Годинниковий світ

Термін "годинниковий механізм" застосовується до повністю зібраного годинника без корпусу.

Годинниковий механізм складається з: шестерінчастого механізму з двигуном у вигляді заводної пружини, яка приводить в рух цей механізм, і анкерного механізму, стримуючого розпускання пружини і контролюючого швидкість обертання шестерінок.

Якщо до годинникового механізму додати стрілки, то вони реєструватимуть швидкість обертання шестерінчастого механізму на циферблаті.

Основні вузли механічного годинника збираються на платині - ниікель-срібної пластини, яка є основою годинникового механізму. Нікель-срібний сплав використовується в швейцарській годинниковій промисловості унаслідок своєї механічної міцності і довговічності. Окрім отворів для кріплення осей шестерінок, платина має цілу серію проточок, западин і виступів, що підвищують її механічну міцність і що дають можливість розмістити деталі годинникового механізму на порівняно малій площі. Протилежні кінці шестерінок кріпляться в отворах мостів - фасонних деталей, що закріплюються за допомогою гвинтів на платині. Застосування мостів полегшує збірку механізму і регулювання осьового люфта.

Для позначення розміру, форми годинникового механізму і платін, до яких він кріпиться, використовується термін калібр (Caliber). У Швейцарії калібри механізму указуються в лініях (Lignes). Одна лінія відповідає 2.255мм. Наприклад, круглий калібр в 10 ліній буде рівний 23.7мм в діаметрі. Круглі калібри поширеніші, хоча існують овальні, прямокутні з різаними краями, восьмикутні і так далі

Одній з складових точності ходу годинника є зниження тертя. Такі частини годинникового механізму, як осі шестерінок, вісь балансу, вісь вилки і так далі, спираються на синтетичні рубінові камені, що є плоскими мініатюрними циліндрами з воронками для утримання годинного масла. Застосування в годиннику рубінових каменів обумовлене тим, що втрати на тертя у передавальних пар повинні бути мінімальні. Цій вимозі задовольняє рубін, що має найменший коефіцієнт тертя в парі із сталлю, ще більш знижується в процесі експлуатації. Почало використання рубінових каменів йде до 1700 року, коли почали використовуватися природні рубіни. Використання синтетичних каменів почалося в 1902 році, і сьогодні без них не обходиться жодне годинне виробництво. Залежно від якості механізму зазвичай використовуються 7, 15, 17 каменів або 21 камінь. Зміна кінематичної схеми годинника і введення додаткових пристроїв веде до збільшення числа каменів, і в окремих випадках воно може досягати 68 і навіть 126 каменів (Calibre 89 Patek Philippe).

Як джерело енергії, що забезпечує роботу годинникового механізму застосовується спіральна пружина, розташована в барабані із зубчатим краєм. При закладі годинника, пружині повідомляється момент, що вигинає, який при розкручуванні перетвориться в момент барабана, обертання якого приводить в рух весь годинниковий механізм, що крутить. Недоліком пружинного двигуна є нерівномірність моменту, що крутить, передаваного набаланс, що приводить до неточності ходу годинника. Найбільший момент, що крутить, має повністю заведена пружина, найменший - розкручена. Із-за такої нерівномірності моменту, що крутить, виникає погрішність в частоті коливань балансу. А різниця навіть в 10 коливань в добу дає розбіжність з точним часом в дві секунди.

У особливо точному годиннику - "Морських хронометрах" (Marine Chronometer), для компенсації різниці моменту пружини, застосовується пристрій, зване уліткаusee). Воно є конусом, підставою якого є головна шестерінка годинникового механізму, на який спіральний навитий ланцюг. Один кінець ланцюга зачеплений за підставу конуса, інший кінець - за зовнішню поверхню пружинного барабана. Коли пружина заведена і має максимальний момент, ланцюг намотаний на конус повністю, при цьому конус надає максимальний опір обертанню за рахунок сили тертя. У міру того, як пружина розгортається, момент пружини зменшується. Одночасно із зменшенням моменту пружини зменшується і зусилля потрібне для повороту конуса. Таким чином, при правильно розрахованому конусі, момент пружини буде постійно однаковий, що забезпечить високу точність ходу годинникового механізму.

Для заводу наручного годинника також використовується механізм автоподзавода. Класичний механізм складається з ротора (інерційного сектора), що обертається навколо центральної осі годинника, і реверсивного пристрою, що забезпечує перетворення двостороннього обертання ротора в одностороннє обертання валу пружинного барабана. При різних рухах зап'ястя руки, під дією сили тяжіння, ротор повертається навколо своєї осі, зраджуючи через зубчату передачу обертання на вал заводної пружини, заводячи її. У такому годиннику пружинний барабан влаштований таким чином, що під час заводу пружини, досягши максимального моменту, пружина прослизатиме, запобігаючи поломці годинникового механізму.

Для передачі енергії від пружини через шестерінчастий механізм до балансу, а також підтримка його коливань і управління швидкістю обертання шестерінчастого механізму, служить анкерний механізм. Анкерний механізм складається з анкерного колеса (шестерінки), як правило, з 15 зубчиками, анкерної вилки, з впресованими в паллети синтетичними рубінами, і балансу. Анкер періодично звільняє зубчату передачу і перетворить енергію пружини в імпульси, передавані балансу для підтримки його коливань із строго певним періодом, і перетворення цих коливань в рівномірне обертання шестерінчастого механізму. Зігнуті кінці анкерної вилки називаються паллетамі. Їх дві - вхідна і вихідна. При підйомі вхідної паллети одночасно опускається вихідна, і анкерне колесо повертається на один зубець. Потім піднімається вихідна паллета і опускається вхідна, анкерне колесо повертається ще на один зубець і так далі Під час підйому вхідної паллети, під дією анкера, баланс повертається на пів-оберта до обмежувача, при цьому власна пружина балансу згортається. Під час опускання вхідної паллети, під дією власної пружини, що розгортається, баланс здійснює рух у зворотний бік до другого обмежувача. Таким чином, баланс постійно здійснює строго обмежені напівколивання, врівноважуючи тим самим хід годинникового механізму.

Оскільки само балансним колесом (баланс) є подвійний маятник, то на точність його ходу, як і у випадку з простим маятником, роблять вплив температура, тертя і сила тяжіння Землі. Оскільки балансне колесо роблять з металу, то воно, як і всі метали, схильні до розширення і стиснення під дією температури. Для мінімізації цього впливу колесо роблять біметалічним: з матеріалів з різним коефіцієнтом розширення, наприклад, стали і цинку.

Для зменшення сили тертя кінці осі балансу (цапфи) роблять дуже тонкими, порядка 0.07-0.08 мм. Тому при необережному поводженні з годинником може відбутися поломка цапфи. З метою оберігання осі балансу від поломки, для кріплення балансу в платині і мосту використовують протиударний механізм. У звичайній конструкції вузла балансу крізні камені, в яких знаходяться цапфи, жорстко запресовують в отвори платини і моста, а накладні камені - в отвори накладок, пригвинчених до площин платини і моста. Між каменями залишають зазори, що заповнюються при збірці вузла годинним маслом. У протиударному механізмі осі балансу запресовані в спеціальні рухомі опори. Рухома опора влаштована таким чином, що при осьовому ударі вісь балансу зміщуватиметься вгору до тих пір, поки широка частина осі балансу не упреться у вузький отвір крізного каменя, прийнявши на себе, таким чином, силу удару. При бічному ударі вісь балансу зміщуватиметься в бік до тих пір, поки не упреться своєю потовщеною частиною в стінку отвору опори. Таким чином, замість тонких цапф, всі навантаження приймають на себе потовщені частини осі балансу, оберігаючи перші від поломки і вигину.

Для компенсації явища гравітації на анкерний механізм були винайдені спочатку турбійонний регулятор в 1795 році, а потім на початку XX століття - карусель.