Komplikacje konstrukcji modułu napędu zegarka – część 1

Zadania stawiane modułowi napędu, jego wczesne zmiany konstrukcyjne i przyjęte jako bazowe rozwiązanie, są opisane we wprowadzeniu do niniejszych rozważań – „Epizod 5 – Napęd. Sprężyna w bębnie”

Jak można zaobserwować, zmiany konstrukcyjne modułu napędu w stosunku do rozwiązania bazowego idą w dwóch różnych kierunkach. Pierwszym z nich jest zmniejszenie strat energii w tym elemencie i stabilizacja momentu napędowego zegarka, a drugim jest zmagazynowanie większej energii w module napędu. Co ciekawe, stabilizacja momentu napędowego zegarka stoi w pewnej opozycji do możliwości wykorzystania większej energii i z tego powodu w konkretnych rozwiązaniach konstruktorzy muszą optymalizować wpływ obydwu  tych czynników.

Dzięki modyfikacjom modułu napędu można osiągnąć lepszą dokładność działania czasomierzy, oraz wydłużyć ich rezerwy chodu. Osiągnięcie tego ostatniego celu jest możliwe poprzez wskazane powyżej zmagazynowanie większej energii (napęd zegarka – sprężyna w bębnie jest silnikiem o ograniczonym, ale możliwym do zmiany zasobie energii), minimalizację strat energii w samym module napędu, jak i  zmniejszenie zapotrzebowania energetycznego przez wykorzystujące ją kolejne zespoły funkcjonalne zegarka.

Oczywiście w konkretnych rozwiązaniach stosuje się, czasami równocześnie, tak stabilizację momentu napędowego, wydłużenie rezerwy chodu, jak i zmniejszenie zapotrzebowania energetycznego kolejnych bloków funkcjonalnych zegarka.

W zegarkowym rozwoju praktycznie nie ma zmian w przekładni napędowej, na którą w mechanizmie bazowym składa się wieniec zębaty bębna i zębnik koła minutowego (central wheel), ale też w tym elemencie trudno doszukiwać się dużych możliwości wprowadzenia korzystnych zmian.

Jako, że w niniejszych rozważaniach zajmujemy się tylko modyfikacjami modułu napędu zegarka, to niniejsze rozważania dotyczą tylko stabilizacji momentu napędowego i wydłużenia rezerwy chodu.

Ze względu na obszerność materiału  został on podzielony na dwie części.

Stabilizacja momentu napędowego

Jednym z kierunków rozwoju mechanizmów zegarowych jest stabilizacja momentu napędowego na wyjściu modułu napędu – wejściu przekładni chodu. Do udoskonaleń wpływających na stałość napędu, tak historycznie znanych i czasami jeszcze stosowanych, oraz zupełnie nowych należą te wskazane poniżej:

1 Dźwignia wyrównawcza


Rozwiązanie to, polega na zwiększeniu momentu napędowego pod sam koniec zakresu pracy sprężyny napędowej i realizowane jest poprzez specjalną dźwignię napinaną w trakcie nakręcania zegarka, a rozpoczynającą swoją pracę dzięki mechanizmowi krzywkowemu. Przy naciągniętej sprężynie koniec dźwigni wyrównawczej obtacza się po części kołowej krzywki. Pod koniec zakresu roboczego sprężyny dźwignia wyrównawcza  zaczyna obtaczać się po krzywce, a dzięki zmianie punktu przyłożenia siły powstaje moment siły zwiększający moment obrotowy wałka sprężyny.

To historyczne rozwiązanie praktycznie nie jest stosowane we współczesnych zegarkach.

Pokazywana często dla ilustracji tego rozwiązania stara grafika, w odróżnieniu od zdjęcia rzeczywistej konstrukcji nie wyjaśnia opisanego rozwiązania w poprawny sposób.

2 Krzyż maltański


Jako, że największe różnice chwilowego momentu napędowego w stosunku do średniego momentu w zakresie pracy sprężyny są na początku i na końcu jej zakresu roboczego, to dla stabilizacji momentu ogranicza się zakres pracy sprężyny – wybierając dla niego środkowy fragment charakterystyki pracy sprężyny. To bardzo stare rozwiązanie, stosowane z powodzeniem dla zwykłych sprężyn spiralnych, które od kształtu zastosowanej krzywki nazwane zostało krzyżem maltańskim, także i dziś, przy sprężynach o zdecydowanie lepszych charakterystykach (stabilniejsza wartość momentu napędowego) także znajdziemy w niektórych zegarkach.

Ilustracje pokazujące zastosowanie krzyża maltańskiego pochodzą ze strony www.musketeer.ch, co zostało na nich zaznaczone.



Wydaje się, że na tej samej zasadzie choć bez charakterystycznej kształtem krzywki działa rozwiązanie wykorzystywane w mechanizmie oznaczonym jako kaliber 2910 firmy Audemars Piquet.

3 Bęben wyrównawczy



Jako, że moment napędowy sprężyny zmniejsza się wraz z jej rozwijaniem się, to w zegarkowych konstrukcjach pojawił się sposób na jego stabilizację uwzględniający tę ułomność charakterystyki sprężyny napędowej. Rozwiązanie takie było niezbędne w zegarkach z wychwytem szpindlowym, dla którego okres drgań balansu, a co za tym idzie dokładność chodu zegarków w bardzo dużym stopniu zależy od wielkości momentu napędowego.

Tak zwany bęben wyrównawczy jest dodatkowym elementem sprzężonym z bębnem za pomocą cięgna. Bęben wyrównawczy na który w trakcie nakręcania nawija się cięgno jest tak ukształtowany, że wraz z rozwijaniem się cięgna zwiększa się średnica promienia stożka z którego się ono rozwija. W ten sposób przy rozwijaniu się sprężyny dla większego momentu na bębnie napędowym mamy mniejszy promień rozwijania się cięgna, co w sumie daje zmniejszony - bardziej zbliżony do średniego moment na wejściu przekładni chodu. Dla najmniejszego momentu napędowego bębna, mamy większą średnicę z której rozwija się cięgno – co z kolei zapewnia bardziej zbliżony do średniego moment napędowy na wejściu przekładni chodu.

Należy pamiętać, że to rozwiązanie nie dostarcza dodatkowej energii, ale zmniejszając moment napędowy dla w pełni naciągniętej sprężyny wydłuża rezerwę chodu mechanizmu.

Zastosowanie bębna wyrównawczego niestety niesie ze sobą także negatywne skutki – w trakcie nakręcania zegarka następuje zanik momentu napędowego, co w konstrukcjach mechanizmów muszą uwzględnić ich projektanci. Dodatkowy element wprowadza też dodatkowe opory ruchu, a co za tym idzie stratę energii.

4. „Motor barrel” – amerykański system konstrukcji bębna napędowego



Na stabilność momentu napędowego bardzo duży wpływ mają opory ruchu samego bębna. Na osi bębna mamy do czynienia z największymi naciskami, co powoduje powstawanie największych oporów tarcia. W amerykańskich konstrukcjach zegarkowych wprowadzono rozwiązanie zwane „Motor barrel”, w którym zmniejszany jest wpływ tarcia, a dodatkowo można zastosować łożyskowanie na panewkach mineralnych – kamieniach. Minimalizacja siły tarcia podnosi wartość momentu napędowego i wpływa na jego stabilizację. Dzięki zwiększeniu chwilowego momentu napędowego dysponujemy oczywiście większą energią  zmagazynowaną przez bęben.

Pierwotnym impulsem dla powstania takiej konstrukcji było zabezpieczenie mechanizmu zegarka przed uszkodzeniem w przypadku pęknięcia sprężyny napędowej. Dziś, ze względu na wyższą w stosunku do czasu wprowadzenia systemu „Motor barrel” jakość sprężyn (sprężyny warstwowe), ten aspekt nie jest już tak istotny, a rozwiązanie jest stosowane dla uzyskania wyższej wartości i lepszej stabilizacji momentu napędowego.

Więcej informacji na temat rozwiązania „Motor barrel” w naszym opracowaniu pod tytułem: „Napęd po amerykańsku. Sprężyna w bębnie”

5 „Spherodrive” – łożyskowanie bębna za pomocą łożysk kulkowych



Zastosowanie łożyskowania kulkowego do zamocowania i zmniejszenia strat na siły tarcia przy obrocie bębna napędowego w ostatnim czasie wprowadziła marka Eterna. Rozwiązanie to w swojej koncepcji zbliżone jest do konstrukcji amerykańskiej – „Motor barrel” i w jeszcze lepszym stopniu obniża tarcie powstające na osi bębna. Należy zwrócić uwagę, że dolne łożysko kulkowe jest zdublowane.

To w konsekwencji przyczynia się do stabilizacji momentu napędowego, oraz podobnie ja w „Motor barrel” zapewnia większą w stosunku do standardowej konstrukcji ilość zmagazynowanej energii.



Więcej informacji o konstrukcji Sherodrive w naszym opracowaniu: Fenomen systemu Spherodrive od Eterny

Rozwiązanie Spherodrive jest oczywiście zaznaczone jako rekord w naszym Kalendarium ewolucji mechanizmów.

6 Użycie większej liczby bębnów napędowych


Użycie większej liczby bębnów napędowych, dzięki „nakładaniu” się charakterystyk każdej ze sprężyn minimalizuje wahania chwilowego momentu napędowego. Różne sposoby łączenia bębnów napędowych zaprezentowane są w drugiej części opracowania dotyczącej wydłużenia rezerwy chodu poprzez zmagazynowanie większej energii w module napędu.

Zmiany modułu napędu prowadzące do wydłużenia rezerwy chodu będą omówione w kolejnym odcinku tego cyklu.

Władysław Meller

P.S.
Mimo starań, autor nie może odważyć się stwierdzić, iż niniejszym opracowaniem wyczerpał powyższy temat. Każda dyskusja jest mile widziana, bo tylko w ten sposób można rozwinąć i ewentualnie uzupełnić temat. 

Opis mechanizmu bazowego - tego dla którego zmiany są "dodatkowymi komplikacjami" znajduje się na podstronie "Komplikacje konstrukcji mechanizmów".