Wychwyt, regulator

Wychwytu oraz regulator w największym stopniu decydują o precyzji chodu stanowiąc w wymienionym aspekcie najbardziej krytyczny podzespół mechanizmu wpływający na realizację podstawowej funkcji zegarka.

Wychwyt

Jak zaznaczyliśmy w pierwszej części dotyczącej ogólnej budowy mechanizmu, wychwyt ma do spełnienia dwojakie zadanie. Mianowicie przekazuje energię z przekładni chodu do oscylatora, a jednocześnie poprzez współpracę z tymże regulatorem wstrzymuje oraz uwalnia ruch mechanizmu chodu. Rezultat rzeczonego współdziałania następnie podawany jest na wejście przekładni wskazań. Historia wychwytów nacechowana jest kreatywnością twórców, która w sposób szczególnie efektywny zmaterializowała się około roku 1676 kiedy to angielski fizyk Robert Hooke opracował wychwyt hakowy. Konstrukcja ta rozpowszechniła się głównie ze względu na wysoką tolerancję dotyczącą precyzji wykonania oraz niską wrażliwość odnoszącą do zabrudzeń. Ponadto występujące w nim opory tarcia były proporcjonalne do wielkości momentu napędowego, a tym samym nie miały zasadniczego wpływu w kontekście amplitudy wahadła. Zanik momentu napędowego nie powodował uszkodzenia koła wychwytowego, a niska czułość na przechylenie zegarka uzupełniała listę zalet. Wadą konstrukcji była wysoka zmienność chodu na co między innymi wpływ miało duże, zmienne tarcie na paletach. Swoją cegiełkę, a właściwie cegłę do rozwoju wychwytów w roku 1715 dołożył George Graham. Jego dzieło wykazywało się mniejszym zużyciem energii w stosunku do wychwytu hakowego, a ponadto znacznie wyższą dokładnością wskazań. Z opracowaniem Grahama rywalizował Francuz Achille Brocot uzyskując zbliżone poziomy dokładności pracy jednakże na przestrzeni lat tę rywalizację lepiej wytrzymała konstrukcja Grahama. To właśnie ona dała podstawy do prac nad wychwytem kotwicowym jaki współcześnie jest najczęściej wykorzystywany w zegarkach mechanicznych. Problem jednakże tkwił w tym, iż kotwica w wychwycie Grahama pracowała w obrębie małych wahnięć o amplitudzie nie przekraczającej 8 stopni. O ile w przypadku wahadła jako regulatora rozwiązanie to było wystarczające, to już w odniesieniu do koła balansowego nie zdawało egzaminu. Za bary z tematem między innymi złapali się ks. Jean de Hautefeuille (rok 1722) i uczeń Grahama – Thomas Mudge. Ten drugi około roku 1757 użył przerzutnika jako łącznika wychwytu z balansem. Przerzutnik wraz z palcami przerzutowymi usytuowanymi w osi balansu, współpracował z widełkami kotwicy. Konstrukcja była też wyposażona bezpiecznik przykręcony do widełek współdziałający z kołnierzem. Schemat działania dawał możliwość
odłączenia balansu od wychwytu, a więc ten mógł się wahać swobodnie. Innymi słowy na pewnym etapie kotwica oraz koło wychwytowe pozostawały nieruchome natomiast koło balansowe poruszało się. To cecha tzw. wychwytów wolnych. Stąd właśnie Mudge uznawany jest za wynalazcę wychwytu wolnego kotwicowego. Pisząc o „pewnym etapie” mamy na myśli tzw. ruch uzupełniający. O co chodzi? Aby to wyjaśnić trzeba by przeanalizować w jaki sposób wychwyt współpracuje z regulatorem (wahadło lub koło balansowe). Zacznijmy od podstaw na przykładzie konstrukcji Grahama.

Wychwyt Grahama
Wychwyt Grahama

Wychwyt: koło wychwytowe (1), kotwica (2), paleta wejściowa (3), paleta wyjściowa (4)

Historycznie kotwica mogła występować jako jednoramienna lub dwuramienna, ale pierwszą z wymienionych nie będziemy się zajmować. Analizujemy sytuację, w której regulator zbliża się do punktu równowagi. Wówczas kotwica uwalnia ząb koła wychwytowego, który wcześniej był oparty o paletę. Mamy do czynienia z uwolnieniem. W wyniku ślizgu zęba po powierzchni palety, ząb przekazuje impuls do regulatora, a po ześlizgnięciu uwalnia się, a więc następuje tzw. odpad. Następnie druga paleta wpada pomiędzy zęby koła wychwytowego, jeden z nich na nią spada czyli mamy do czynienia z tzw. spadem. Po zablokowaniu się na rzeczonym zębie i w rezultacie zatrzymaniu koła wychwytowego następuje spoczynek. Jednocześnie regulator porusza się dalej, co powoduje dalsze przechylanie kotwicy, a więc trwającą współpracę palety z zębem koła wychwytowego. Proces ten nazywamy drogą straconą i ruchem uzupełniającym. Gdy regulator zaczyna ruch powrotny wówczas następuje ponownie uwolnienie. I właśnie na płaszczyźnie tego, co dzieje się podczas wspomnianego ruchu uzupełniającego klasyfikujemy podział wychwytów na cofające, spoczynkowe oraz swobodne.

Opracowanie Mudge na przestrzeni lat doczekało się wielu ulepszeń. Zdefiniowano między innymi tzw. kąt przyciągania kotwicy. Chodzi tu o to, iż po otrzymaniu przez koło balansowe impulsu, balans porusza się natomiast kotwica blokuje na jednym ze słupków ograniczających jej ruch. Kotwica zachowuje się jakby była przyciągana do słupka, a dzieje się tak, bo ząb koła wychwytowego napiera na powierzchnię spoczynku palety. Powierzchnia palety jest wówczas nachylona pod określonym kątem, który nazywamy kątem przyciągania. Ostateczny kształt konstrukcji wychwytu kotwicowego nadał francuski zegarmistrz, jeden z kluczowych pracowników Vacheron Constantin – Georges Auguste Leschot, a miało to miejsce w roku 1825. Jego opracowanie w największym stopniu odpowiada czasom współczesnym. Swoje zasługi ma również Lange, który opracował tzw. wychwyt niemiecki. Różnił się on kształtem kotwicy, zamiast słupków ograniczających jej ruch użyto kołka umieszczonego w wejściowym ramieniu kotwicy, który blokuje się na specjalnie wykonanym nawierceniu. Natomiast palec przerzutowy usytuowano w ramieniu balansu. My zajmiemy się jednak szwajcarskim wychwytem kotwicowym.

Wychwyt szwajcarski

Wychwyt kotwicowy
Wychwyt kotwicowy

Przeanalizujmy zatem jak wygląda współpraca wychwytu szwajcarskiego z regulatorem balansowym. Pierwsza dawka energii do wychwytu dociera z przekładni chodu, a konkretnie z koła sekundowego zazębiającego się z zębnikiem wychwytowym, który napędza koło wychwytowe (1). Ruch ten sprawia, iż ząb koła wychwytowego ześlizguje się po powierzchni impulsowej palety (2) podczas gdy, na powierzchni spoczynku drugiej palety (3) zatrzymuje się inny ząb koła wychwytowego. W czasie tego procesu następuje ruch kotwicy do momentu aż jej drążek (4) nie zostanie zablokowany na słupku (5) ograniczającym jej ruch (zgodnie z certyfikatem Pieczęci Genewskiej zamiast słupków stosowana jest specjalnie ukształtowana płytka, której wypusty znajdują się minimalnie poniżej widełek). Jednocześnie widełki (6) uderzają w palec przerzutowy (7) przekazując w ten sposób impuls do koła balansowego. Koło balansowe porusza się tak długo jak pozwala na to siła impulsu oraz maksymalne naprężenie włosa. Ponieważ palec przerzutowy jest już poza granicami oddziaływania widełek kotwicy więc balans porusza się swobodnie. W końcu następuje ruch powrotny balansu w rezultacie którego palec przerzutowy wchodzi w interakcję z widełkami wprawiając kotwicę w ruch. Następuje zwolnienie koła wychwytowego. Wówczas ząb znajdujący się na spoczynku ześlizguje się po powierzchni impulsu podając dawkę energii do koła balansowego, a cały proces kończy się odpadem po czym następuje ponowienie czynności. Nie trudno więc dostrzec procesy, które w podobny sposób zachodzą w wychwycie Grahama. Zasadnicza różnica polega na tym, iż wielkość kąta amplitudy jest znacznie większa przez co czas swobodnego poruszania się balansu w trakcie spoczynku koła wychwytowego trwa dłużej. Na koniec wspomnimy o jeszcze jednym komponencie kotwicy, a mianowicie o bezpieczniku. Bezpiecznik mocowany jest na wysokości widełek, a jego zdanie polega na usprawnieniu współpracy widełek z palcem przerzutowym. Gdyby bezpiecznika nie było wówczas palec przerzutowy mógłby nie trafić w wycięcia widełek i spowodować zablokowanie wychwytu zwane wykotwiczeniem.

Oczywiście wychwyty to rozległy temat. Nawiązując do historii trudno nie wspomnieć o wychwycie cylindrowym, ale jeszcze większe znaczenie z punktu współczesności miały wychwyty chronometrowe. Zwłaszcza, że dziś najlepsze manufaktury zegarmistrzowskie takie jak np. Audemars Piguet, czerpią z rzeczonego dorobku. Bez wdawania się w szczegóły dodamy tylko, iż cechą wyróżniającą wychwyty chronometrowe jest brak ułożyskowanej części pośredniczącej w przekazywaniu impulsu z koła wychwytowego do regulatora. Innymi słowy, impuls z koła wychwytowego przenoszony jest bezpośrednio na oś balansu. Gwarantuje to mniejsze straty energii, a przy zmyślnie zmienionej geometrii zębów koła wychwytowego zapewniającej zmniejszenie odległości ślizgowej po powierzchni palety, wyklucza także konieczność smarowania. Dość powiedzieć, że np. firma Audemars Piguet w swoim wychwycie ocenia oszczędność energii na poziomie kilkudziesięciu procent w stosunku do tradycyjnego wychwytu kotwicowego, a odległość ślizgu zęba po powierzchni palety zmniejszono z 0,4 mm do zaledwie 0,05mm! Temat jest więc rozwojowy o czym między innymi świadczą dokonania Mosera, Patek Philippe, Ulysse Nardin, George Danielsa itd.

Regulator

W powyższym tekście pojawiło się kilka określeń, których nie mieliśmy jeszcze okazji wyjaśnić… kąt amplitudy, amplituda… o co chodzi? Tak oto doszliśmy do serca mechanizmu czyli regulatora. Jest to najbardziej krytyczny element mechanizmu zegarka w kontekście wypełniania jego podstawowej funkcji, a mianowicie pomiaru czasu. Regulatorem chodu w zależności od tego z jakim czasomierzem mamy do czynienia może być wahadło lub balans. W niniejszym tekście uwagę skoncentrujemy na kole balansowym. Dokładność pomiaru czasu w zegarkach mechanicznych to temat rzeka. Ilość czynników degradujących precyzyjne zmierzenie upływających sekund, jest tak duża, że ogrom uznania należy się dla konstrukcji wszystkich tych zegarków, które w dłuższym okresie czasu potrafią utrzymać założenia jakościowe chronometrów. Z idealną sytuacją mielibyśmy do czynienia wówczas, gdyby wahnięcia regulatora były izochroniczne. Izochroniczne czyli odbywające się w idealnie równych odcinkach czasu niezależnie od warunków otoczenia i przy równomiernym zużyciu energii. To jest utopia chociażby ze względu na fakt zmienności momentu napędowego o którym pisaliśmy w poprzedniej części tego działu. Czynników degradujących jakość pomiaru jest znacznie więcej, a dotyczą też temperatury, ciśnienia, a nawet sposobu użytkowania zegarka. Kreują one zmienność amplitudy zaburzając tym samym izochronizm. Czas, aby wyjaśnić pojęcia w obrębie których się poruszamy.

Jak działa regulator balansowy i z czego się składa?

Zasadnicze części regulatora balansowego to koło balansowe, oś balansu i włos. Praca koła balansowego jest możliwa za przyczyną siły sprężystości włosa, który musi być jakoś z balansem połączony. Wewnętrzny koniec włosa jest osadzony w pierścieniu na osi koła balansowego natomiast zewnętrzny w klocku. Pod balansem znajduje się również przerzutnik oraz palec przerzutowy, które omówiliśmy przy okazji opisu wychwytu. Z regulatorem balansowym współpracuje także jakiś rodzaj mikroregulacji z mechaniczną ingerencją we włos lub jej brakiem. Balans rzecz jasna jest osadzony na osi. Dodatkowo cienkie czopy osi balansu są zabezpieczone urządzeniem przeciwwstrząsowym na okoliczność silnych wstrząsów lub uderzeń. Historia sięga tu czasów Abrahama-Louisa Bregueta i pierwszego ułożyskowania sprężystego zwanego „Parachute”. Obecnie rynek został zmonopolizowany przez Incabloc.

Praca regulatora

Koło balansowe
Koło balansowe

W chwili otrzymania impulsu do regulatora następuje ruch koła balansowego. Dla zrozumienia zasady działania za punkt startowy (w domyśle równowagi stałej) przyjmujemy A. Balans porusza się tak długo jak naprężenie włosa na to pozwala, przyjmujemy punkt B. Od tego momentu następuje ruch powrotny. Energia zgromadzona we włosie odprowadza balans z powrotem jednak w trakcie tego ruchu balans nabiera energii kinetycznej, co pozwala poruszać mu się dalej (poza punkt A), do punktu C. Ruch ten trwa tak długo jak energia nie zmieni się w napięcie włosa, które w końcu zafunduje ponowny ruch powrotny. Jeżeli regulator nie będzie otrzymywał impulsów z wychwytu wówczas kolejne wahnięcia koła balansowego będą coraz słabsze. Jest to spowodowane stratami energii wynikającymi z tarcia w łożyskach oraz w materiale włosa, ujemny wpływ mają także opory powietrza itd. Czas na rozwikłanie pojęć, które dla wielu czytelników do tej pory wydawały się nieco enigmatyczne. Wahnięcie to ruch koła balansowego pomiędzy punktami zwrotnymi czyli takimi, w których naprężenie włosa nie pozwala na ruch balansu w jedną stronę (B-C). Odcinek pomiędzy punktami A-B lub A-C nazywamy amplitudą. Natomiast kąt wahania balansu równy jest dwukrotności amplitudy. Na tej podstawie rozróżniamy tzw. małe i duże wahnięcia. Wartością graniczną jest tu 440 stopni. Poniżej rzeczonej wartości mamy do czynienia z małymi wahnięciami, a powyżej z dużymi wahnięciami. Czas upływający pomiędzy ruchem koła balansowego od punktu B do puntu C i z powrotem do punktu B (czyli dwa wahnięcia) nazywamy okresem wahania. Okres ten zależy od momentu bezwładności, który wyraża się jako iloczyn masy i promienia bezwładności podniesionego do potęgi drugiej. Innymi słowy, moment bezwładności jest tym większy im masa jest bardziej oddalona od osi obrotu. Stąd właśnie producenci w zegarkach mechanicznych aspirujących do miana chronometrów stosują czasem wielkie jak stodoła koła balansowe. Ponadto najwięcej masy (w myśl wzoru) gromadzi się na obwodzie koła balansowego ponieważ tam jest najefektywniej wykorzystywana. Analizując dalej powyższe zależności warto dodać, iż koło balansowe waha się wolniej, gdy jest cięższe, a włos odpowiednio dłuższy odznaczający mniejszą sprężystością. I odwrotnie, gdy koło balansowe jest lżejsze, włos krótszy, a przy tym grubszy (czytaj: bardziej sprężysty) wówczas balans pracuje szybciej. Ilość wahnięć koła balansowego może być różna i wynosić na przykład 18000 wahnięć na godzinę, 19800 wahnięć na godzinę, 21600, 28800 lub nawet 36000 wahnięć na godzinę. Teoria mówi, iż przy większej liczbie wahnięć, regulator jest mniej podatny na zakłócenia, a więc zegarek odmierza czas dokładniej. Praktyka pokazuje jednak, że producenci radzą sobie z balansami pracującymi z szybkością 21600 wahnięć na godzinę osiągając wyniki charakterystyczne dla chronometrów. Przykładem takiego zegarka jest chociażby F.P.Journe Souveraine Chronometre Bleu. Wiele problemów można rozwiązać stosując balans o większej średnicy z bardzo precyzyjną mikroregulacją. Jakimś wyjściem z sytuacji byłoby też zwiększenie masy koła balansowego, ale z uwagi na wzrost tarcia w łożyskach jaki wiązałby się z takim krokiem, nie stosuje się tego typu rozwiązań. O tym jak firmy radzą sobie z zakłóceniami negatywnie wpływającymi na precyzję chodu zegarka oraz szerszy opis mikroregulacji wkrótce w części czwartej.