§ 9. Часовые двигатели

Пружинные двигатели. В часовых механизмах пружина во время завода накапливает в себе энергию, которая затем приводит в действие часовой механизм, механизм подачи сигналов или боя.

Как правило, каждый механизм приводится в действие своей пружиной, однако есть часы, в которых одна пружина работает на два механизма, например на механизм часов и боя.

Пружины, применяемые в часовых механизмах, размещают открыто (в будильниках) или в барабане (в наручных, карманных, во многих типах настольных часов и т. д.).

Барабан, в который заключают пружину, представляет собой сложный узел, состоящий из ряда деталей. Размеры барабана и его деталей определяются величиной часового механизма и необходимым крутящим моментом пружины.

Узел в сборе состоит из корпуса барабана, вала, пружины с накладкой и крышки.

На фиг. 101 показаны детали узла барабана наручных часов, где 1 — барабан в собранном виде, 2 — корпус, 3 — крышка, 4 — вал.

Фиг. 101. Детали барабана часов малого калибра.

Для нормальной работы пружина должна быть хорошо закреплена как внутренним концом к валу барабана, так и внешним к его корпусу. По высоте пружина должна располагаться свободно и не зажиматься крышкой.

На фиг. 102 показаны детали барабана стенных часов, где 1 — корпус барабана с крышкой, 2 — корпус барабана с пружиной и заводным валом, 3 — крышка барабана, 4 — вал барабана, 5 — пружина.

Фиг. 102. Детали барабана стенных часов.

Устройство барабанов различных видов часов (карманных, наручных, настенных и т. д.) принципиально одинаково.

Корпус барабана представляет собой цилиндр, на внешнем выступе которого нарезаны зубья; в центре имеется отверстие для цапфы вала барабана, а внутри в верхней части корпуса сделана выточка для крышки. На фиг. 103 показан корпус барабана в разрезе. Для установки крышки барабан имеет коническую выточку.

Фиг. 103. Корпус барабана в разрезе.

Пружина, устанавливаемая в барабан, должна быть по высоте меньше на 0,1 мм расстояния между дном и крышкой.

В большинстве часов крышки барабанов имеют внутреннюю расточку, за счет которой увеличивается зазор пружины в барабане. Измеряя высоту барабана, необходимо учитывать глубину этой расточки.

Определение размера высоты барабана может быть выполнено штангенциркулем. Им измеряют расстояние между посадочным местом крышки и наружной поверхностью дна барабана и вычитают толщину дна (фиг. 103).

Для определения высоты пружины полученный размер уменьшают на 0,1 мм. Если крышка имеет расточку, можно произвести замер общей высоты барабана с крышкой и полученный размер уменьшить на толщину дна и крышки.

Дно корпуса барабана и крышка не должны быть погнуты, в противном случае пружина местами может оказаться зажатой.

Число оборотов заводного барабана в механизме равно разнице между числом витков заведенной пружины и спущенной.

Внутренний диаметр заводного барабана измеряется штангенциркулем с тонкими губками или обычным штангенциркулем определяется его внешний диаметр и вычитается двойная толщина стенок.

В табл. 3 даны соотношения между нормальной толщиной пружины и внутренним диаметром заводного барабана, а также приведены толщины смежных пружин, более сильных и более слабых. Эта таблица составлена для часов, заводной барабан которых делает 4 оборота за 32 часа.

Последнее время в часах применяют заводные барабаны, обеспечивающие большую продолжительность хода (до 52 час.), за счет этого пружина имеет меньший перепад момента в течение суток. Если в часах требуется заменить пружину, желательно ставить заводскую, т. е. точно соответствующую старой. В том случае, когда для изготовления пружины используется лента, толщина ее должна быть такой же, как толщина заменяемой пружины. Толщина пружины измеряется микрометром или индикатором с точностью отсчета до 0,005 мм.

Выполняя измерение пружины, необходимо помнить то, что она имеет кривизну вдоль ленты; за счет этой кривизны можно получить размер, превышающий ее истинное значение.

Сечение ленты бывает обычно прямоугольным, малые стороны которого округлены; однако встречаются пружины желобчатые, толщина такой пружины должна измеряться по краю.

В последнее время в часах применяются пружины S-образной формы, наружный конец которых закручен в обратную сторону. Такие пружины имеют лучшие характеристики, чем обычные.

На фиг. 104, а-в показаны соответственно обычная спиральная, желобчатая и S-образная пружины.

Фиг. 104. Типы пружин.

Соотношения между диаметром заводного барабана и толщиной пружины приведены в табл. 3.

Пружины заводского изготовления поставляются потребителю в заневоленном состоянии.

Диаметр вала обычно равен 1/3 внутреннего диаметра барабана.

Рабочее пространство барабана не должно уменьшаться за счет плохо сделанного крепления внешнего витка. Пространство, занимаемое креплением уменьшает полезное количество оборотов барабана при развертывании пружины, т. е. уменьшает продолжительность хода часов.

При туго заведенной пружине наблюдается большая потеря энергии ее за счет того, что витки сильно прижаты один к другому, — возникает межвитковое трение, поглощающее часть энергии.

В целях уменьшения вредного влияния межвиткового трения в механизмах применяют устройства, обеспечивающие автоматическое раскручивание пружины в обратную сторону, — клекерные собачки с большим отходом назад. Кроме того, некоторые типы крепления внешних витков также способствуют уменьшению этого трения.

Закрепление пружины на валу барабана производят, как показано, на фиг. 105.

Фиг. 105. Крепление пружины на валу барабана.

Пружина на внутреннем конце имеет отверстие, в которое входит крючок вала барабана. При заводе пружины вал вращается в направлении, указанной стрелкой и пружина закручивается на вал.

Внешний конец пружины крепится к барабану различными способами, показанными на фиг. 106, а-з.

Фиг. 106. Способы крепления внешнего конца пружины.

Внутренний конец пружины подготовляют следующим образом. Ленту на длину диаметра вала барабана отпускают на спиртовке с постепенным переходом к закаленной части. Пользуясь специальным приспособлением — квадратным пуансоном, пробивают отверстие, затем круглогубцами делают первый виток.

При отпуске конца пружины на огне остальную ее часть защищают от тепла массивным пинцетом.

Окись, образующуюся во время отжига, удаляют тонкой наждачной бумагой.

Для пробивки отверстий в пружинах используют специальные пробойники, имеющие различную форму и размеры. Пробойники иногда выполняют в виде щипцов.

Пружины не рекомендуется брать непосредственно пальцами, так как остающиеся следы способствуют появлению коррозии. При установке пружины в заводной барабан рекомендуется пользоваться специальными, приспособлениями. Приспособление с набором различных по габариту форм (фиг. 107, а), имеющее сменные головки, может быть использовано для свивки пружин различного сечения. Аналогичное приспособление показано на фиг. 107, б, со сменными головками — на фиг. 107, в.

Фиг. 107. Приспособление для вставки пружин часов малых калибров.

При ремонте часов встречаются случаи поломки винтов, крепящих барабанное колесо к валу.

Если сломанный винт выступает над квадратом барабана, то, захватив его тисками, можно легко удалить. Когда этого сделать не удается, можно попытаться удалить винт, поворачивая его острым резцом.

В том случае, когда винт находится на уровне или несколько ниже плоскости квадрата вала барабана, предварительно отпустив конец вала, острым ребром надфиля делают поперечную прорезь на обломке винта и квадрате. После этого винт вывинчивают отверткой.

Сломанный и крепко засевший винт может быть удален после отжига вала барабана высверливанием. Цвета побежалости с вала удаляют погружением его в раствор соляной кислоты с последующим промыванием в воде.

Чистить пружину в бензине не рекомендуется, так как ее полное обезжиривание может привести к коррозии и обрыву. Имеют место случаи, когда пружина разрывается на большое количество мелких кусков.

При обрыве пружины могут быть сломаны зубья колес передачи и даже повреждены цапфы осей.

Установка пружины в заводной барабан во многом определяет срок ее службы. Пружина перед заправкой не должна растягиваться или навиваться на вал слишком маленького диаметра. Мечевидные накладки крепления внешнего конца имеют боковые выступы, используемые для того, чтобы закреплять пружину в барабане.

Утоненный конец накладки удерживает пружину при работе, обеспечивая ее равномерное развертывание, т. е. способствует уменьшению межвиткового трения.

Современные часы с автоматическим заводом имеют пружины с фрикционным кроплением внешнего конца. Такое крепление предотвращает поломку механизма автоматического завода при полном заводе пружины. Фрикционность создается скользящей накладкой, к которой крепится пружина; ее делают из более толстой ленты, чем лента пружины. Это обеспечивает проскальзывание пружины только тогда, когда последняя полностью заведена.

Заправка в барабан сильной пружины крупногабаритных часов без приспособлений затруднительна.

Приспособления для навивки и установки пружин крупногабаритных часов в барабан могут быть самых различных конструкций. В этих приспособлениях пружину внутренним концом закрепляют на валу и при помощи рукоятки навивают. На закрученной пружине закрепляют кольцо, исключающее раскручивание последней (фиг. 108, а). Приспособление должно иметь предохранительное храповое устройство, исключающее его поворот в обратную сторону под воздействием пружины.

Пружину вводят в заводной барабан непосредственно с кольцом или, удерживая последнюю рукой (фиг. 108, б), надевают на дружину барабан.

Пружины, применяемые в будильниках, навивают, используя более простое приспособление (фиг. 108, в).

Фиг. 108. Приспособления для заправки пружин крупных часов.

Вставку пружин без приспособлений крупногабаритных часов производят введением внешнего конца пружины в барабан и закреплением его в нем, а затем постепенно заправляют всю пружину. При заправке пружину необходимо хорошо удерживать, так как она может выскочить из барабана и повредить руки или сломаться.

Если необходимо вынуть пружину из барабана, необходимо извлекать ее, начиная с внутреннего витка.

Отверстия в корпусе и в крышке заводного барабана должны быть строго соосны; в некоторых часах делается метка на корпусе и крышке, используемая при посадке крышки; при таком монтаже узел имеет минимальное биение. Когда пружина полностью заведена, ее внешний конец должен идти по касательной к навернутой на вал пружине барабана без перегиба.

Крючок вала барабана часов малых калибров изготовляют вместе с осью из одного куска материала; повреждение его очень редко. При повреждении крючка его срезают. На этом месте высверливают и нарезают отверстие, в которое ввинчивают винт; последний обрабатывают по форме крючка. Следы износа на цапфах вала барабана необходимо удалять шлифованием и затем цапфы тщательно полировать. Шлифование и полирование необходимо производить на токарном станке с применением соответствующих инструментов и абразивов.

В барабанах, как и в колесах зубчатой передачи, встречаются погнутые зубья. В зависимости от размера барабана выпрямление зубьев производят отверткой или лезвием ножа. Если погнуто несколько смежных зубьев, правку их производят так, чтобы инструмент опирался на погнутые зубья. При выпрямлении возможна поломка наиболее слабых зубьев.

Вследствие особой формы зубчатого венца заводного барабана и ограниченности места, которым он располагает, не представляется возможным установить новые зубья или расклепать зубчатый сегмент. В этом случае в зависимости от толщины зубчатого обода каждый зуб заменяется одним или двумя латунными штифтами, а в отдельных случаях стальными штифтами. Отверстия намечаются трехгранной зенковкой, а затем просверливаются. Конический штифт устанавливают точно на уровне внутренней стенки, затем его обрабатывают по форме зуба.

Сломанный крючок корпуса, барабана обычно не восстанавливается, а ставится на другом месте новый.

Погнутое и поцарапанное дно барабана исправляется проточкой.

Если крышка барабана недостаточно надежно держится, следует несколько увеличить обточкой угол наклона посадочного места или на крышке, или на корпусе.

В отдельных типах часов корпус барабана имеет установочный штифт или выемку для крышки, позволяющие ставить крышку в определенном положении.

Перекос барабана, показанный на фиг. 109, недопустим. В таком положении барабан может войти в соприкосновение с другими частями механизма (в местах, указанных стрелками) и вызвать или вялый ход часов из-за увеличивающегося трения, или вовсе привести к остановке их.

Фиг. 109. Недопустимое положение барабана.

Чтобы проверить плоскостное биение заводного барабана, необходимо вынуть пружину, верхнюю цапфу оси заводного вала зажать в цанге, а затем, свободно вращая заводной барабан, следить за биением его верхней или нижней плоскости. Если биение большое, то, переставляя крышки, стараются найти наилучшее их положение, которое и отмечается; если же биение заводного барабана при вращении продолжается, то отверстие протачивают. Заводной барабан устанавливают на оправку и протачивают отверстие крышки. Далее, не вынимая барабана, снимают крышку и протачивают отверстие в корпусе. Резец должен снимать металл только острием, для этого его устанавливают немного под углом по отношению к стенке отверстия. При этом снимают очень небольшую стружку — сводится только биение. Расточенное отверстие для уменьшения радиального зазора можно стянуть пуансоном или в расточенное отверстие вставить втулку-футер.

Футер запрессовывают с небольшим натягом и немного расклепывают плоским пуансоном. Исправление отверстий в платине и мосту производят аналогичным образом, однако с той разницей, что вместо цанги для установки применяют планшайбу с приспособлением для центрирования. Сначала протачивают отверстие в мосту, затем мост снимают и растачивают отверстие в платине. Стягивание отверстий в платине и мосту производят соответствующими пуансонами.

Исследование зубчатого зацепления заводного барабана с трибом центрального колеса показывает, что оно часто имеет дефекты, в результате которых боковая сторона зубьев барабана сильно срабатывается.

Плохое зацепление значительно затрудняет передачу крутящего момента пружины, поэтому его необходимо исправить. Установив дефект, немного запиливают колонки моста и смещают его в нужном (направлении, если же дефект значительный, то лучше заделать отверстия в мосту и платине и с помощью приспособления наметить новое положение заводного барабана. При мелком зацеплении можно удлинить расклепкой зубья заводного барабана. Для выполнения операции расклепки зубьев может быть изготовлена специальная наковальня из куска часовой пружины так, чтобы она точно прилегала к поверхности корпуса барабана. Зубья обтачивают с верхней стороны корпуса. Для этой работы необходимо употреблять хорошо отшлифованный молоток.

Момент пружины двигателя меняется по мере раскручивания пружины. При полном заводе он больше, чем три конце завода. Это непостоянство момента влияет на точность хода часов.

Для выравнивания момента пружинного двигателя в некоторых часах барабан снабжается специальным стопорным устройством.

Одна из конструкций такого устройства, состоящего из кулачка 1 и креста 2, показана на фиг. 110, которую называют механизмом мальтийского креста.

Фиг. 110. Механизм мальтийского креста.

На фиг. 111 приведена характеристика работы пружинного двигателя, из которой видно, что наиболее прямолинейный участок расположен посередине (участки ВС и FE). С помощью механизма мальтийского креста, который позволяет сделать барабану только 4 оборота, выбирают этот прямолинейный участок. Повернув барабан примерно на 1 оборот, устанавливают палец в начальное положение. Через 4 оборота палец упирается в выступ звездочки, и происходит остановка механизма часов; таким образом это устройство как бы отрезает концы характеристики. Палец крепят на квадрате вала. При ремонте необходимо убедиться, что он не трется своей поверхностью о крышку барабана с одной стороны и о выточку платины — с другой. В обоих случаях это вызовет дополнительную потерю энергии пружинным двигателем.

Фиг. 111. Характеристика работы пружинного двигателя.

Работу стопорного механизма проверяют при снятой заводной пружине, что гарантирует его от случайных повреждений.

Разработанные отверстия, изношенные края пальца и звездочки могут создать затруднения в работе механизма. Механизм кажется очень простым, тем не менее его малейшая неисправность может вызвать остановку часов. Винт крепления креста должен быть завинчен до конца. В отдельных случаях дефект исправляют легким шлифованием, которое может быть произведено шлифующими порошками.

Если не удается восстановить работу механизма, то для его отключения надо снимать не палец, а звездочку. Однако необходимо помнить, что это ухудшает качество часов.

При ремонте часов бывают случаи, когда необходимо определить размеры заводной пружины (находящейся в барабане или новой). Такое определение может быть выполнено несложным расчетом и замерами. При выполнении расчета прежде всего определяется время 1 оборота барабана. Число зубьев барабана делится на число зубьев триба центральною колеса. Число оборотов барабана, необходимое для полной заводки, определяется делением минимума 36 (число часов хода) на число часов, в течение которого происходит 1 оборот барабана. Измерением определяется внутренний диаметр барабана и делится на отвлеченное число 12,5. Разделив полученное частное на число оборотов барабана, необходимое для полной заводки, получаем толщину пружины.

Размеры заводных пружин в мм приведены в приложении 3.

Пример. Барабан имеет z_б = 78; триб центрального колеса z'_ц = 12; внутренний диаметр барабана 12 мм. Определить толщину требуемой пружины.

z_б/z'_ц = 78/12 = 6,5·1 = 6,5 часа

36/6,5 = 5,5 оборота для полной заводки

12/12,5 = 0,96,

тогда толщина пружины будет равна

0,96/5,5 = 0,17 мм

Подсчет является примерным, и проверка его производится после установки пружины в барабан по занимаемой ею площади.

Пружина правильной длины обычно имеет от 11 до 13 витков.

Для наручных и карманных часов принято считать, что 1/3 пружинного двигателя внутреннего диаметра барабана занимает вал. Толщина всех витков пружины должна быть равна с каждой стороны 1/4 радиуса барабана. Если это условие соблюдено, то пружина подобрана правильно. Высоту пружины определяют замером, как это было описано выше.

Пружина нормальной длины и необходимого усилия обеспечивает 5,5 оборота вала барабана от начала до конца заводки.

Для суточной работы механизма требуется 3,5 оборота вала барабана. Два оборота являются резервными для случая несвоевременной заводки. Пружина с завышенным крутящим моментом увеличивает износ зубьев колес трибов, цапф осей и опорных отверстий в пластинах. Ремонтуар механизма будет изнашиваться быстрее и даже вызывать поломку (зубьев заводного и переводного трибов, барабанного колеса).

Пружина с малым крутящим моментом будет не в состоянии обеспечить нормальную работу регулятора хода — часы будут сильно отставать или даже останавливаться. Длинная пружина независимо от упругости непригодна, так как сокращает число оборотов барабана. Продолжительность работы часового механизма с длинной пружиной одинакова с продолжительностью работы механизма с короткой пружиной.

При короткой пружине часовой механизм не будет выхаживать установленное количество часов, и в конце суток механизм будет показывать время неправильно и останавливаться.

Узкая паужина недостаточно сильная, может обеспечить работу механизма однако при развороте будет изгибаться и создавать дополнительное трение о крышку и дно барабана.

Широкая пружина будет заклиниваться между дном барабана, создавая чрезмерное трение и выход крышки из посадочного места.

Часовому мастеру необходимо знать, что ржавление (коррозия представляет собой процесс соединения металла с кислородом воздуха.

При сухой поверхности стальных деталей процесс коррозии протекает медленно, присутствие влаги способствует более быстрому процессу.

Попадание на металл солей и кислот способствует процессу коррозии, что может иметь место при соприкосновении металла с потными пальцами рук.

На заводах в целях предохранения от коррозии на пальцы рук надевают резиновые напалечники, а механизмы прикрывают пыльниками.