Balansera våren
En balansfjäder , eller hårfjäder , är en fjäder fäst vid balanshjulet i mekaniska klockor . Det får balanshjulet att svänga med en resonansfrekvens när klockan är igång, vilket styr hastigheten med vilken hjulen på klockan svänger, alltså rörelsehastigheten för visarna. En regulatorspak är ofta monterad, som kan användas för att ändra fjäderns fria längd och därigenom justera takten på klockan.
Balansfjädern är en fin spiral- eller spiralformad torsionsfjäder som används i mekaniska klockor , väckarklockor , kökstimer , marina kronometrar och andra tidtagningsmekanismer för att styra balanshjulets svängningshastighet. Balansfjädern är ett viktigt komplement till balanshjulet, vilket får det att svänga fram och tillbaka. Balansfjädern och balanshjulet bildar tillsammans en harmonisk oscillator , som oscillerar med en exakt period eller "slag" som motstår yttre störningar, och är ansvarig för tidtagningsnoggrannheten.
Tillägget av balansfjädern till balanshjulet runt 1657 av Robert Hooke och Christiaan Huygens ökade avsevärt noggrannheten hos bärbara klockor, och förvandlade tidiga fickur från dyra nyheter till användbara tidtagare. Förbättringar av balansfjädern är ansvariga för ytterligare stora ökningar i noggrannhet sedan dess. Moderna balansfjädrar är gjorda av speciella lågtemperaturkoefficientlegeringar som nivarox för att minska effekterna av temperaturförändringar på hastigheten, och noggrant formade för att minimera effekten av förändringar i drivkraften när huvudfjädern rinner ner. Före 1980-talet användes balanshjul och balansfjädrar i praktiskt taget alla bärbara tidtagningsenheter, men under de senaste decennierna har elektronisk kvartstidtagningsteknik ersatt det mekaniska urverket, och den största återstående användningen av balansfjädrar är i mekaniska klockor.
Historia
Det finns en viss tvist om huruvida den uppfanns runt 1660 av den brittiske fysikern Robert Hooke eller den holländska forskaren Christiaan Huygens , med sannolikheten att Hooke först hade idén, men Huygens byggde den första fungerande klockan som använde en balansfjäder. Före den tiden användes balanshjul eller folioter utan fjädrar i klockor, men de var mycket känsliga för fluktuationer i drivkraften, vilket fick klockan att sakta ner när huvudfjädern lindades av. Införandet av balansfjädern åstadkom en enorm ökning av noggrannheten hos fickur , från kanske flera timmar per dag till 10 minuter per dag, vilket gjorde dem till användbara tidtagare för första gången. De första balansfjädrarna hade bara några varv.
Några tidiga klockor hade en Barrow-regulator, som använde ett snäckdrev , men den första allmänt använda regulatorn uppfanns av Thomas Tompion omkring 1680. I Tompion-regulatorn var kantstiften monterade på en halvcirkelformad kuggstång, som justerades genom att montera en nyckeln till en kugg och vrider på den. Den moderna regulatorn, en spak svängd koncentriskt med balanshjulet, patenterades av Joseph Bosley 1755, men den ersatte inte Tompion-regulatorn förrän i början av 1800-talet.
Regulator
För att justera hastigheten har balansfjädern vanligtvis en regulator . Regulatorn är en rörlig spak monterad på balanskranen eller bryggan, vriden koaxiellt med vågen. En smal slits bildas i ena änden av regulatorn av två nedåt utskjutande stift, kallade kantstift, eller av ett kantstift och ett stift med en tyngre sektion som kallas en stövel. Änden av balansfjäderns yttre varv är fixerad i en tapp som är fäst vid balanskranen. Fjäderns yttre varv passerar sedan genom regulatorslitsen. Delen av fjädern mellan tappen och spåret hålls stationärt, så att spårets läge styr fjäderns fria längd. Genom att flytta regulatorn glider spåret längs fjäderns yttre varv, vilket ändrar dess effektiva längd. Att flytta spåret bort från dubben förkortar fjädern, gör den styvare, ökar balansens oscillationshastighet och gör att klockan vinner tid.
Regulatorn stör något med fjäderns rörelse, vilket orsakar felaktigheter, så precisionsklockor som marina kronometrar och vissa avancerade klockor är frifjädrade , vilket innebär att de inte har en regulator. Istället justeras deras hastighet med tidsskruvar på balanshjulet.
Det finns två huvudtyper av balansfjäderregulator.
- Tompion-regulatorn, i vilken kantstiften är monterade på en sektorstång, förflyttad av ett drev. Kugghjulet är vanligtvis försett med en graderad silver- eller stålskiva.
- Bosley-regulatorn, som beskrivits ovan, i vilken stiften är monterade på en spak som svängs koaxiellt med balansen, varvid hävarmens ände kan flyttas över en graderad skala. Det finns flera varianter som förbättrar noggrannheten med vilken spaken kan flyttas, inklusive snigelregulatorn, där spaken är fjädrad mot en kam av spiralprofil som kan vridas, mikrometern, där spaken förflyttas av en snäckväxel , och svanhals- eller vassregulatorn i vilken spakens läge justeras med en fin skruv, varvid spaken hålls i kontakt med skruven av en fjäder i form av en krökt svanhals. Detta uppfanns och patenterades av amerikanen George P. Reed, US patent nr 61 867 daterat 5 februari 1867.
Det finns också en regulator för svinhår eller grisborst , i vilken styva fibrer är placerade längst ut på vågens båge, och får den att stanna försiktigt innan den kastas tillbaka. Klockan accelereras genom att förkorta bågen. Detta är inte en balansfjäderregulator, som användes i de tidigaste klockorna innan balansfjädern uppfanns.
Det finns också en Barrow-regulator, men detta är egentligen den tidigare av de två huvudsakliga metoderna för att ge huvudfjädern "inställningsspänning"; som krävs för att hålla fusée-kedjan i spänning men inte tillräckligt för att faktiskt driva klockan. Kantklockor kan regleras genom att justera uppställningsspänningen, men om någon av de tidigare beskrivna regulatorerna är närvarande görs detta vanligtvis inte.
Material
Ett antal material har använts för balansfjädrar. Tidigt användes stål, men utan att någon härdnings- eller härdningsprocess tillämpades; som ett resultat skulle dessa fjädrar gradvis försvagas och klockan skulle börja tappa tid. [ citat behövs ] Vissa urmakare, till exempel John Arnold , använde guld, vilket undviker problemet med korrosion men behåller problemet med gradvis försvagning. Härdat och härdat stål användes först av John Harrison och förblev sedan det valda materialet fram till 1900-talet.
År 1833 experimenterade EJ Dent (tillverkare av Great Clock of the Houses of Parliament ) med en glasbalansfjäder. Detta påverkades mycket mindre av värme än stål, vilket minskade den kompensation som krävdes, och rostade inte heller. Andra försök med glasfjädrar avslöjade att de var svåra och dyra att tillverka, och de led av en utbredd uppfattning om bräcklighet, som höll i sig fram till tiden för glasfiber och fiberoptiska material. Hårfjädrar gjorda av etsat kisel introducerades i slutet av 1900-talet och är inte mottagliga för magnetisering.
Effekt av temperatur
Materialens elasticitetsmodul är beroende av temperaturen . För de flesta material är denna temperaturkoefficient tillräckligt stor för att variationer i temperatur avsevärt påverkar tidshållningen av ett balanshjul och balansfjäder. De tidigaste tillverkarna av klockor med balansfjädrar, som Hooke och Huygens, observerade denna effekt utan att hitta en lösning på den.
Under sin utveckling av den marina kronometern löste Harrison problemet med en "kompensationskant" - i huvudsak en bimetalltermometer som justerade balansfjäderns effektiva längd som en funktion av temperaturen. Även om detta schema fungerade tillräckligt bra för att tillåta Harrison att uppfylla de standarder som fastställts av Longitud Act , var det inte allmänt antaget.
Omkring 1765 uppfann Pierre Le Roy (son till Julien Le Roy ) kompensationsvågen, som blev standardmetoden för temperaturkompensation i klockor och kronometrar. I detta tillvägagångssätt ändras formen på vågen, eller justerande vikter flyttas på ekrarna eller kanten av vågen, av en temperaturkänslig mekanism. Detta ändrar balanshjulets tröghetsmoment och förändringen justeras så att den kompenserar för förändringen i balansfjäderns elasticitetsmodul. Den kompenserande balanskonstruktionen hos Thomas Earnshaw , som helt enkelt består av ett balanshjul med bimetallfälg, blev standardlösningen för temperaturkompensering.
Elinvar
Även om den kompenserande balansen var effektiv som ett sätt att kompensera för effekten av temperaturen på balansfjädern, kunde den inte ge en komplett lösning. Den grundläggande designen lider av "mellantemperaturfel": om kompensationen justeras för att vara exakt vid extrema temperaturer, kommer den att vara något av vid temperaturer mellan dessa ytterligheter. Olika "hjälpkompensations"-mekanismer utformades för att undvika detta, men de lider alla av att vara komplexa och svåra att justera.
Runt 1900 skapades en fundamentalt annorlunda lösning av Charles Édouard Guillaume , uppfinnare av elinvar . Detta är en nickel-stållegering med egenskapen att elasticitetsmodulen är väsentligen opåverkad av temperatur. En klocka utrustad med en elinvar balansfjäder kräver antingen ingen temperaturkompensation alls, eller väldigt lite. Detta förenklar mekanismen, och det betyder också att medeltemperaturfel också elimineras, eller åtminstone drastiskt reduceras.
Isokronism
En balansfjäder följer Hookes lag : återställande vridmoment är proportionellt mot vinkelförskjutningen. När denna egenskap är exakt uppfylld sägs balansfjädern vara isokron och svängningsperioden är oberoende av svängningsamplituden. Detta är en väsentlig egenskap för exakt tidtagning, eftersom ingen mekanisk drivlina kan ge absolut konstant drivkraft. Detta gäller särskilt i klockor och bärbara klockor som drivs av en huvudfjäder, vilket ger en minskande drivkraft när den lindas upp. En annan orsak till varierande drivkraft är friktionen, som varierar i takt med att smörjoljan åldras.
Tidiga urmakare hittade empiriskt metoder för att göra sina balansfjädrar isokrona. Till exempel patenterade Arnold 1776 en spiralformad (cylindrisk) form av balansfjädern, i vilken fjäderns ändar lindades inåt. År 1861 publicerade M. Phillips en teoretisk behandling av problemet. Han visade att en balansfjäder vars tyngdpunkt sammanfaller med balanshjulets axel är isokron.
I allmän praxis är den vanligaste metoden för att uppnå isokronism genom användning av Breguet-överspolen, som placerar en del av det yttersta varvet av hårfjädern i ett annat plan än resten av fjädern. Detta gör att hårfjädern kan "andas" mer jämnt och symmetriskt. Två typer av överspoler finns - den gradvisa överspolen och Z-böjen. Den gradvisa överspolen erhålls genom att pålägga två gradvisa vridningar på hårfjädern, som bildar stigningen till det andra planet över halva omkretsen. Z-böjningen gör detta genom att lägga på två veck med komplementära 45 graders vinklar, vilket åstadkommer en höjning till det andra planet i cirka tre fjäderhöjder. Den andra metoden görs av estetiska skäl och är mycket svårare att utföra. På grund av svårigheten med att bilda en overcoil använder moderna klockor ofta en något mindre effektiv "dogleg", som använder en serie skarpa böjar (i plan) för att placera en del av den yttersta spolen ur vägen för resten av fjädern.
Period av svängning
Balansfjädern och balanshjulet (som vanligtvis kallas för balansen ) bildar en harmonisk oscillator . Balansfjädern ger ett återställande vridmoment som begränsar och vänder balansens rörelse så att den svänger fram och tillbaka. Dess resonansperiod gör den resistent mot förändringar från störande krafter, vilket är det som gör den till en bra tidtagningsenhet. Fjäderns styvhet, dess fjäderkoefficient, i N·m/radian, tillsammans med balanshjulets tröghetsmoment , i kg·m 2 , bestämmer hjulets svängningsperiod } . Rörelseekvationerna för balansen är härledda från vinkelformen av Hookes lag och vinkelformen av Newtons andra lag.
Följande differentialekvation för hjulets rörelse är resultatet av att förenkla ekvationen ovan:
Lösningen på denna rörelseekvation för balansen är enkel harmonisk rörelse ; dvs en sinusformad rörelse med konstant period.
Följande ekvation för oscillationsperiodiciteten kan alltså extraheras från ovanstående resultat:
