Napęd mechanizmu zegarka, oraz dodatki poprawiające jego działanie i użyteczność

O mechanizmie – jako o rzekomym napędzie zegarka możemy przeczytać w niektórych branżowych opracowaniach, a wskazanie rezerwy chodu jest jedną z najpopularniejszych komplikacji konstrukcji mechanizmu zegarka związanych z zespołem napędu. Z tych powodów warto przeprowadzić krótki wywód na wskazany tytułem temat.

Dodatkowym argumentem dla przeprowadzenia niniejszych rozważań jest unikatowa konstrukcja wskazania rezerwy chodu, jaką zastosował w swoim zegarze gabinetowym konstruktor i zegarmistrz - Karol Roman. Zegar ten został przekazany na licytację, a pieniądze z niej uzyskane zasiliły fundusz Wielkiej Orkiestry Świątecznej Pomocy AD 2020.

Już na wstępie trzeba jednoznacznie stwierdzić, że mechanizm zegarka napędza tylko jego wskazówki i ewentualne, obecne w niektórych wyrobach inne elementy wskazań. Mechanizm może też wyzwalać działanie dodatkowych, niezależnych zespołów z nim współpracujących.

Z tego powodu sugestie i czasem używane określenie, jakoby „mechanizm był napędem zegarka” jest określeniem kompletnie pozbawionym sensu!

Trzeba pamiętać, że elementem funkcjonalnym mechanizmu zegarka jest zespół napędu, który napędza mechanizm i który jest silnikiem o ograniczonym zasobie energii. Jego zadaniem jest zgromadzenie zapasu energii potencjalnej w postaci napięcia sprężyny napędowej, która jest dostarczana poprzez zespół naciągu. Energia ta jest niezbędna dla prawidłowego działania mechanizmu zegara w ciągu całego założonego czasu pracy, aż do kolejnego nakręcenia. W postaci momentu napędowego jest ona udostępniana na wejściu przekładni chodu.

Bilans energetyczny dla modułu napędu

Mechanizm zegarka jest urządzeniem konstrukcyjnie dość skomplikowanym pod względem zapotrzebowania energetycznego, a do tego, jest doskonałym „rozpraszaczem energii”.

Cała zgromadzona w module napędu i udostępniona na wejściu przekładni chodu energia jest rozpraszana przez zegarek w ciągu założonego na etapie projektowania konstrukcji mechanizmu okresu pracy. Zegarek jako całość, nie wykonuje żadnej czynności w języku potocznym nazywanej pracą. Nie powoduje przemieszczenia, obrotu, transformacji, czy przeniesienia energii do innego urządzenia. Jedynym widocznym efektem pracy mechanizmu zegarka jest przemieszczanie się wskazówek, innych elementów zespołu wskazań, lub wyzwalanie zespołów współpracujących z mechanizmem zegarka.

Sukcesywnie emitowana z modułu napędu energia musi zapewnić pokonanie oporów ruchu w każdym elemencie mechanizmu, gdzie choćby w przypadku rozbudowanego układu wskazań, zespół ten może potrzebować jej stosunkowo dużo. Dodatkowo, sama konstrukcja przekładni chodu i urządzenia wskazującego powoduje powstawanie znacznych różnic w chwilowych oporach ruchu. Spowodowane tym, znaczące wahania momentu chwilowego na wejściu modułu wychwytu, tak przy zbyt dużym, jak i przy zbyt małym jego poziomie, mogą mieć decydujący wpływa na dokładność działania zegarka. Sam oscylator zegarka, musi rozproszyć całą część energii, która jest mu przekazana przez moduł wychwytu.

Elementy zespołu napędu w standardowych mechanizmach

Sprężyna jako najważniejszy element zespołu napędu

Cała energia zegarka jest zmagazynowana poprzez naprężenie sprężyny napędowej. Pierwsze zastosowanie sprężyny płaskiej do napędu zegara jest datowane na XV wiek. Wiadomo, że sprężyny płaskie spiralne były używane w zamkach drzwiowych już od początku tegoż wieku, a zegarmistrzowskie i ślusarskie zajęcia były wykonywane przez te same osoby.

Najstarszym istniejącym przykładem zastosowania sprężyny do napędu zegara jest Zegar Burgundzki pochodzący z 1430-go roku (wykonany w Padwie dla Filipa Dobrego), znajdujący się w muzeum w Norymberdze. Spiralnie ułożonej sprężyny płaskiej użył na pewno Peter Henlein w pierwszym zegarze noszonym - w roku 1510.



Ruchomy bęben wewnątrz którego zamknięto pracującą sprężynę napędową, po raz pierwszy zastosował Jean-Antoine Lépine w roku 1760. Użycie bębna było o tyle istotne, że zmieniło ono zachowanie się mechanizmu w trakcie nakręcania. W tym rozwiązaniu w trakcie nakręcania nie zanika moment napędowy, a sam bęben ogranicza przestrzeń zajmowaną przez rozwiniętą (także pękającą) sprężynę napędową. Nieruchomy bęben chroniący mechanizm przed zgubnymi skutkami pęknięcia sprężyny, na pewno był protoplastą dla bębnów sprężynowych do dzisiaj stosowanych w zegarkach mechanicznych.

Pękanie sprężyny napędowej było bardzo częstym uszkodzeniem zegarów i zegarków. Ocenia się, że do lat 60. poprzedniego wieku, pęknięcie sprężyny z powodu zmęczenia materiału, było najczęstszym powodem psucia się zegarków. Do pęknięcia sprężyny dochodziło zwykle w końcowym momencie procesu nakręcania zegarka.

Dopiero specjalny sposób walcowania taśmy stalowej w trakcie procesu produkcji sprężyny, powodujący powstanie układu warstwowego w strukturze wewnętrznej stali (sprężyna warstwowa), zminimalizował częstotliwość występowania tego uszkodzenia.

Bardzo ciekawym udoskonaleniem było walcowanie sprężyny w taki sposób, by przed jej włożeniem do bębna, lub po wyjęciu z niego, przyjmowała ona kształt litery „S” (sprężyna „S-ka”).

Taki sposób wykonania sprężyny powoduje, że przy jej rozwijaniu się w bębnie, w czasie gdy zewnętrzne zwoje układają się na ściance bębna, wewnętrzne pozostają cały czas naprężone. Dla odmiany przy zwijaniu sprężyny zwoje zewnętrzne dopiero po całkowitym zwinięciu wewnętrznych odrywają się od ścianek bębna.

Takie układanie się zwojów wpływa na minimalizację niebezpieczeństwa zakleszczenia się sprężyny w trakcie pracy. Tak jak w przypadku większości wynalazków, także takie „S-kowate” ukształtowanie taśmy stalowej było odpowiedzią na pojawiający się często błąd kleszczenia się sprężyny. Jego wystąpienia ograniczało możliwość stosowania długich sprężyn, niezbędnych dla uzyskania większej rezerwy chodu mechanizmu.



Zapadka

Mimo że zapadka jest podstawowym elementem zespołu naciągu, to jej konstrukcja odgrywa także ważną rolę w zespole napędu zegarka.  

Zapadka jest wykonywana w taki sposób, by sprężyna napędowa nieznacznie cofała się po jej maksymalnym naciągnięciu. W taki sposób zwolniona z maksymalnego napięcia  sprężyna, pewniej rozpoczyna swoją pracę i dłużej utrzymuje swoją sprężystość.

Przekładnia napędowa

W najprostszej wersji konstrukcji mechanizmu zegarka przekładnię napędową stanowi wieniec zębaty bębna i zębnik koła minutowego. W zależności od użytej sprężyny i konstrukcji modułu napędu, może być konieczność użycia bardziej rozbudowanej przekładni napędowej zegarka. Przełożenie przekładni zależne jest tylko i wyłącznie od bilansu energetycznego mechanizmu.

Powyżej wskazane elementy spotkamy w każdym, współczesnym zegarku mechanicznym. Poza nimi, w obecnych na rynku zegarkach możemy zobaczyć specjalne sposoby i znaleźć dodatkowe elementy będące ciekawymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi przydatnymi dla poprawy parametrów pracy oraz własności funkcjonalnych urządzenia.  

Optymalizacja pracy modułu napędu

Smarowanie sprężyny

Dla minimalizacji strat energii wynikającej z tarcia zwojów rozwijającej się sprężyny między sobą, oraz tarcia zwojów o płaszczyzny bębna, poza tradycyjnym smarowaniem, firmy zegarkowe stosują swoje indywidualne, nie ujawniane publicznie rozwiązania. Takie postępowanie owocuje czasami zastrzeżeniem producenta, by w trakcie serwisu nie otwierać bębna sprężyny, lub wskazują oni precyzyjną instrukcją sposób przeprowadzenia serwisu i rodzaju  stosowanych specyfików.

Pożyteczne, dodatkowe elementy zespołu napędu stabilizujące moment napędowy

Jednym z kierunków rozwoju mechanizmów zegarowych jest stabilizacja momentu napędowego na wyjściu modułu napędu – wejściu przekładni chodu.

W dzisiaj istniejących mechanizmach znajdziemy przykładowo:

Krzyż maltański

Dzięki zastosowaniu krzyża maltańskiego ograniczany jest zakres pracy sprężyny, co powoduje pracę mechanizmu w optymalnym - najbardziej stałym przedziale momentu napędowego.



Bęben wyrównawczy

Jako że moment napędowy sprężyny zmniejsza się wraz z jej rozwijaniem się, to w zegarkowych konstrukcjach pojawił się ciekawy sposób na jego stabilizację.

Bęben wyrównawczy poprzez zastosowanie cięgna i uzyskanie zmiennego przełożenia wyrównuje moment napędowy na wyjściu zespołu napędu.



Motor barrel

W amerykańskich konstrukcjach zegarkowych wprowadzono rozwiązanie znane jako: „Motor barrel”, w którym zmniejszany jest wpływ tarcia, a dodatkowo konstrukcja umożliwia zastosowanie łożyskowanie elementów zespołu w panewkach mineralnych – kamieniach.



Minimalizacja siły tarcia optymalizuje wartość i chwilowe zmiany momentu napędowego.

Spherodrive

Jak można zauważyć w Kalendarium ewolucji mechanizmów portalu Zegarki i Pasja, zaprezentowane w roku 2009  rozwiązanie marki Eterna o nazwie „Spherodrive” polega na łożyskowaniu bębna za pomocą łożysk kulkowych.

Rozwiązanie to w swojej koncepcji zbliżone jest do konstrukcji amerykańskiej – „Motor barrel”, a dzięki zastosowaniu łożysk kulkowych w jeszcze lepszym stopniu obniża tarcie powstające na osi bębna. Należy zwrócić uwagę, że w tym rozwiązaniu dolne łożysko kulkowe jest zdublowane.



Trzeba pamiętać, że powyżej wskazane rozwiązania nie dostarczają dodatkowej energii, a tylko stabilizują moment napędowy, jaki otrzymujemy na wyjściu zespołu napędu – wejściu przekładni chodu.

Zwiększenie rezerwy chodu poprzez zwiększenie energii zmagazynowanej w zespole napędu

Dłuższa sprężyna

Zastosowanie większego bębna napędowego pozwalającego na użycie dłuższej sprężyny wydaje się być najprostszym sposobem uzyskania większej rezerwy chodu. Taka droga jest rzeczywiście najprostsza i do chwili, gdy nie jesteśmy ograniczeni gabarytami zegarka, jest na pewno także korzystna. Z tego powodu sposób ten jest znany od dawna i wykorzystywany do dnia dzisiejszego.

Z tego powodu na rynku można spotkać czasomierze z takim rozwiązaniem konstruowane w różnych okresach zegarkowej historii. Szczególnie teraz, gdy promowane są zegarki duże i bardzo duże, sposób ten znajduje częste uznanie.

Multiplikowanie liczby bębnów napędowych

By wydłużyć rezerwę chodu nie zwiększając znacząco gabarytów mechanizmu, można stosować większą liczbę bębnów napędowych. Dzięki odpowiedniemu ich usytuowaniu i rozplanowaniu miejsca na pozostałe elementy mechanizmu, przy tej samej rezerwie chodu, finalny wzrost wymiarów mechanizmu może być mniejszy niż dla jednego dużego bębna.

Rozpatrując użycie większej liczby bębnów napędowych, ważnym jest sposób ich połączenia między sobą.

Jeśli pracują one równolegle, to zwiększa się znacząco moment napędowy (suma momentów napędowych wszystkich bębnów), przy tej samej liczbie obrotów napędzanego zębnika. Dla połączenia szeregowego identycznych bębnów moment napędowy pozostaje na poziomie podobnym do pojedynczego bębna, ale zwiększa się znacznie możliwa do wykonania liczba obrotów bębnów, a co za tym idzie, także liczba obrotów napędzanego zębnika.



Bardzo ciekawa jest konstrukcja zespołu napędowego składającego się z czterech bębnów stosowana w zegarkach Chopard LUC Quatro. W tym rozwiązaniu bębny są parami połączone w sposób równoległy, a w pakiet w sposób szeregowy.

Dla konkretnych rozwiązań z zastosowaniem większej liczby bębnów napędowych, w materiałach informacyjnych producenci zwykle nie podają sposobu ich połączenia.

Użytkowe dodatki

O ile w powyższych dwóch punktach zostały przedstawione modyfikacje modułu napędu prowadzące do stabilizacji momentu napędowego, oraz wydłużenia rezerwy chodu – czyli poprawy parametrów roboczych mechanizmu, to poniżej omówione zostaną kolejne modyfikacje modułu napędu – tym razem te, które nie poprawiając parametrów technicznych, są mniej lub bardziej przydatne użytkowo. Są nimi: popularne ostatnio wskazanie rezerwy chodu i bardzo rzadko spotykany dynamograf (właściwie momentometr).

Opisując zasadę działania każdego z tych zespołów, warto zwrócić uwagę, że gdyby moment napędowy generowany przez sprężynę miał charakterystykę liniową w całym zakresie jej pracy, to obydwa omawiane tutaj wskazania byłyby identyczne. Wynika to z faktu, że wskazanie rezerwy chodu pokazuje ile obrotów przekładni chodu zapewnia zespół napędu dla danego rozwinięcia sprężyny, a momentometr wskazuje chwilowy moment napędowy, czyli naprężenie tejże sprężyny przy tym samym rozwinięciu.

Dynamograf (momentometr)

Chwilowa wartość momentu napędowego jaką wskazuje momentomierz, może „tłumaczyć sposób zachowywania się” mechanizmu zegarka, a w szczególnym przypadku może sugerować konieczność „dokręcenia” sprężyny napędowej. Dla konstruktorów zegarków wyznacznikiem wysokiej jakości mechanizmu jest jak najlepsza stałość momentu napędowego, którego to chwilową wartość można obserwować właśnie dzięki momentomierzowi.



Zespół ten jest stosowany zaledwie w kilku zegarkowych mechanizmach.

Wskazanie rezerwa chodu

Warto zauważyć, że wskazanie rezerwy chodu dla zegarków, które mają mały jej zapas (do ok. 45 godzin) wydaje się nie poprawiać funkcjonalności, bo odłożenie takiego zegarka choćby na dwa wolne dni i tak skutkuje jego zatrzymaniem się, przed ponownym wzięciem go do ręki po takiej przerwie. Za minimalną, mającą sens wskazywania rezerwę chodu, niektóre firmy przyjmują wartość dopiero na poziomie 70-100 godzin pracy (3-5 dni).

Rezerwa chodu dla zegarków z wielodniową rezerwą chodu, tak przy naciągu automatycznym, jak i manualnym, jest dla odmiany bardzo cennym rozwiązaniem, bo wskazanie jednoznacznie informuje, że zegarek cały czas „trzyma czas”, oraz że może funkcjonować przez wskazywany przyszły okres bez konieczności jakiejkolwiek ingerencji – dokręcenia zegarka.

Zgodnie z informacją zawartą w Kalendarium ewolucji mechanizmów portalu Zegarki i Pasja, w wyrobach noszonych prototypy wskazania rezerwy chodu powstały już w roku 1933, a próby zegarka z rezerwą chodu przeprowadzała marka Breguet.

Jednak pierwszym wprowadzonym do produkcji masowej zegarkiem ze wskazaniem rezerwy chodu (reserve de marche) był model marki Jaeger- LeCoultre wyposażony w mechanizm o oznaczeniu kaliber 481. Był to rok 1948.



Dla działania wskazania rezerwy chodu niezbędne jest związanie go z jednej strony z modułem napędu – wskaźnik przemieszcza się w kierunku większej wartości przy nakręcaniu, oraz z drugiej strony z przekładnią chodu – wskaźnik przemieszcza się w dół skali jako efekt chodu zegarka.

Nakręcanie zegarka i ruch przekładni chodu działającego zegarka, dla wskazania rezerwy naciągu stoją do siebie w opozycji, a zmiana położenia wskaźnika jest różnicą dla tych dwóch wpływów. Elementem sprzęgającym te dwa zespoły jest mechanizm różnicowy (dyferencjał). Tego typu konstrukcje są najlepiej znane i stosowane powszechnie w motoryzacji. Tyle, że w motoryzacji mechanizm różnicowy służy do przeniesienia momentu napędowego, czyli dużych obciążeń, a we wskazaniu rezerwy chodu służy on tylko do transmisji informacji. Z tego powodu w konstrukcjach zegarkowych możliwe jest stosowanie bardzo uproszczonych konstrukcji.  

Wskazanie rezerwy chodu w zegarze gabinetowym Karola Romana

Dla realizacji zespołu wskazania rezerwy chodu w istniejących zegarkach z taką komplikacją mechanizmu, stosowany jest cały rząd dodatkowych elementów składowych.

Genialną realizację takiego wskazania przedstawił polski zegarmistrz Karol Roman w swoim zegarze gabinetowym wykonanym w roku 2019 i przeznaczonym na aukcję WOŚP w 2020 roku.



W rozwiązaniu Karola Romana na płaszczyznach kół powiązanych: jedno z przekładnią naciągową, a drugie z przekładnią chodu nacięta została spirala Archimedesa. Po między takimi kołami znalazło się jarzmo z kołem zębatym o module dobranym odpowiednio dla skoku spirali Archimedesa. Dzięki takiej konstrukcji jarzmo przesuwa się w jedną stronę przy ruchu przekładni chodu i w drugą przy nakręcaniu zegara. Pozycja jarzma jest wskazaniem rezerwy chodu mechanizmu.

Aplikacja tego rozwiązania do zegarków z wykorzystaniem powierzchni: koła naciągowego (koła płaskiego) i czoła bębna dla naniesienia spirali Archimedesa, ogranicza do minimum liczbę dodatkowych części dla realizacji wskazania rezerwy chodu.

Informacja o konstrukcji zegara gabinetowego Karola Romana znajduje się tu: Jedyny taki zegar na świecie – zegar gabinetowy Karola Romana.

Więcej informacji na podane powyżej tematy można znaleźć na portalu Zegarki i Pasja w serii opracowań pod ogólnym tytułem: „Komplikacje konstrukcji mechanizmów”.

Redakcja Zegarki i Pasja