Що таке "камені" і для чого вони потрібні в годиннику?

15/04/2003

Камені - напевно, найбільш інтригуюча частина годинникового механізму. Чому їх кількість завжди маркується на корпусі або циферблаті годинника?

Камені - напевно, найбільш інтригуюча частина годинникового механізму. Чому їх кількість завжди маркується на корпусі або циферблаті годинника? Чому англійці називають їх дорогоцінними (jewels) і скільки вони коштують? Яку роль вони відіграють в механізмі? Чи впливає їх кількість на якість і вартість самого годинника? І це тільки лежать на поверхні питання.

Будь-який фахівець на питання, навіщо потрібні в годиннику камені, не замислюючись відповість: "Для стабілізації тертя і зниження ступеня зносу контактуючих поверхонь механізму". Саме так позначена функція каменів в стандарті NIHS 94-10, прийнятому в 1965 році швейцарської організацією NIHS (Normes de l'industrie Horloge Suisse). Спробуємо розібратися, що це означає.

Камінь цапфу точить
Якщо хоча б в загальних рисах уявити собі роботу годинникового механізму, то стає зрозуміло, що його основні осі повинні перебувати під постійною напругою: з одного боку на них тисне сила заводний пружини, змушуючи обертатися, а з іншого - швидкість їх обертання стримує регулятор баланс- спіралі. Опора балансу відчуває мало не найбільше навантаження у всьому механізмі. Мало того, що ця вісь здійснює з високою швидкістю здійснює зворотно-поступальні рухи, так на ній ще й закріплений сам баланс - штука вагома.

Цапфи, якими осі контактують з платиною і мостами механізму, роблять якомога тонше, щоб зменшити тертя в опорах осей і витрата енергії пружини на його подолання. У будь-якому механізмі для стабілізації тертя обертової віссю і нерухомим каркасом (платиною) встановлюють підшипник.

Так ось, годинні камені зазвичай і використовують як підшипники або подпятники для цапф осей. Насправді, не можна сказати, що камені застосовуються для зменшення тертя в опорах осей. І в принципі коефіцієнт тертя в парі загартована сталь - рубін (алмаз) приблизно рівний коефіцієнту тертя загартованої сталі в парі з латунню. Навіщо ж тоді використовувати коштовності в ролі підшипників?

Як вже було сказано вище, цапфи осей наручних і кишенькових годинників мають дуже малий діаметр - 100 мікрон. А відомо, що сила тиску прямо залежить від площі контактуючих поверхонь. Таким чином, часові камені покликані не стільки зменшувати тертя, скільки збільшувати довговічність опор осей в годиннику. Крім того, камені не отруйні, а відшліфувавши камінь, можна отримати досконалу і довготривалу чисту поверхню.

Крім опор, камені використовуються ще в двох місцях, що піддаються інтенсивному впливу. З них виготовляються палети, що кріпляться на плечах анкерної вилки, і імпульсний камінь. Знову ж - тільки дуже міцний мінерал може витримати тиск зубів анкерного колеса і удари об ріжки анкерної вилки.

Не дивно, що вартові камені стали справжньою знахідкою для годинникарів в XVIII столітті - коли почалася ера кишенькового годинника. Механізми стали настільки малі, що деталі під тиском заводний пружини швидко приходили в непридатність.

Перші години з дорогоцінними каменями в механізмі були випущені в 1704 році. Але ідея використовувати їх в такому незвичайному якості належала великому англійському годинникарю Джорджу Грему (George Graham 1673-1751), що прославився винаходом в 1713 році механізму вільного анкерного спуску, який найбільш поширений і в наш час. За своє життя Грем створив більше 3000 кишенькових годинників, і в усіх з них, починаючи з 1725 року осі, палети і імпульсний ролик зроблені з рубіна.

Де служать камені
Раз вже ми розібралися, для чого саме потрібні камені, давайте подивимося, яку форму вони повинні мати, види каменів і де саме в годиннику вони несуть свою службу.
Вартові камені можуть бути наступних видів:
наскрізні
накладні
палети
імпульсні

Наскрізні камені - основа годин. У класичному 17-камневом механізмі їх 12 штук. Вони сприймають радіальні навантаження в опорах осей. Деякі з них мають циліндричні або олівірованние (округлені) отвори. У всіх наскрізних каменях є спеціальне поглиблення - маслянка, здатна утримувати годинне масло.

Накладні камені покликані зменшувати тертя на торцевих поверхнях осей. Їх встановлюють, як правило, на балансі і осях швидкохідних коліс. У кварцових годиннику подпятники іноді взагалі не ставляться.

Оптимальне число каменів в простих механічному годиннику з бічної стрілкою - 17. Знаходяться вони звичайно в такий спосіб:

Опора балансу - 4 (2 наскрізних і 2 накладних)
Імпульсний камінь (еліпс) - 1 Вісь проміжного колеса - 2
Палети - 2 Вісь анкерного колеса - 2
Ось анкерної вилки - 2 Центральний триб - 2
Ось секундного колеса - 2

Іноді виробники, з конструкторських міркувань, прибирають частина каменів: ставлять камінь тільки на нижню опору центрального колеса, а в верхню запресувати підшипник з латуні, керуючись тим, що на неї припадає менше тиску. В такому випадку на годиннику буде чесно написано: 16 каменів. Ну а якщо годинник має центральна секундну стрілку, необхідність в секундної осі відпадає і кількість каменів скорочується до 15. Природно, що різні додаткові пристрої і циферблати - календарні, секундомерние, автоподзавод можуть збільшувати число каменів.
Останнім часом сучасні механізми використовують 21 камінь: дві пари каменів стоять ще й на кінцях осей анкерного і третього колеса ставляться накладні камені.

Промисловість проти природи
До початку ХХ століття в кишенькових годинах справжні дорогоцінні камені знаходилися і всередині механізму і, як прикраса, - на корпусі. Все змінилося, коли в 1902 році була винайдена технологія вирощування штучних сапфірів і рубінів, що дозволило збільшити виробництво годинникових механізмів в багато разів. Годинники стали масовим товаром. Зараз в годиннику натуральні рубіни практично не використовуються. З технічної точки зору вирощені кристали більш стабільні за своїми властивостями і більш передбачувані в обробці. Єдиний аспект, за яким справжні камені все-таки вважаються краще штучних - естетичний.

Багато - не мало?
Якщо в попередньому розділі було описано типові види і класичне розташування каменів, то зараз давайте подивимося, які відхилення від прийнятої норми зустрічаються частіше.

В принципі, зрозуміло, що кількість каменів в годиннику залежить від кількості осей. Якщо, наприклад, в хронографі є додаткові циферблати з секундними стрілками, то цапфи їх осей непогано б захистити камінням, те ж саме - у випадку з віссю репетира. Однак коли зустрічаєш такі маркування «50 каменів», «83 каменю» або навіть «100 каменів», виникає подив: яким чином і для чого їх туди запхали ?!

У годинному виробництві існує таке поняття як "нефункціональні" або "декоративні" камені - їм можна, наприклад, дірку в платі некрасиву закрити або просто прикрасити механізм - якщо задня кришка прозора. Але, згідно зі стандартом, прийнятим в усьому світі, на маркуванні вказується тільки кількість функціональних каменів. У всякому разі, на всіх годинниках, вироблених після 1965 року. У чому ж тоді справа?

Справа в тому, що поняття «функціональність» досить широке. Хтось вважає, що камені, встановлені для більш плавного ходу календарного диска, - не функціональні. Але ж вони дійсно знижують тертя, причому набагато. У звичайних механізмах для приведення диска в рух потрібно зусилля 20-25 грамів на міліметр. А камені дозволяють знизити це зусилля в два рази, а значить істотно зменшити навантаження на механізм. Хіба це не функціонально, скажімо, для ультратонких або складних механічних годинників, в яких крім хронографа є ще і покажчики фаз Місяця, запасу ходу і інші функції?

Правда зустрічаються і досить курйозні приклади. Наприклад, американська фірма Waltham випустила годинник на ... 100 каменях. 17 каменів в них перебували на своїх законних місцях, а решта 83 були розміщені по колу ротора автоподзавода. При цьому вийшло, що дірочок на окружності просвердлили 84, і одна з них так і залишилася зіяти порожнечею - виробники не захотіли перевалювати за круглу цифру. Хід ротора, завішані камінням, був, звичайно, більш плавний, але цього ефекту можна було б досягти за рахунок меншої кількості каменів.

Або ще приклад: годинник швейцарського виробника, зі скромності не вказано своє ім'я, зате гордо розмістив на кришці маркування «41 камінь». Як видно на фотографії, 16 з цих каменів вставлені в барабанне колесо, мабуть, для того, щоб воно не терлося про заводну пружину. Тертя, звичайно, знижено, але досить марнотратним способом. Хоча якщо ці години люди купували саме через зазначеного на корпусі кількості каменів, назвати їх зовсім «нефункціональними» складно.

Інша «крайність» - годинник без каменів, адже в кварцових механізмах вони, в общем-то, не потрібні. Колісна передача кварцового механізму має навантаження тільки в той момент, коли повертається кроковий двигун. А в такому випадку, оскільки напруга в осях практично відсутня, єдине, що потрібно для зменшення тертя і запобігання зносу деталей - це зробити поверхні якомога легше. Тому плати і колеса кварцових годин часто взагалі роблять з пластика.

А коефіцієнт тертя стали осі про пластик або пластика про пластик дуже невисокий. Тому функціонально в кварцових годинниках камені потрібні тільки в одному місці - опорі ротора крокового двигуна. Це єдина вісь, яка перебуває під напругою. Так що маркування на кварцових годиннику "2 каменю", "1 камінь" (якщо він поміщений тільки під нижньою цапфою) або навіть "0 каменів" (No jewels) зовсім не означає, що вас у чомусь обділили. Чи не в каменях щастя.

Опубліковано в журналі "Мої Годинники" №1-2003