мешает движению пружины, что приводит к неточности, поэтому точные часы, такие как морские хронометры и некоторые высококачественные часы, имеют свободную подпружину, то есть в них нет регулятора. Вместо этого их скорость регулируется синхронизирующими винтами на балансирном колесе.

Существует два основных типа регулятора пружины баланса.

• Регулятор Tompion, в котором штифты бордюра установлены на секторной стойке, перемещаемой шестерней. Шестерня обычно оснащена градуированным серебряным или стальным диском.
• Регулятор Bosley, как описано выше, в котором штифты установлены на рычаге, повернутом коаксиально с балансиром, причем конец рычага может перемещаться. перемещаться по градуированной шкале. Существует несколько вариантов, которые повышают точность перемещения рычага, в том числе регулятор «Улитка», в котором рычаг подпружинен против кулачка спирального профиля, который можно поворачивать, микрометр, в котором рычаг перемещается с помощью червячная передача и регулятор «Лебединая шея» или «Рид», в которых положение рычага регулируется тонким винтом, причем рычаг удерживается в контакте с винтом пружиной в форме изогнутой лебединой шеи. Он был изобретен и запатентован американцем Джорджем П. Ридом, патент США № 61867 от 5 февраля 1867 года.

Существует также регулятор «Свиной волос» или «Свиной ворс», в котором жесткие волокна расположены у конечности дуги Весов, и осторожно остановите их, прежде чем отбросить обратно. Часы ускоряются за счет укорачивания дуги. Это не регулятор пружины баланса, который использовался в самых ранних часах до изобретения пружины баланса.

Существует также регулятор Барроу, но на самом деле это более ранний из двух основных методов создания «установочного напряжения» главной пружины; это требовало натяжения цепи Fusee, но не достаточного, чтобы приводить часы в движение. Часы Verge можно регулировать, регулируя установочное натяжение, но если присутствует какой-либо из ранее описанных регуляторов, то обычно этого не делают.

Для пружин баланса использовался ряд материалов. Раньше использовалась сталь, но без закалки или отпуска; в результате эти пружины постепенно ослабнут, и часы начнут терять время. Некоторые часовщики, например Джон Арнольд, использовали золото, которое позволяет избежать коррозии, но сохраняет проблему постепенного ослабления. Закаленная и отпущенная сталь впервые была использована Джоном Харрисоном и впоследствии оставалась предпочтительным материалом до 20 века.

В 1833 году Э. Дж. Дент (изготовитель Великих часов в здании парламента ) экспериментировал со стеклянной пружиной баланса. Он гораздо меньше пострадал от нагрева, чем сталь, что уменьшило требуемую компенсацию, а также не ржавело. Другие испытания стеклянных пружин показали, что их сложно и дорого изготавливать, и что они страдают от широко распространенного восприятия хрупкости, которое сохранялось до времен стекловолокна и волоконно-оптических материалов. Пружины из травленого кремния были введены в производство в конце 20 века и не подвержены намагничиванию.

Модуль упругости материалов зависит от температуры. Для большинства материалов этот температурный коэффициент достаточно велик, поэтому колебания температуры значительно влияют на хронометраж баланса и пружины баланса. Первые производители часов с пружинами баланса, такие как Роберт Гук и Христиан Гюйгенс, наблюдали этот эффект, но не нашли его решения.

Джон Харрисон, в ходе разработки морского хронометра, решил проблему с помощью «компенсационного ограничения» - по сути, биметаллического термометра, который регулировал эффективный длина пружины баланса как функция температуры. Хотя эта схема работала достаточно хорошо, чтобы позволить Харрисону соответствовать стандартам, установленным Законом о долготе, она не получила широкого распространения.

Около 1765 года Пьер Ле Рой (сын Жюльена Ле Руа ) изобрел компенсационные весы, которые стали стандартным подходом для температурной компенсации в часах и хронометрах. При таком подходе изменяется форма баланса или регулируемые грузы перемещаются на спицах или ободе весов с помощью механизма, чувствительного к температуре. Это изменяет момент инерции балансового колеса, и изменение регулируется таким образом, чтобы компенсировать изменение модуля упругости балансовой пружины. Конструкция компенсирующего баланса модели Thomas Earnshaw, представляющая собой просто балансир с биметаллическим ободом, стала стандартным решением для температурной компенсации.

Elinvar

Хотя компенсирующий баланс был эффективным средством компенсации воздействия температуры на пружину баланса, он не мог обеспечить полное решение. Базовая конструкция страдает "погрешностью средней температуры": если компенсация настроена так, чтобы быть точной при крайних значениях температуры, то она будет немного отклоняться при температурах между этими крайними значениями. Чтобы избежать этого, были разработаны различные механизмы «вспомогательной компенсации», но все они сложны и трудны в настройке.

Примерно в 1900 году принципиально иное решение было создано Шарлем Эдуардом Гийомом, изобретателем elinvar. Это сплав никель-сталь, обладающий тем свойством, что модуль упругости практически не зависит от температуры. Часы, оснащенные балансирной пружиной elinvar, не требуют температурной компенсации вообще или очень мало. Это упрощает механизм, а также означает, что погрешность средней температуры также устраняется или, как минимум, значительно снижается.

Уравновешивающая пружина подчиняется закону Гука : восстанавливающий момент пропорционален угловому смещению. Когда это свойство точно выполняется, балансовая пружина называется изохронной, и период колебаний не зависит от амплитуды колебаний. Это важное свойство для точного хронометража, поскольку никакая механическая трансмиссия не может обеспечить абсолютно постоянную движущую силу. Это особенно верно в отношении часов и портативных часов, которые питаются от главной пружины, которая обеспечивает уменьшение движущей силы при раскручивании. Еще одна причина изменения движущей силы - трение, которое меняется с возрастом смазочного масла.

Первые часовщики эмпирически нашли подходы к изохронности пружин баланса. Например, Джон Арнольд в 1776 году запатентовал спиральную (цилиндрическую) форму пружины баланса, в которой концы пружины были закручены внутрь. В 1861 г. М. Филлипс опубликовал теоретическое рассмотрение проблемы. Он продемонстрировал, что пружина баланса , центр тяжести которой совпадает с осью колеса баланса, изохронна.

В общей практике наиболее распространенным методом достижения изохронности является использование перемотки Бреге, которая помещает часть крайнего витка спирали в плоскости, отличной от остальной части пружины. Это позволяет пружине «дышать» более равномерно и симметрично. Обнаружены два типа перемотки - постепенная перемотка и Z-изгиб. Постепенное перегибание достигается путем наложения двух постепенных скручиваний на спираль с образованием подъема во вторую плоскость на половине окружности. Z-образный изгиб делает это, создавая два изгиба под дополнительными углами в 45 градусов, достигая подъема во вторую плоскость примерно на три высоты секции пружины. Второй метод делается из эстетических соображений, и его гораздо сложнее выполнить. Из-за сложности формирования изгиба современные часы часто используют несколько менее эффективный «изгиб», который использует серию резких изгибов (в плоскости), чтобы убрать часть внешней катушки с пути остальной пружины.

Пружина баланса и колесо баланса (которое обычно называют просто «балансом») образуют гармонический осциллятор. Пружина баланса обеспечивает восстанавливающий крутящий момент, который ограничивает и меняет движение баланса, так что оно колеблется взад и вперед. Его резонансный период делает его устойчивым к изменениям от возмущающих сил, что делает его хорошим устройством для хронометража. Жесткость пружины, ее коэффициент пружины, $\kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; kappa\; \backslash ,\}$в Н * м / радиан, а также момент инерции балансового колеса, $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \backslash ,\}$в кг * м, определяет период колебаний колеса $T\; \{\backslash \; displaystyle\; T\; \backslash ,\}$. Уравнения движения для баланса выводятся из угловой формы закона Гука и угловой формы второго закона Ньютона.

$\tau \; =\; -\; \kappa \; \theta \; =\; I\; \alpha \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; =\; -\; \backslash \; kappa\; \backslash \; theta\; =\; I\; \backslash \; alpha\; \backslash ,\}$

Следующее дифференциальное уравнение для движения колеса является результатом упрощения приведенного выше уравнения:

$d\; 2\; \theta \; dt\; 2\; +\; \kappa \; I\; \theta \; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{d\; ^\; \{2\}\; \backslash \; theta\}\; \{dt\; ^\; \{2\}\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; kappa\}\; \{I\}\}\; \backslash \; theta\; =\; 0\; \backslash ,\}$

Решением этого уравнения движения для баланса является простое гармоническое движение, то есть синусоидальное движение с постоянным периодом.

$\theta \; (t)\; знак\; равно\; A\; соз\; \; (\kappa \; I\; t)\; +\; B\; грех\; \; (\kappa \; I\; t)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\; (t)\; =\; A\; \backslash \; cos\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; kappa\})\; \{I\}\}\}\; t\; \backslash \; right)\; +\; B\; \backslash \; sin\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; sqrt\; \{\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; kappa\}\; \{I\}\}\; t\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash ,\}$

Таким образом, следующее уравнение для периодичность колебаний может быть получена из результатов выше:

$T\; =\; 2\; \pi \; I\; \kappa \; \{\backslash \; displaystyle\; T\; =\; 2\; \backslash \; pi\; \{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; frac\; \{I\}\; \{\backslash \; kappa\}\}\}\; \backslash ,\}$

Это период управляет скоростью часов.

• Балансировочное колесо
• Морской хронометр
• Часы