КОЛЕСО ВРЕМЕНИ
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).
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.
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.
