W publikacji "Mechanizmy Zegarowe" Profesora Zdzisława Mrugalskiego, autor przeprowadził bardzo szczegółowe rozważania na temat wymogów stawianych sprężynie w zegarowym bębnie. Wskazał tam między innymi zależności występujące pomiędzy wielkościami geometrycznymi bębna, sprężyny i wałka sprężyny.
Jako, że poprawne obliczenie - dobranie sprężyny napędowej nie jest wcale prostą sprawą, pozwoliłem sobie na próbę wyprowadzenia uproszczonej metody obliczania sprężyny napędowej.
Poniżej przedstawiam ciekawe ale i ważne zależności pomiędzy parametrami sprężyny napędowej, a wymiarami bębna.
Rozważając parametry sprężyny pracującej w bębnie można udowodnić1, że dla uzyskania maksymalnej ilości obrotów bębna, a zatem i największej rezerwy chodu zegarka wewnętrzna średnica rozwiniętej sprężyny powinna być równa (w praktyce równa w przybliżeniu) średnicy zewnętrznej sprężyny zwiniętej.
Ten warunek jest równoznaczny z tym, że sprężyna napędowa może zajmować tylko połowę powierzchnie wolnej w bębnie napędowym.
Liczba obrotów jakie wykona bęben jest równa różnicy ilości zwojów sprężyny zwiniętej i rozwiniętej w bębnie napędowym.
Jako, że szerokość taśmy sprężyny i wysokość bębna są stałe i niezależne od stanu sprężyny, to rozważania przeprowadzamy tylko dla przekroju poprzecznego – pozostając w przestrzeni dwuwymiarowej.
Mając do czynienia z konkretnym zegarkiem i funkcjonującym już rozwiązaniem, możemy zmierzyć średnicę wewnętrzną bębna, a także średnicę zewnętrzną wałka sprężyny.
Uproszczone obliczanie sprężyny napędowej
Tak, jak wspomniałem na wstępie, poprawne obliczenie sprężyny napędowej nie jest prostą sprawą. Z tego powodu pozwoliłem sobie na próbę wyprowadzenia uproszczonej metody obliczania sprężyny napędowej. W tym celu posłużyłem się oczywiście wzorami omówionymi we wskazanej kilkukrotnie literaturze.
Uproszczenie tych wzorów polega na przyjęciu stałej zależności pomiędzy głównymi wymiarami – średnicą bębna i wałka sprężyny.
Po zmierzeniu kilkuset (!) bębnów zegarków na jakich pracowałem w ciągu trzech lat (lata 80te XX wieku) doszedłem do wniosku, że dwa podstawowe parametry niezbędne do obliczenia sprężyny mają w miarę stałe proporcje.
Dotyczy to proporcji między wewnętrzną średnicą bębna (Db) i zewnętrznej średnicy wałka sprężynowego (da), dla których wartość parametru Db/da mieści się w granicach od 2,9 do 3,2
Przy takim założeniu możemy wskazać uproszczone wzory dla dobrania grubości i długości sprężyny w bębnie. Dzięki temu grubość i długość sprężyny możemy wyznaczyć na podstawie pomiaru średnicy wewnętrznej bębna napędowego.
Wynoszą one odpowiednio:
1. Grubość sprężyny: t = 0,0115 x Db [mm]
2. Długość sprężyny: L = 32 x Db [mm]
W przypadku obliczania długości sprężyny popełniamy wprawdzie błąd rzędu ± 10%, (a pewnie mniej), ale w rzeczywistości i tak długość sprężyny jest zależna od jej dostępności – wartości katalogowej.
Szerokość sprężyny należy obliczyć z pomiaru przestrzeni pomiędzy dnem bębna a pokrywą zapewniając taśmie sprężyny luz około 0,1 mm.
Serwis sprężyny i bębna sprężyny
Demontaż bębna – wyjęcie sprężyny
Bęben otwieramy opierając wałek o płaską twardą powierzchnię i naciskając bęben jednocześnie asekurujemy palcem pokrywę.
W kolejnym kroku wyjmujemy sprężynę. Zajęcie to może być wręcz niebezpieczne, więc przy jego wykonywaniu należy zachować szczególną ostrożność.
Nawet rozwinięta sprężyna w bębnie ma jeszcze zmagazynowaną dużą ilość energii. Przy nieostrożnym wyjmowaniu może sama gwałtownie wyskoczyć i uderzyć nas choćby w oko, lub nadać bębnowi dużą prędkość obrotową, co w zależności od sposobu jego zatrzymania się, może doprowadzić do jego zniszczenia.
Jak bezpiecznie wyjąć sprężynę?
Zależy to przede wszystkim od tego, czy chcemy zachować sprężynę czy nie. Zawsze ostrożnie i koniecznie delikatnie… jeśli chcemy sprężynę użyć ponownie.
Obecnie wiele firm, szczególnie tych z górnej półki, zaleca nie tylko wymianę sprężyny przy każdym serwisie, ale i wymianę całego bębna z fabrycznie zainstalowaną sprężyną.
Ten wymóg będzie lepiej zrozumiały po przeczytaniu wskazań do regulacji i sprawdzanie bębna przed zainstalowaniem sprężyny.
Do bezpiecznego wyjmowania sprężyn z bębna i do zwijania sprężyn i wkładania do bębna można użyć specjalnego, uniwersalnego narzędzia. Do wyjmowania sprężyny służy jego górna część, do zwijania dolna.
Sprężyn typy „S” nie smaruje się z dwóch powodów. Po pierwsze: fabrycznie pokryte są cienką warstwą teflonu, po drugie: sprężyna tego typu tak jest zaprojektowana, że w pierwszej kolejności odwijają sie zwoje zewnętrzne. Z tego powodu nie zachodzi tu zjawisko tarcie między zwojami i smarowanie jest zbędne.
Sprężyny typu S nie mogą być zginane. Sprężyna pęka w miejscu zgięcia. Uwaga ta jest ważna w aspekcie możliwości wykonania zaczepu sprężyny, który to element w sprężynach o kształcie spiralnym był przy punktowym rozhartowaniu taśmy wykonywany przez zegarmistrzów.
W sprężynach starszego typu o kształcie spiralnym, największe naprężenia w sprężynie występują w wewnętrznych zwojach i sprężyna w czasie pracy „rozpycha” się. Dla tego rodzaju sprężyn smarowanie jest niezbędne.
Ze względu na sposób działania sprężyny, w bębnie smarujemy (zwilżonym papierem bezpyłowym) wyłącznie płaskie powierzchnie bębna i pokrywy. Z tymi elementami trą się krawędzie boczne sprężyny. W bębnach z naciągiem automatycznym, wewnętrzną, boczną powierzchnię bębna smarujemy specjalnym smarem.
Czyszczenie
Aby wykonać sprawdzenia i wymiany sprężyny, wszystkie części bębna i narzędzia powinny być czyste. Do ręcznego, wstępnego czyszczenia używamy czyszczaka z miękkiego drewna. Należy nim usunąć resztki smaru z wewnętrznych krawędzi bębna oraz oczyścić otwory łożyskowe bębna i pokrywy. Po przeprowadzeniu tej czynności myjemy i suszymy wszystkie elementy.
Sprawdzenie
Zanim przystąpimy do jakiejkolwiek naprawy lub montażu sprężyny sprawdzamy wzrokowo wszystkie części.
Następnie montujemy (zamykamy) bęben z wałkiem ale bez sprężyny. Podczas otwierania bębna, którą to czynność przeprowadzaliśmy pokrywa mogła ulec lekkiemu odkształceniu, co w efekcie mogło spowodować zbyt duży luz wzdłużny. W tej operacji podlega on sprawdzeniu.
Zamykanie bębna
W celu uniknięcia jakichkolwiek dodatkowych zniekształceń pokrywy powinniśmy ją zamknąć przy pomocy prostego przyrządu pokazanego na zdjęciu.
Sprawdzenie luzu wzdłużnego
Chwytamy bęben płaską pensetą lub w klubce za wałek i lekko potrząsamy. Po wielkości ruchy wzdłużnego na wałku lub/oraz odgłosu potrząsanego bębna można ocenić wielkość luzu.
Luz wzdłużny kasuje się przez delikatne prostowanie pokrywy. Należy ją oprzeć na brzegach i naciskając w środku kasujemy (lub powiększamy) luz. W takim uchwycie można też sprawdzić swobodne obracanie się bębna. Powinien płynnie się obracać.
Sprawdzenie luzu poprzecznego
Chwytamy wałek klubą do wałków i sprawdzamy luz poprzeczny przez wprowadzenie bębna w ruch obrotowy przy pomocy pędzelka. Jeśli luzy są nadmierne, to albo bęben nie będzie się płynnie obracał albo będzie wydawał grzechotliwy dźwięk. W takim przypadku trzeba wykonać korektę otworów łożyskowych.
Otwory łożyskowe w bębnie i pokrywie zmniejszamy używając odpowiednich nabijaków zmniejszających łożysko. Po zmniejszeniu otworów wygładzamy gładkim rozwiertakiem i sprawdzamy luz na wałku. Oczywiście po naprawie czyścimy i jeszcze raz sprawdzamy poprawność działanie wszystkich elementów.
Wit Ładysław Jarochowski
Absolwent wydziału Mechaniki Precyzyjnej PW. Zegarmistrz, certyfikowany Instruktor programu zegarmistrzowskiego WOSTEP w Stanowym Uniwersytecie Oklahoma (OSUIT), USA.
[1] Z.Mrugalski. Mechanizmy zegarowe. WNT. Warszawa 1972