Balanse (klokke)

Balanse-fjæroscillasjonssystem

Innebygd oscillerende system (du kan se balansekranen med støtbeskyttelse, regulator og spiralpute samt skruebalansen med Breguet hårspring)

Balanselager (ikke støtsikker); oljen (vist i gult) holdes i butikken ved kapillær handling

Balanse er forkortelse for et balansefjærsvingningssystem, da det brukes i mange mekaniske bevegelser. Svingningssystemet fungerer som en regulator for små klokker , dvs. spesielt for armbåndsur og lommeur , men også for vekkerklokker, veggklokker, kronometre osv. Forløperen til balansen var uroen .

Balansehjulet svinger rundt sin akse med en viss periode med svingning eller frekvens , som bestemmes av de to lagerjournaler (se bilde). I forbindelse med rømningen , sørger det for veksling, trinnvis stopp og frigjøring av giret (driv), som drives av klokkens energikilde (fjærdrift, se fat ) (se også urverk ). Den trinnvise prosessen (og dermed tidens gang) indikeres av et peketog som er koblet til giret .

Ideen om å bruke balanseringshjulet sammen med en spiralfjær ble utviklet av Christiaan Huygens basert på et forslag fra Jean de Hautefeuille , og han fikk et fransk patent i 1675 .

forløper

Inntil oppfinnelsen av egnede rømningssystemer hadde bare pendeluret en tilfredsstillende nøyaktighet, men kunne ikke transporteres uten skade. De bærbare klokkene som først ble utviklet på 1400-tallet (se Nürnberg-egget ), derimot, var utstyrt med korte torsjonspendler av plasshensyn . Disse ble imidlertid påvirket av hver bevegelse hos brukeren og hadde daglige feil på opptil flere minutter. Oppfinnelsen av torsjonspendelen som en klokkegenerator for bærbare klokker ble feilaktig tilskrevet Peter Henlein , men var kjent allerede på begynnelsen av 1400-tallet. Den eldste bærbare klokken kommer fra Henlein .

konstruksjon

Svingningssystemet består av den faktiske balansen (balanseaksel med trompetdreie, dobbel rulle med spakestein, balanseringsring, balansearm) og hårspringen (med spiralbolter og spiralrulle). Materialene som brukes er stål, fjærstål, fjærbronse, messing, men spesielt spesielle legeringer som skal være så ikke-magnetiske som mulig (påvirkning av eksterne magnetfelt). I det siste håndtaket på hårspringen går to såkalte regulatorpinner (regulatortaster) i inngrep, som er festet til en arm som kan dreies på balansekranen. De brukes til å regulere svingningsperioden (se nedenfor).

Balansen er lagret i to (oljede) lagre, som hver består av perforerte og hette steiner, som er plassert i balansekranen eller platen. På gode gjerninger, de tidsskrift er lagrene laget av korund , tidligere laget av naturlige safirer og rubiner, i dag laget av syntetisk framstilte seg i for å gjøre det mulig for lavest mulig friksjon. Balansepinnene har en veldig liten diameter. Dette sikrer at tappfriksjonen når tappen er i kontakt med den perforerte steinen (friksjonsmoment når balanseakselen ikke er i vertikal stilling) er lav og skiller seg ikke vesentlig fra friksjonsforholdene med en vertikal balanseaksel (punktkontakt av den sfæriske tappen med hetten steinen). Dette minimerer tidsforskjellen mellom forskjellige posisjoner på (bærbare) klokker. Den lave tappfriksjonen sørger også for at svingningen bare dempes svakt, og dermed reduseres energien (periodisk tilført av rømningen) for å opprettholde svingningen ( kraftreserve ). Ulempen med filigran-tappene er risikoen for brudd hvis klokken treffes. Den trompetlignende kjegleformen motvirker dette, men eliminerer ikke faren fullstendig. For at tidsskriftene ikke skal bli skadet ved støt, brukes et støtbeskyttelsesapparat , som f.eks. B. Parechoc eller Incabloc . Juvelene er flyttbart montert med en fjær og kan unngå støt. Såkalte kornlagre er vanlige for enkle klokker (konisk journal i en konisk lagerhylse). Spesielle lagre (f.eks. Magnetisk avlastet) er også kjent.

(Arkimedisk) spiral er forhåndsdannet og har dermed en spenningsfri sentral posisjon. Den skal ha minst ti svinger. Spiralen er festet på innsiden av spiralrullen, som er koblet (avtakbart) til balanseakselen. Den ytre enden er festet i spiralblokken som holdes i balansekranen eller balansebroen. Spakstenen (også kjent som en ellipse, vanligvis laget av rubin) ligger på den doble rullen (dobbel skive). På den ene siden gir dette oscillasjonssystemet drivimpulsene som kreves for å opprettholde svingningen, og på den andre siden bytter det rømningen i tide med balansesvingningen. Dette gjelder spakutslipp, som hovedsakelig brukes i bærbare klokker . Med ytterligere escapements ( spindel gangverk , sylinder gangverk , kronometer sperre , koaksial sperre eller koaksial sperre, etc.) Disse to oppgaver gjennomføres på en annen måte.

Periode av svingning

Balansen representerer en inert masse (sentrifugalmasse, treghetsmoment). Hvis den avbøyes fra den sentrale posisjonen som bestemmes av den spenningsfrie spiralen, oppstår en gjenopprettingskraft (mer presist: et dreiemoment) som en forutsetning for vibrasjonen. Hvis dreiemomentkurven er lineær (proporsjonal) som en funksjon av avbøyningsvinkelen, svinger oscillasjonssystemet harmonisk (friksjon neglisjert). I dette tilfellet har svingninger med små og store amplituder samme svingningstid ( isokronisme ). Dette er en ønskelig tilstand, fordi det oscillerende systemet ikke kan forsynes med konstant store drivimpulser på grunn av fallet i dreiemomentet til hovedfjæren (energilagring) som driver klokken mens den slippes. Dette ville ikke ha noen innvirkning på urets nøyaktighet hvis isokronisme kunne implementeres, noe som bare er mulig omtrent. Det er også gjort forsøk på å holde drivpulsene konstante til tross for at momentet til drivfjæren faller (se mellomløft ). Oscillasjonssystemet oscillerer deretter konstant med samme oscillasjonsamplitude, og isokronismefeilen (dvs. ikke-lineariteten) spiller ingen rolle.

• 

  Treghetsmoment av balanseringsringen

• 

  Tverrsnitt av spiralbladet

• 

  Omtrentlig beregning av spirallengden

• 

  Beregning av spirallengde

Den periode av balansen svingningen avhenger av treghetsmomentet av balanse og på retnings øyeblikk av sin spiral: ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle D}$

${\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {\ frac {I} {D}}} \,.}$

Balansens treghetsmoment bestemmes av utformingen og materialene som brukes. For et estimat er det tilstrekkelig å bare vurdere balanseringsringen (se bilde). Den virkelige verdien av treghetsmomentet er da noe større. Balansehjulet vibrerer med litt lavere frekvens enn beregnet. Under denne betingelsen gjelder følgende:

${\ displaystyle I = {\ frac {1} {2}} m (R_ {a} ^ {2} + R_ {i} ^ {2})}$

Ringenes masse beregnes som følger: ${\ displaystyle m}$

${\ displaystyle m = \ rho \ pi H (R_ {a} ^ {2} -R_ {i} ^ {2})}$

${\ displaystyle \ rho}$er tettheten til materialet som brukes (for messing og Glucydur ca. ). ${\ displaystyle 8 {,} 5 \, \ mathrm {\ tfrac {g} {cm ^ {3}}}}$

Retningsmomentet for en spiral med et rektangulært bladtverrsnitt ( areal av treghet , bredde , høyde , aktiv lengde , elastisitetsmodul ) skyldes ${\ displaystyle I_ {S}}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle l}$ ${\ displaystyle E}$

${\ displaystyle D = {\ frac {I_ {S} E} {l}} = {\ frac {hb ^ {3} E} {12l}}}$ (se bilde)

Elastisitetsmodulen er z. B. med Nivarox spiraler ca og med Elinvar spiraler ca . Spirallengden kan beregnes med en god tilnærming hvis du bruker gjennomsnittsradiusen for de fulle svingene og legger det gjenværende stykket til regulatoren (se bilde). Ligningen lyder da: ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle 200 \, \ mathrm {\ tfrac {kN} {mm ^ {2}}}}$${\ displaystyle 150 \, \ mathrm {\ tfrac {kN} {mm ^ {2}}}}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle l = 2 \ pi \ left (r_ {i} + {\ frac {r_ {a} -r_ {i}} {2}} \ right) n + {\ frac {\ pi r \ beta} { 180}}}$

Hvis spirallengden beregnes nøyaktig (se spiral eller), må det sikres at den tilsvarende formelen gjelder spiralen som begynner på nullpunktet. Så du må også beregne lengden li fra nullpunktet til spiralvalsen og trekke den fra den totale lengden som er bestemt (se vedlagt bilde).

Likningene antar at spiralen forblir i sitt lineære arbeidsområde, og dempingen kan neglisjeres. Et (gjensidig) mål på demping er kvalitetsfaktoren - et kvalitetsegenskap ved bevegelsen. En lav kvalitet betyr at en betydelig del av den innesluttede energien må etterfylles av rømningen per periode . Dette gjør klokken følsom for endringer i spenningen til hovedfjæret . På den annen side reduserer høy kvalitet også innflytelsen av periodiske forstyrrelser, for eksempel når brukeren av klokken bølger eller applauderer.

Den vanlige svingningsfrekvensen er 18.000 vibrasjoner i timen. Produsert i serie Rask stolarbeid med opptil 36 000 vibrasjoner i timen, med serieverk, men vanligvis spres 21 600 eller 28 800 balansevibrasjoner per time.

I prinsippet gjelder følgende: jo høyere frekvens, desto mindre er slike forstyrrelser. Derfor førte introduksjonen av det raskt svingende balanseringshjulet til en merkbar forbedring av klokkefrekvensen . Den største mulige oscillasjonsamplituden (standard min. 220 ° per halv oscillasjon) bidrar også til at forstyrrelser (f.eks. På grunn av inhibering) har mindre innvirkning, siden oscillasjonssystemets kinetiske energi i området for dets sentral posisjon (der hemningen griper inn i energiforsyningen finner sted) i forhold til forstyrrelsen er da større.

Problemer og løsninger

Balansere

• 

  Kompensasjonsbalanse med spiralfjær

• 

  Balanse balanse

• 

  Maskinfabrikert balansefresing på balanseringshjul

Siden oscillasjonsperioden i det vesentlige avhenger av treghetsmomentet til balanshjulet og egenskapene til hårspringen, vil endringer i temperatur gjennom dimensjonsendringer og endringer i materialegenskapene (elastisitetsmodulen til hårspringen) påvirke nøyaktigheten. Kompensasjonsbalansen ble derfor utviklet fra en bimetallring (hovedsakelig laget av stål kombinert med messing). Kompensasjonsbalanse (også kalt bimetallbalanse) har justeringsskruer på balanseringsringen (se kompensasjon ). Ulempen var at kompensasjonen ikke er den samme ved hver temperatur, og bare ved to temperaturer er det ingen temperaturrelatert hastighetsavvik. Bruken av spesielle temperaturstabile legeringer (Elinvar, Nivarox osv.) Til spiralfjærer har eliminert behovet for kompensasjon siden 1930-tallet, slik at siden rundt 1960 har bare monometalliske balansevekter (for det meste laget av messing) blitt brukt i økende grad i dag .

I bærbare klokker endrer det oscillerende systemet sin posisjon. Et eksentrisk tyngdepunkt for balansen fungerer som en liten pendel avhengig av klokkens posisjon og forårsaker (unntatt når balanseakselen er nøyaktig vertikal) avvik i klokken. Det er derfor nødvendig at balanseringshjulet er balansert. Dette betyr den nøyaktige forskyvningen av tyngdepunktet til akselen til balanseakselen. Tidligere ble dette gjort ved (flere) manuell fjerning av materiale fra balanseringsringen eller (i likhet med kompensasjonsbalansen) ved å justere skruene på balanseringsringen (skrubalanse). Kontrollen ble utført med en balanse. Dette var aktiviteter som innebar mye arbeid. I moderne urmakeri balanseres balansen med maskiner med en enkelt freseprosess. Skruevogner blir fortsatt laget. Skruene er imidlertid bare dekorative og er ikke funksjonelt nødvendige.

spiral

• 

  Balansefjærtyper: (1) flat hårspring, (2) Breguet endekurve , (3) kronometerhelikse med buede ender i 2 visninger, (4) tidlige balansefjærer

• 

  Kraft når spiralen avbøyes

• 

  Bevegelse av spiralen

• 

  Reduksjon av feilen med et større antall svinger

Flate spiraler er innebygd i bærbare klokker. Når det gjelder stasjonære klokker (spesielt kronometre), brukes spiralfjærer (helix) (se video).

Med materialene som tidligere ble brukt til spiralen spilte endringen i elastisitetsmodulen med en endring i temperaturen en viktig rolle. Kompenserende uro var derfor nødvendig for presise klokker. Moderne spiraler består av spesielle legeringer som praktisk talt ikke lenger er temperaturavhengige (nylig også silisiummaterialer).

Den ovennevnte ønskelige lineære karakteristikken for returmomentet M (a) til spiralen vil bli gitt hvis det med en hvilken som helst rotasjon av balanseakselen av a og en kraft F (a) som virker på den ytre spiralenden, ville være jevn endring i krumningen til hele spiralen (sammenlignet med krumningen det spenningsfrie mellomlaget).

Spiralen svinger seg deretter konsentrisk ("puster"). For å gjøre dette, må imidlertid kraftens handlingslinje skifte kontinuerlig under svingningen (f.eks. Fra P til P *, se figur), og dermed må radiusen r (α) endres. Imidlertid er spiralen festet på utsiden på et fast punkt P av spiralbolten. Som et resultat er en jevn endring i krumning ikke mulig (som vist overdrevet på bildet for tydelighetens skyld), og følgelig har returmomentet en ikke-lineær karakteristikkurve (ingen isokronisme). Videre forskyver dette tyngdepunktet til hårspringen, som ikke er på akselen til balanseakselen selv i den sentrale posisjonen under svingningen. Det eksentriske tyngdepunktet til spiralen har en lignende effekt på klokkens hastighet som det eksentriske tyngdepunktet til balanshjulet, siden det også påvirkes av tyngdekraften.

For klokker med normale krav er hastighetsavviket forårsaket av ikke-lineariteten til returmomentet tålelig hvis spiralen har ti eller flere svinger, for da er ikke avviket fra den ideelle endringen i krumning for stort (illustrert på bildet for en halv svingning på 180 °).

Dette er imidlertid ikke tilfelle for presise klokker.

• 

  Breguet spiral (prinsipp)

• 

  Breguet hårspring (henrettelse)

• Spill av mediefilen

  Breguet spiral (bevegelse)

Breguet har eksperimentelt funnet en måte å oppnå en omtrent lineær karakteristikk på. Enkelt sagt ga han spiralen en ekstra fjær (se bilde). Dette må formes slik at

• den utøver en kraft F (α) på spiralen som, i en hvilken som helst rotasjonsvinkel α, tilsvarer nøyaktig kraften som kreves for en jevn endring i spiralens krumning;
• kraftens handlingslinje forskyves når balanseakselen roteres av α nøyaktig slik det kreves av den jevne krumningsendringen;
• handlingslinjen er alltid tangensiell for enden på spiralen.

Fjærenden av den ekstra fjæren representerer så å si en bevegelig spiralblokk og beveger seg, når den blir avbøyd, på samme fjærbane som enden på den oscillerende spiralen når krumningen endres jevnt.

Breguet har hensiktsmessig implementert den ekstra fjæren ved å forlenge spiralen og forme denne utvidelsen deretter (sluttkurve). For å gjøre dette måtte han heve sluttkurven til et nivå over spiralen, ellers ville spiralen og den ekstra fjæren kollidere. To kinks skal lages for dette (se bilde). Kontinuerlig vridning er også mulig. Breguet hårspring er vanskelig å produsere for hånd. Endekurver for den indre enden av spiralen er også kjent, men brukes ikke. Spiralfjærer er også utstyrt med endekurver.

Lenge etter Breguet behandlet Phillips sluttkurveproblemet teoretisk. Som et resultat etablerte han tre enkle regler:

• Sluttkurven må være tangensiell mot enden av spiralen
• Endekurveens tyngdepunkt må ligge vinkelrett på en linje som går gjennom midtpunktet til en linje fra spiralens midtpunkt til spiralenden
• Produktet fra tyngdepunktavstanden fra midtpunktet og spirallengden må være lik kvadratet av avstanden mellom spiralenden og midtpunktet

• 

  Sluttkurveforhold i henhold til Phillips

Reglene gjelder for den spenningsfrie tilstanden (sentral posisjon). I henhold til disse reglene ble endekurver utformet som maler (Gerstenberger), i henhold til hvilke urmakerne kunne forme spiralene. De teoretiske kurvene er litt modifisert basert på praktisk erfaring. På grunn av Phillips-kurvene flyttes tyngdepunktet til rullen til aksen til balanseakselen og forblir der under svingningen.

Med moderne silisiumspiraler kan lignende resultater oppnås selv uten endekurver. Ved å bruke de riktige produksjonsmetodene (lasere, etsning osv.) Kan slike spiraler produseres med et tverrsnitt som kan endres over lengden, noe som åpner for helt nye designmuligheter

Rücker

Regulatoren er en enkel måte å stille inn svingningsperioden for svingningssystemet. Ellers måtte spiralens lengde tilpasses kravene ved å pinne og pinne hardt. Ved å flytte regulatoren endres den effektive (eller aktive) spirallengden og dermed svingningsperioden. Denne lengden strekker seg fra spiralrullen til regulatoren. Området fra regulatoren til blokken er spiralens "døde ende", som (omtrent) ikke har noen innflytelse på svingningsperioden. Spiralen svinger mellom de to regulatorpinnene og hviler vekselvis mot dem. Dette betyr at forskjellige effektive spirallengder er effektive under en svingning. Når du berører regulatorpinnene, forkortes lengden. Dette gjør det klart at regulatoren tilbyr en enkel måte å regulere, men på den annen side er det en udefinert kilde til interferens (f.eks. Med store svingningsamplituder er spiralen lenger på regulatorpinnene enn med små). Dermed blir den ønskede isokronismen forstyrret. Dette gjelder også Breguet hårspringer, der regulatoren virker på endekurven (tilleggsfjær).

kompensasjon

Caspari og Grossmann har utviklet måter å oppnå en omtrent jevn hastighet på klokken med store og små svingningsområder, selv med spiraler uten endekurve. For å oppnå dette blir motstridende forstyrrende påvirkninger koordinert på en slik måte at deres effekter kompenserer hverandre. For eksempel får spiralspillet i regulatortasten klokken til å avta i tilfelle små svingningsamplituder, mens en viss strukturelt bestemt posisjon av spiralens indre og ytre festepunkt til hverandre resulterer i en handling.

Moderne mekaniske klokker av høy kvalitet er laget med flate caspari- og Grossmann-spiraler samt med Breguet-spiraler (Phillips-endekurver).

Reglage

Som en regulator kalles finjustering av en klokke.

Urmakeren benytter en tids maskin for å kontrollere reguleringen og dermed nøyaktighet , en innretning i hvilken vibrasjonen blir målt og grafisk vises med en strukturbåren lyd mikrofon . En mikro-Dynagraph kan brukes til å ta opp svingninger i det øyeblikk av kraft på den flukt hjulet , endringen i svingningsamplitude av balansehjulet avvikene til klokken.

litteratur

• Otto Böckle, Wilhelm Brauns: Lærebok for urmakerbransjen . Arbeidsferdigheter og materialer. 8-10 Utgave. Wilhelm Knapp, Halle (Saale) 1951, (opptrykk, redigert av Michael Stern. Heel, Königswinter 2010, ISBN 978-3-86852-288-4 ).
• Hermann Brinkmann: Introduksjon til urmakeri (= Urmakerskolen. Vol. 2). 10. uendret utgave. Wilhelm Knapp, Düsseldorf 2005, ISBN 3-87420-010-8 .
• George Daniels : Urmakeri. Oppdatert 2011-utgave. Philip Wilson Publishers, London 2011, ISBN 978-0-85667-704-5 .
• Helmut Kahlert , Richard Mühe , Gisbert L. Brunner : Armbåndsur: 100 års utviklingshistorie. Callwey, München 1983; 5. utgave, ibid. 1996, ISBN 3-7667-1241-1 , s. 36-59.

weblenker

Individuelle bevis

1. ↑ Milham, Willis I. (1945). Tid og tidtakere. New York: MacMillan. ISBN 0-7808-0008-7 ., P.121
2. ↑ "Klokke". The New Encyclopaedia Britannica. 4. Univ. av Chicago. 1974. s. 747. ISBN 0-85229-290-2 .
3. ↑ Anzovin, Steve; Podell, Janet (2000). Famous First Facts: En oversikt over første hendelser, oppdagelser og oppfinnelser i verdenshistorien. HW Wilson Company. ISBN 0-8242-0958-3 ., S.440
4. ↑ Usher, Abbot Payson (1988). En historie med mekaniske oppfinnelser. Courier Dover. ISBN 0-486-25593-X ., S. 305
5. ^ White, Lynn Jr. (1966). Middelalderteknologi og sosial endring. New York: Oxford Univ. Trykk. ISBN 0-19-500266-0 ., P. 126-127
6. ^ Dohrn-van Rossum, Gerhard (1997). Time of History: Clocks and Modern Temporal Orders. Univ. fra Chicago Press. ISBN 0-226-15510-2 ., P.121
7. Rug Krug et al.: BI lexicon klokker og tidsmåling . Red.: Rudi Koch. 
8. ^ Siegfried Hildebrand: Feinmechanische Bauelemente. VEB Verlag Technik Berlin
9. ↑ Siegfried Groß: Beregning og design av fjærer. Genser
10. ↑ Geometri: Archimedes Spiral Calculator - Kalkulatoronline. Hentet 2. mai 2017 . 
11. ↑ Helmut Kahlert , Richard Mühe , Gisbert L. Brunner , Christian Pfeiffer-Belli: armbåndsur: 100 års utviklingshistorie. Callwey, München 1983; 5. utgave, ibid. 1996, ISBN 3-7667-1241-1 , s. 505.
12. ↑ Helmut Kahlert , Richard Mühe , Gisbert L. Brunner : Armbåndsur: 100 år med utviklingshistorie. Callwey, München 1983; 5. utgave, ibid. 1996, ISBN 3-7667-1241-1 , s. 36-39.
13. ↑ c9w3W9m1: balanserer hjulet på en klokke i aksjon. 27. mars 2010, åpnet 3. oktober 2017 . 
14. ^ Edouard Phillips: Mémoire sur le spiral réglant des chronomètres et des montres. 1860, åpnet 1. april 2017 (fransk). 
15. ↑ Phillips endekurver. Hentet 16. april 2017 . 
16. ↑ Oscillerende system for mekaniske urverk. Hentet 16. april 2017 . 
17. ↑ DEPATISnet | Dokument CH000000703272A2. Hentet 2. mai 2017 . 
18. ↑ DEPATISnet | Dokument CH000000699882A2. Hentet 2. mai 2017 . 
19. ↑ Martinek Rehor: Mekaniske klokker. VEB Verlag Technik Berlin