Глава V ДВИГАТЕЛЬ ЧАСОВ (устройство и сборка)

Глава V ДВИГАТЕЛЬ ЧАСОВ (устройство и сборка)

Двигателем в часах называется источник энергии, обеспечивающий работу часового механизма.

В механических часах применяются два вида двигателей — гиревой и пружинный.

В гиревом двигателе используется энергия поднятой гири, а в пружинном — энергия заведенной пружины.

§ 21. Гиревой двигатель

Принцип действия гиревого двигателя (рис. 87) основан на использовании силы тяжести гири. При подъеме гири ее потенциальная энергия увеличивается пропорционально величине подъема. При опускании гири эта энергия расходуется на приведение в движение механизма часов.

Гиревой двигатель отличается простотой и стабильностью в работе, так как величина момента, передаваемого на маятник часов во время опускания гири, остается постоянной. Однако такой двигатель отличается громоздкостью, и его можно использовать только в стационарных условиях.

Продолжительность хода гиревых часов определяется высотой подъема гири. Расчет высоты подъема гири производится по формуле: H=2πRN, где Н — высота подъема гири, мм, R — средний радиус звездочки, мм, N — частота вращения звездочки.

Например, в часах-ходиках продолжительность хода часов от одного полного поднятия гири равна 26 ч. За один час звездочка совершает один оборот. Следовательно, высота подъема гири при радиусе звездочки, равном 10 мм, будет равна Н=2π*10*26 —1630 мм, или 1,6 м.

При конструировании длину цепи выбирают несколько больше, примерно 1,7 м.

Момент на оси барабана в зависимости от веса гири определяется по формуле M=(P*D)/2, где М — момент на оси барабана, гс*см; Р — вес гири, гс; D — диаметр барабана, см.

Рис. 87. Гиревой двигатель:
1 — гиря, 2 — цепь, 3 — звездочка

§ 22. Пружинный двигатель

Пружинный двигатель используется как в переносных, так и в стационарных часах.

Пружинные двигатели построены на принципе использования энергии, сообщаемой ленточной пружине при ее заводе и постепенно отдаваемой механизму при ее освобождении (роспуске).

Действие заводных пружин основано на том, что изгибающий момент пружины в плоскости, перпендикулярной ее оси, преобразуется в крутящий момент для механизма. Закручивая пружину вокруг валика заводного механизма, ей сообщают изгибающий момент; при роспуске пружина обеспечивает движение механизма.

Существуют две конструкции пружинного двигателя — в одном случае пружина помещается в специальный закрытый барабан (преимущественно в наручных и карманных часах), в другом — применяется пружина без барабана (в будильниках).

Преимущество безбарабанных двигателей заключается в простоте изготовления, благодаря чему снижается стоимость часов. Однако открытый двигатель имеет и существенные недостатки, вследствие чего конструкция открытого пружинного двигателя применяется только в дешевых часах, к точности хода и долговечности которых не предъявляется

высоких требований. Недостатками открытого двигателя является то, что витки пружины не защищены от попадания пыли и грязи, смазка пружины может растекаться по всему механизму, пружина развертывается эксцентрично, что приводит к большим потерям на трение, во время заводки часов регулятор не получает энергии от заводной пружины, что сказывается на точности хода.

Рис. 88. Форма заводных пружин:
а — спиральная, б — S-образная в — желобчатая

В пружинном двигателе, помещенном в барабане, перечисленные недостатки исключены. Барабан надежно защищает пружину от попадания в нее пыли и грязи и препятствует растеканию смазки. Пружина в барабане раскручивается равномерно, витки пружины при раскручивании располагаются концентрично, что дает возможность получить высокий коэффициент полезного действия двигателя. Во время заводки пружины регулятор продолжает получать энергию от двигателя.

Заводная пружина представляет собой плоскую стальную ленту спиральной или S-образной формы (рис. 88). Заводные пружины изготовляются из специального железокобальтового сплава К40 ТЮ или углеродистой стали У7 с последующей специальной термообработкой методом «наклеп — отпуск».

Упругая сила пружины измеряется крутящим моментом, который зависит от поперечного сечения лепты пружины ее длины и упругости материала.

При равном сечении пружина S-образной формы имеет более высокий крутящий момент и более плавный роспуск, что благоприятно влияет на работу механизма.

Недостатком пружинного двигателя является непостоянство момента, передаваемого на регулятор. Наибольший момент пружина имеет в полностью заведенном состоянии. В течение суток пружина постепенно раскручивается и момент ее уменьшается. Изменение момента пружины снижает точность хода часов.

§ 23. Способы крепления заводных пружин

Внутренний конец пружины крепится на крючок вала барабана, а внешний конец — к внутренней поверхности барабана с помощью специальной накладки.

Внутренний конец пружины почти во всех часах крепится одинаково. Наружный конец можно закреплять несколькими способами. Выбор того или иного способа крепления влияет на величину передаваемого момента.

На рис. 89 показаны способы крепления наружных концов пружин и формы накладок для заводных пружин.

При шарнирном креплении пружины после 1,5—2,5 оборотов витки пружины располагаются эксцентрично относительно вала барабана. Возникает большое межвитковое трение. Крутящий момент изменяется скачкообразно. Коэффициент полезного действия заводной пружины с таким креплением — 0,70.

Штифтовое крепление (рис. 89, а) применяется для крупных заводных пружин. Межвитковое трение в этом случае несколько меньше. Коэффициент полезного действия — 0,75.

V-образное крепление (рис. 89, б, в) наиболее простое и применяется довольно часто. При V-образном креплении витки пружины располагаются эксцентрично, межвитковое трение большое, однако коэффициент полезного действия при этом креплении выше — 0,80. Кроме того, при этом креплении создается некоторое перемещение наружного витка, а это устраняет перенапряжение пружины.

Крепление мечевидной накладкой (рис. 89, г) считается в настоящее время лучшим видом крепления наружного конца пружины. Назначение мечевидной накладки состоит в том, чтобы при работе пружины обеспечить ее равномерное концентрическое раскручивание. Это достигается тем, что крайний виток пружины снизу поддерживается упругой стальной подкладкой, что не позволяет последнему витку создавать излишнее трение. Недостатком этого вида крепления является то, что при его применении площадь, занимаемая пружиной вместе с накладкой, несколько увеличивается и продолжительность хода часов от одной полной заводки пружины уменьшается.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) пружины с мечевидной накладкой равен 0,95.

Крепление фрикционной накладкой (рис. 90) применяется в часах с автоматическим подзаводом пружины.

Рис. 89. Способы крепления заводных пружин:
а -штифтовое, б, в — V-образное, г — мечевидной накладкой; 1- пружина, 2 — барабан, 3 — мечевидная накладка

Рис. 90. Крепление пружины фрикционной накладкой:
а— в заведенном состоянии, б — в спущенном состоянии; 1 — пружин
2 — вал барабана, 3 — барабан, 4 — фрикционная накладка

К наружному концу пружины с внутренней стороны точечной сваркой крепится фрикционная накладка, которая плотно прилегает к стенке барабана почти по всей окружности и создает равномерное давление по всей длине прилегания.

Крутящий момент заводной пружины меньше момента трения накладки о корпус барабана, поэтому наружный виток будет тормозиться или перемещаться вместе с накладкой. При возникновении избыточного момента фрикционная накладка проскальзывает относительно корпуса барабана. Если размеры накладки подобраны правильно, витки пружины располагаются концентрично относительно вала барабана. Коэффициент полезного действия (к.п.д.) заводной пружины с таким креплением равен 0,8—0,9.

§ 24. Расчет пружинного двигателя

Расчет пружинного двигателя производится, исходя из габаритов проектируемого механизма (калибра, высоты), необходимых энергетических требований, обеспечивающих его нормальную работу. Для расчета пружинного двигателя обычно задаются внутренним радиусом барабана R6ар, Шириной пружины Ь, материалом для пружины (с соответствующим модулем упругости Е) и полезным (рабочим) числом оборотов барабана.

Расчет крутящего момента. Крутящий момент пружины должен обеспечивать максимальную продолжительность хода часового механизма.

При расчете величины крутящего момента пружинного двигателя необходимо учитывать коэффициент полезного действия, зависящий от способа крепления пружины в барабане.

Таким образом, величина крутящего момента зависит от свойств материала и размеров пружины. Свойства материала характеризует модуль упругости.

Величина крутящего момента увеличивается при увеличении толщины пружины. Если толщину пружины увеличить в два раза, то момент ее увеличивается в 8 раз. Кроме того, крутящий момент пружины увеличивается с увеличением модуля упругости, ширины пружины и числа витков или оборотов барабана и уменьшается с увеличением длины пружины.

Расчет параметров. Параметрами пружины являются ее толщина, длина, число витков в свободном и заведенном состоянии.

Пружина в заведенном и спущенном состоянии должна

§ 25. Расчет пружины в барабане

Расчет крутящего момента пружины по формуле

производится в предположении, что меж вит-

ковое трение при заводке и роспуске пружины стабильно и момент ее пропорционален числу оборотов.

В действительности же межвитковое трение в начале и конце заводки неодинаковое: при закручивании пружины оно больше и увеличивает момент, при спуске — меньше и снижает момент.

На рис. 92 приведена теоретическая и фактическая диаграммы крутящего момента пружины при заводке и спуске. По горизонтальной оси отложены число оборотов пружины, по вертикальной — момент. Точка О обозначает начало координат и соответствует положению свободной спиральной пружины. Точка А соответствует прямой пружине. Точка В соответствует спущенной пружине в барабане. Точка С соответствует состоянию пружины, при котором только первый и последний витки касаются валика и стенки барабана, остальные витки расположены концентрично. Точка D соответствует полностью заведенной пружине. Прямой ОЕ выражена зависимость теоретического момента пружины от числа оборотов барабана. Изменение крутящего момента в зависимости от числа оборотов барабана при заводке пружины выражает кривая ВНК, а при спуске — кривая BRSN К.

Как видно из графика, барабан значительно уменьшает наружный диаметр пружины. Из-за потерь на трение теоретическая кривая ВНК отличается от фактической кривой BRSNK. Наиболее точно часы работают тогда, когда момент изменяется незначительно. На графике это будет участок RS, т. е. интервал наиболее пологой кривой.

Рис. S2. График крутящего момента заводной пружины

На рис. 93 приведены графики крутящих моментов заводных пружин спиральной (рис. 93, а) и S-образной формы (рис. 93, б). Из сопоставления графиков видно, что при одних и тех же размерах заводные пружины S-образной формы

имеют более пологую кривую спуска и, следовательно, меньший перепад крутящих моментов, чем у пружин спиральной формы.

Гистерезис у графика крутящего момента пружины S-образной формы меньше, чем у графика пружины спиральной формы, следовательно, коэффициент полезного действия пружинного двигателя S-образной формы больше, чем спирального.

Рис. 93. Графики крутящего момента спиральной (а) и S-образной (б) пружин

§ 25. Пружинные двигатели из двух барабанов

Для увеличения крутящего момента или числа разворотов и, следовательно, продолжительности хода в часах иногда применяют двигатели, состоящие из двух барабанов. Для увеличения крутящего момента М кр барабаны соединяют параллельно. Для увеличения продолжительности хода барабаны соединяют последовательно.

При последовательном соединении барабанов (рис. 94) пружину заводят через заводной вал /, а роспуск пружины осуществляют через заводной вал 2.

При двух барабанах, соединенных последовательно, число оборотов увеличивается почти вдвое, а рабочий участок кривой крутящего момента имеет более пологий участок, чем при одном барабане, следовательно, перепад моментов на рабочем участке незначительный.

В некоторых случаях в технических приборах времени применяют многообразные пружинные двигатели с параллельно-последовательным соединением.

§ 27. Требования, предъявляемые к заводным пружинам

Пружина имеет высокий коэффициент полезного действия, если отвечает следующим требованиям:

обладает равномерной упругостью и эластичностью по всей длине;

не имеет на поверхности никаких царапин и рисок, хорошо отполирована;

размеры ее сечения постоянны по всей длине; закреплена наиболее рациональным способом; имеет чистую, смазанную специальным маслом поверхность.

Рис. 94. Схема двигателя с двумя барабанами

Контрольные вопросы

1. Какие двигатели используют в часах и каково их назначение в часовом механизме?

2. Как крепят пружину в барабане?

3. Что называется крутящим моментом заводной пружины и как он влияет на работу часового механизма?

4. Какие требования предъявляют к заводной пружине?

содержание .. 18 19 20 21 ..