Войти
Балансировочное колесо в будильнике 1950-х годов, Apollo, от Lux Mfg. Co., показывающее балансировочную пружину (1) и регулятор ( 2) 
Современное балансировочное колесо в часовом механизме 
Балансировочное колесо в каминных часах. Спиральная пружина баланса видна сверху. A колесо баланса или баланс - это устройство для измерения времени, используемое в механических часах и небольших часах, идентичны по назначению маятнику в более крупных маятниковых часах. Это утяжеленное колесо, которое вращается вперед и назад, возвращаясь к своему центральному положению спиральной торсионной пружиной, известной как пружина баланса или волосковая пружина. Он приводится в действие спусковым механизмом , который преобразует вращательное движение часов зубчатой передачи в импульсы, подаваемые на колесо баланса. Каждое движение колеса (называемое «тик» или «удар») позволяет зубчатой передаче продвигаться на заданную величину, перемещая руки вперед. Баланс и волосковая пружина вместе образуют гармонический осциллятор, который из-за резонанса преимущественно колеблется с определенной скоростью, его резонансной частотой или «биением», и сопротивляется колеблется с другой скоростью. Сочетание массы балансового колеса и эластичности пружины позволяет сохранять время между каждым колебанием или «тиканием» очень постоянным, что обеспечивает его почти универсальное использование в качестве хронометриста в механические часы до современности. С момента его изобретения в 14 веке до появления камертона и кварцевых механизмов в 1960-х годах практически в каждом портативном устройстве для измерения времени использовалось какое-либо колесо баланса.
До 1980-х годов балансирные колеса были технологией измерения времени, используемой в хронометрах, хранилище банка временные замки, время взрыватели для боеприпасов, будильники, кухонные таймеры и секундомеры, но кварцевая технология взяла на себя эти приложения, и в основном они используются в качественных механических часах.
Современные (2007) часы балансир. обычно изготавливаются из Glucydur, сплава с низким тепловым расширением из бериллия, меди и железа, с пружинами с низким тепловым коэффициентом эластичный сплав, такой как Nivarox. Два сплава совпадают, поэтому их остаточные температурные характеристики компенсируются, что приводит к еще меньшей температурной ошибке. Колеса гладкие, чтобы уменьшить трение воздуха, а оси шарниров опираются на прецизионные драгоценные подшипники. В старых балансирных колесах для регулировки равновесия (баланса) использовались утяжелители вокруг обода, но современные колеса устанавливаются на заводе с помощью компьютера, с помощью лазера для выжигания точной ямы на ободе, чтобы сбалансировать их. Балансировочные колеса поворачиваются примерно на 1½ оборота при каждом повороте, то есть примерно на 270 ° в каждую сторону от своего центрального положения равновесия. Скорость балансира регулируется регулятором , рычагом с узкой прорезью на конце, через которую проходит пружина баланса. Это удерживает часть пружины за прорезью в неподвижном состоянии. Перемещение рычага перемещает прорезь вверх и вниз по пружине баланса, изменяя ее эффективную длину и, следовательно, частоту резонансных колебаний баланса. Поскольку регулятор мешает работе пружины, хронометры и некоторые прецизионные часы имеют баланс со «свободной пружиной» без регулятора, например, Gyromax. Их скорость регулируется весовыми винтами на ободе баланса.
Частота вибрации весов традиционно измеряется в ударах (тиках) в час или ДГП, хотя также используются удары в секунду и Гц. Длина удара - это одно колебание балансового колеса между изменениями направления, поэтому в полном цикле есть два удара. Весы в точных часах разработаны с более быстрым ритмом, потому что на них меньше влияют движения запястья. Будильники и кухонные таймеры часто имеют частоту 4 удара в секунду (14 400 BPH). Часы, выпущенные до 1970-х годов, обычно имели частоту 5 ударов в секунду (18 000 BPH). Текущие часы имеют частоту 6 (21 600 BPH), 8 (28 800 BPH), а некоторые имеют 10 ударов в секунду (36000 BPH). В настоящее время Audemars Piguet производит часы с очень высокой частотой вибрации баланса - 12 ударов в секунду (43 200 BPH). Во время Второй мировой войны Элгин изготовил очень точный секундомер, который работал со скоростью 40 ударов в секунду (144 000 BPH), за что получил прозвище «Jitterbug».
Точность лучших часов с балансиром на запястье составляет около нескольких единиц. секунд в день. Самыми точными изготовленными часами с балансиром были морские хронометры, которые использовались на кораблях для астрономической навигации в качестве источника точного времени для определения долготы. К началу Второй мировой войны они достигли точности 0,1 секунды в день.
Период колебаний баланса T в секундах, время, необходимое для одного полного цикла (два удара), определяется моментом инерции I колеса в килограмм-метрах и жесткостью (жесткостью пружины ) его балансировочной пружины κ в ньютонах -метров на радиан:
Foliot (горизонтальная полоса с грузами) из часов Де Вика, построенных в 1379 г., Париж 
Возможно, самый ранний из существующих чертежей балансового колеса в астрономических часах Джованни де Донди , построенных в 1364 г. Падуя, Италия. Колесо баланса (в форме короны, вверху) показало биение 2 секунды. Отслеживание иллюстрации из его трактата о часах 1364 года Il Tractatus Astrarii. Балансовое колесо появилось вместе с первыми механическими часами в Европе 14 века, но кажется неизвестным, когда и где оно было впервые использовано. Это улучшенная версия foliot, раннего инерционного хронометра, состоящего из прямого стержня, поворачивающегося в центре, с грузами на концах, который колеблется вперед и назад. Утяжелители листов можно задвигать или выдвигать на штанге, чтобы регулировать ход часов. Первые часы в Северной Европе использовали фолианты, а в южной Европе - балансир. По мере того, как часы делали меньше, сначала как настольные часы и фонарные часы, а затем как первые большие часы после 1500 года, вместо листов стали использовать балансирные колеса. Поскольку большая часть его веса приходится на обод вдали от оси, балансировочное колесо может иметь больший момент инерции, чем лист такого же размера, и сохранять лучшее время. Форма колеса также имела меньшее сопротивление воздуху, а его геометрия частично компенсировала ошибку теплового расширения из-за изменений температуры.
Раннее колесо баланса с пружиной в 18-м Французские часы века Эти ранние балансовые колеса были грубыми хронометрами, потому что им не хватало другого важного элемента: пружины баланса. Ранние балансирные колеса толкались в одном направлении с помощью спускового механизма до тех пор, пока граничный флажок, который контактировал с зубом на спусковом колесе, не проскользнул за кончик зуба («ускользнул»), и действие спускового механизма перевернул, толкнув колесо в другую сторону. В таком «инерционном» колесе ускорение пропорционально движущей силе. В часах или часах без балансировочной пружины движущая сила обеспечивает как силу, ускоряющую колесо, так и силу, которая его замедляет и переворачивает. движущая сила увеличивается, ускорение и замедление увеличиваются, это приводит к тому, что колесо толкается вперед и назад быстрее. Это сделало хронометраж сильно зависимым от силы, приложенной спусковым механизмом. В часах движущая сила обеспечивается механизмом Боевая пружина, приложенная к спусковому механизму через зубчатую передачу часов, снижалась во время работы часов, когда заводная пружина раскручивалась. Без каких-либо средств выравнивания движущей силы часы замедлялись во время периода работы между обмотками из-за потери пружины. силы, что приводит к потере времени. Вот почему все часы с пружиной предварительной балансировки требовали предохранителей (или в некоторых случаях stackfreeds ), чтобы уравновесить силу от боевой пружины, достигающей спусковой механизм, чтобы добиться даже минимальной точности. Даже с этими устройствами часы до балансировки были очень неточными.
Идея пружины баланса была вдохновлена наблюдениями, что пружинящие бордюры из свиной щетины, добавленные для ограничения вращения колеса, повысили его точность. Роберт Гук первым применил металлическую пружину к баланс в 1658 году и Жан де Отфёй и Кристиан Гюйгенс улучшили его до нынешней спиральной формы в 1674 году. Добавление пружины сделало балансир гармоническим осциллятором, основа всех современных часов. Это означает, что колесо вибрировало с естественной резонансной частотой или «биением» и сопротивлялось изменениям частоты его колебаний, вызванным трением или изменением движущей силы. Это важное нововведение значительно повысило точность часов с нескольких часов в день до 10 минут в день, превратив их из дорогих новинок в удобные хронометры.
После добавления пружины баланса основным остающимся источником неточности было влияние изменений температуры. Ранние часы имели пружины баланса, сделанные из простой стали, а балансиры из латуни или стали, и влияние температуры на них заметно влияло на скорость.
Повышение температуры увеличивает размеры пружины баланса и баланса из-за теплового расширения. Сила пружины, возвращающая сила, которую она создает в ответ на отклонение, пропорциональна ее ширине и кубу ее толщины и обратно пропорциональна ее длине. Повышение температуры действительно сделало бы пружину более прочной, если бы это повлияло только на ее физические размеры. Однако гораздо больший эффект в балансовой пружине, изготовленной из простой стали, заключается в том, что эластичность металла пружины значительно уменьшается при повышении температуры, в результате чего обычная стальная пружина становится слабее с повышением температуры. Повышение температуры также увеличивает диаметр балансового колеса из стали или латуни, увеличивая его инерцию вращения, его момент инерции, что затрудняет ускорение балансировочной пружины. Два эффекта увеличения температуры на физические размеры пружины и баланса, усиление пружины баланса и увеличение инерции вращения баланса, имеют противоположные эффекты и до некоторой степени компенсируют друг друга. Основное влияние температуры, которое влияет на ход часов, - это ослабление пружины баланса при повышении температуры.
В часах, которые не компенсируют воздействие температуры, более слабой пружине требуется больше времени, чтобы вернуть балансир обратно к центру, поэтому «биение» замедляется, и часы теряют время. Фердинанд Берту обнаружил в 1773 году, что обычные латунные весы и стальная спираль с волосками, подвергнутые повышению температуры на 60 ° F (33 ° C), теряют 393 секунды (6 1/2 минут) в день, из которых 312 секунд из-за уменьшения упругости пружины.
Необходимость в точных часах для астрономической навигации во время морских путешествий способствовала многим достижениям в технологии балансировки в Великобритания и Франция 18 века. Даже ошибка в 1 секунду в день в морском хронометре может привести к 17-мильной ошибке в определении местоположения судна после двухмесячного плавания. Джон Харрисон был первым, кто применил температурную компенсацию к балансовому колесу в 1753 году, используя биметаллический «компенсационный бордюр» на пружине, в первых успешных морских хронометрах H4 и H5. Они обеспечивали точность в доли секунды в день, но компенсационный бордюр в дальнейшем не использовался из-за его сложности.
Биметаллическое колесо баланса с температурной компенсацией из карманных часов начала 1900-х годов. Диаметр 17 мм. (1) Перемещение противоположных пар грузов ближе к концам плеч увеличивает температурную компенсацию. (2) Отвинчивание пар грузов возле спиц снижает скорость колебаний. Регулировка одного груза изменяет равновесие или баланс. Более простое решение было разработано около 1765 года Пьером Ле Роем и улучшено Джоном Арнольдом и Томасом Эрншоу. : Earnshaw или компенсирующее колесо баланса. Ключевым моментом было заставить колесо баланса менять размер в зависимости от температуры. Если бы баланс мог уменьшаться в диаметре по мере нагревания, меньший момент инерции компенсировал бы ослабление пружины баланса, сохраняя период колебаний таким же.
Для этого внешний обод весов был сделан из «сэндвича» из двух металлов; слой стали внутри, сплавленный со слоем латуни снаружи. Полосы этой биметаллической конструкции изгибаются к стальной стороне при нагревании, потому что тепловое расширение латуни больше, чем у стали. Обод был разрезан в двух точках рядом со спицами колеса, поэтому он напоминал S-образную форму (см. Рисунок) с двумя круглыми биметаллическими «рычагами». Эти колеса иногда называют «Z-балансирами». Повышение температуры заставляет рычаги изгибаться внутрь к центру колеса, а смещение массы внутрь снижает момент инерции баланса, подобно тому, как вращается конькобежец может уменьшить ее момент инерции, потянув за руки. Это уменьшение момента инерции компенсировало пониженный крутящий момент, создаваемый более слабой уравновешивающей пружиной. Величина компенсации регулируется подвижными грузами на руках. Морские хронометры с таким типом баланса имели погрешность всего 3–4 секунды в день в широком диапазоне температур. К 1870-м годам в часах стали использоваться компенсированные весы.
Балансирующие колеса морского хронометра середины 1800-х годов с различными системами «вспомогательной компенсации» для уменьшения ошибки средней температуры Стандартный балансир компенсации Earnshaw значительно снижает погрешность из-за колебаний температуры, но это не устранило его. Как впервые описал Дж. Г. Ульрих, компенсированный баланс, настроенный для поддержания правильного времени при заданных низких и высоких температурах, будет голодать на несколько секунд в день при промежуточных температурах. Причина в том, что момент инерции весов изменяется пропорционально квадрату радиуса компенсационных плеч и, следовательно, температуры. Но эластичность пружины линейно зависит от температуры.
Чтобы смягчить эту проблему, производители хронометров использовали различные схемы «вспомогательной компенсации», которые уменьшали погрешность до менее 1 секунды в день. Такие схемы состояли, например, из небольших биметаллических рычагов, прикрепленных к внутренней части балансового колеса. Такие компенсаторы могли изгибаться только в одном направлении к центру балансового колеса, но изгиб наружу блокировался бы самим колесом. Заблокированное движение вызывает нелинейный температурный отклик, который может немного лучше компенсировать изменения эластичности пружины. Большинство хронометров, которые стали первыми в ежегодных испытаниях Гринвичской обсерватории между 1850 и 1914 годами, были вспомогательными конструкциями компенсации. Вспомогательная компенсация никогда не использовалась в часах из-за ее сложности.
Баланс и пружина из сплава с низким температурным коэффициентом в механизме ETA 1280 из часов Benrus Co. 1950-х годов Биметаллическое колесо баланса с компенсацией был устаревшим в начале 20 века в результате достижений металлургии. Шарль Эдуар Гийом получил Нобелевскую премию за изобретение в 1896 году инвара, сплава никелевой стали с очень низким тепловым расширением, и элинвар (Elasticité инвар iable) сплав, эластичность которого не меняется в широком диапазоне температур, для пружин баланса. Твердые инварные весы с пружиной Elinvar практически не зависели от температуры, поэтому они заменили трудно регулируемые биметаллические весы. Это привело к созданию ряда улучшенных сплавов с низким температурным коэффициентом для балансиров и пружин.
Перед разработкой Elinvar Гийом также изобрел сплав для компенсации средней температурной погрешности в биметаллических весах, придав ему отрицательный квадратичный температурный коэффициент. Этот сплав, названный анибалом, представляет собой небольшую разновидность инвара. Это почти полностью нейтрализовало температурный эффект стальной спиральной пружины, но все же требовало биметаллического компенсированного колеса баланса, известного как колесо баланса Гийома. Позднее эта конструкция вышла из употребления в пользу одиночных металлических весов из инвара с пружинами Elinvar. Квадратичный коэффициент определяется его местом в уравнении расширения материала;
- длина образца при некоторой эталонной температуре
- температура выше эталонной
- длина образца при температуре 
- линейный коэффициент расширения
- квадратичный коэффициент расширения