Для чего нужен балансирующая пружина

Пружина баланса

Баланс весной или волосок , является пружиной прикреплен к балансиру в механических часах . Он заставляет балансирное колесо колебаться с резонансной частотой во время работы часов, что определяет скорость вращения колес часов и, следовательно, скорость движения стрелок. Регулятор рычаг часто установлен, который может быть использован , чтобы изменить свободную длину пружины и , таким образом , регулировать скорость хронометра.

Пружина баланса — это тонкая спиральная или винтовая торсионная пружина, используемая в механических часах , будильниках , кухонных таймерах , морских хронометрах и других механизмах хронометража для управления частотой колебаний колеса баланса . Балансовая пружина является важным дополнением к балансовому колесу, заставляя его колебаться вперед и назад. Балансовая пружина и балансовое колесо вместе образуют гармонический осциллятор , который колеблется с точным периодом или «биением», сопротивляясь внешним возмущениям, и отвечает за точность хронометража.

Добавление пружины баланса к балансовому колесу около 1657 года Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом значительно повысило точность портативных часов, превратив ранние карманные часы из дорогих новинок в полезные хронометры. Улучшения в пружине баланса с тех пор привели к дальнейшему значительному увеличению точности. Современные пружины баланса изготовлены из специальных сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как nivarox, чтобы уменьшить влияние температурных изменений на скорость, и тщательно сконструированы, чтобы минимизировать влияние изменений движущей силы в качестве основной пружины. сбегает. До 1980-х годов балансировочные колеса и пружины баланса использовались практически в каждом портативном устройстве для хронометража, но в последние десятилетия технология электронного кварцевого хронометража пришла на смену механическим часам, и в основном пружины баланса используются в механических часах.

СОДЕРЖАНИЕ

История [ править ]

Существует некоторый спор относительно того, были ли они изобретены около 1660 года британским физиком Робертом Гуком или голландским ученым Кристианом Гюйгенсом , с вероятностью, что идея была изобретена у Гука , но Гюйгенс построил первые работающие часы, в которых использовалась пружина баланса. [2] [3] До этого времени в часах и часах использовались балансирные колеса или фолианты без пружин, но они были очень чувствительны к колебаниям движущей силы, что приводило к замедлению хода часов при раскручивании боевой пружины . Введение пружины баланса привело к огромному увеличению точности карманных часов, возможно, с нескольких часов в день [4] до 10 минут в день [5], что впервые делает их полезными хронометристами. Первые пружины баланса имели всего несколько оборотов.

В некоторых ранних часах был регулятор Барроу, в котором использовался червячный привод , но первый широко используемый регулятор был изобретен Томасом Томпионом около 1680 года. [6] В регуляторе Tompion бордюрные штифты были установлены на полукруглой зубчатой ​​рейке, которая регулировалась. вставив ключ в шестеренку и повернув его. Современный регулятор, рычаг, вращающийся концентрически с колесом баланса, был запатентован Джозефом Босли в 1755 году, но не заменил регулятор Tompion до начала 19 века. [7]

Регулятор [ править ]

Для регулировки скорости пружина баланса обычно имеет регулятор. . Регулятор представляет собой подвижный рычаг, установленный на балансировочном кране или мосту и поворачивающийся соосно с балансом. Узкий паз образован на одном конце регулятора двумя выступающими вниз штифтами, называемыми штифтами бордюра, или штифтом бордюра и штифтом с более тяжелым сечением, называемым пыльником. Конец внешнего витка балансировочной пружины закреплен в шпильке, которая прикреплена к балансировочному крану. Внешний виток пружины проходит через паз регулятора. Часть пружины между штифтом и пазом остается неподвижной, поэтому положение паза контролирует свободную длину пружины. При перемещении регулятора прорезь скользит по внешнему витку пружины, изменяя ее эффективную длину. При перемещении паза от штифта пружина укорачивается, делая ее более жесткой, увеличивая частоту колебаний баланса,и заставить часы выигрывать время.

Регулятор немного мешает движению пружины, вызывая неточность, поэтому точные часы, такие как морские хронометры и некоторые высококачественные часы, имеют свободную подпружину , что означает, что у них нет регулятора. Вместо этого их скорость регулируется синхронизирующими винтами на балансирном колесе.

Существует два основных типа регуляторов пружины баланса.

• Регулятор Tompion, в котором штифты бордюра установлены на секторной стойке, перемещаются шестерней. Шестерня обычно оснащается градуированным серебряным или стальным диском.
• Регулятор Bosley, как описано выше, в котором штифты установлены на рычаге, повернутом коаксиально с балансиром, конец рычага может перемещаться по градуированной шкале. Есть несколько вариантов, которые повышают точность перемещения рычага, в том числе регулятор «Улитка», в котором рычаг подпружинен против кулачка спирального профиля, который можно поворачивать, микрометр, в котором рычаг перемещается с помощью червячная передача и регулятор «Лебединая шея» или «Рид», в которых положение рычага регулируется тонким винтом, причем рычаг удерживается в контакте с винтом с помощью пружины в форме изогнутой лебединой шеи. Это было изобретено и запатентовано американцем Джорджем П. Ридом, патент США № 61867 от 5 февраля 1867 года.

Существует также регулятор «Свиной волос» или «Свиной щетиной», в котором жесткие волокна размещаются на концах дуги балансира и аккуратно останавливают его, прежде чем отбросить обратно. Часы ускоряются за счет сокращения дуги. Это не регулятор пружины баланса, который использовался в самых ранних часах до изобретения пружины баланса.

Существует также регулятор Барроу, но на самом деле это более ранний из двух основных методов создания «установочного напряжения» главной пружины; это требовало натяжения цепи Fusee, но не достаточного, чтобы приводить часы в движение. Часы Verge можно регулировать, регулируя установочное натяжение, но если присутствует какой-либо из ранее описанных регуляторов, то обычно этого не делают.

Материал [ править ]

Для изготовления пружин баланса был использован ряд материалов. Вначале использовалась сталь, но без каких-либо процессов закалки или отпуска; в результате эти пружины постепенно ослабнут, и часы начнут терять время. [ необходима цитата ] Некоторые часовщики, например Джон Арнольд , использовали золото, которое позволяет избежать коррозии, но сохраняет проблему постепенного ослабления. Закаленная и отпущенная сталь была впервые использована Джоном Харрисоном и впоследствии оставалась предпочтительным материалом до 20 века.

В 1833 году Э. Дж. Дент (создатель Больших часов в здании парламента ) экспериментировал со стеклянной пружиной баланса. Он гораздо меньше подвержен воздействию тепла, чем сталь, что снижает требуемую компенсацию, а также не ржавеет. Другие испытания стеклянных пружин показали, что их сложно и дорого изготавливать, и что они страдают от широко распространенного восприятия хрупкости, которое сохранялось до тех пор, пока не появились стекловолокно и волоконно-оптические материалы. [8] Волосы из травленого кремния появились в конце 20 века и не подвержены намагничиванию. [9]

Влияние температуры [ править ]

Модуль упругости материалов зависит от температуры. Для большинства материалов этот температурный коэффициент достаточно велик, чтобы колебания температуры существенно влияли на хронометраж баланса и пружины баланса. Первые производители часов с пружинами баланса, такие как Роберт Гук и Христиан Гюйгенс , наблюдали этот эффект, но не нашли решения.

Джон Харрисон , в ходе разработки морского хронометра , решил эту проблему с помощью «компенсационного бордюра» — по сути, биметаллического термометра, который регулировал эффективную длину пружины баланса в зависимости от температуры. Хотя эта схема работала достаточно хорошо, чтобы позволить Харрисону соответствовать стандартам, установленным Законом о долготе , она не получила широкого распространения.

Примерно в 1765 году Пьер Ле Руа (сын Жюльена Ле Руа ) изобрел компенсационные весы, которые стали стандартным подходом для температурной компенсации в часах и хронометрах. При таком подходе изменяется форма баланса или регулируемые грузы перемещаются на спицах или ободе весов с помощью механизма, чувствительного к температуре. Это изменяет момент инерции балансового колеса, и это изменение регулируется таким образом, чтобы компенсировать изменение модуля упругости балансовой пружины. Компенсирующая конструкция баланса Томаса Эрншоу , которая состоит просто из балансового колеса с биметаллическим ободом, стала стандартным решением для температурной компенсации.

Элинвар [ править ]

Хотя компенсирующий баланс был эффективным средством компенсации влияния температуры на пружину баланса, он не мог обеспечить полное решение. Базовая конструкция страдает «погрешностью средней температуры»: если компенсация настроена так, чтобы быть точной при крайних значениях температуры, то она будет немного отклоняться при температурах между этими крайними значениями. Чтобы избежать этого, были разработаны различные механизмы «вспомогательной компенсации», но все они сложны и трудны в настройке.

Примерно в 1900 году принципиально иное решение было создано Шарлем Эдуардом Гийомом , изобретателем elinvar . Это сплав никель-сталь, обладающий тем свойством, что модуль упругости практически не зависит от температуры. Часы, оснащенные балансирной пружиной elinvar, не требуют температурной компенсации вообще или очень мало. Это упрощает механизм, а также означает, что ошибка средней температуры также устраняется или, как минимум, значительно снижается.

Изохронизм [ править ]

Уравновешивающая пружина подчиняется закону Гука : восстанавливающий момент пропорционален угловому смещению. Когда это свойство точно выполняется, балансовая пружина называется изохронной , и период колебаний не зависит от амплитуды колебаний. Это важное свойство для точного хронометража, поскольку никакая механическая трансмиссия не может обеспечить абсолютно постоянную движущую силу. Это особенно верно в отношении часов и портативных часов, которые приводятся в действие от основной пружины , которая обеспечивает уменьшение движущей силы при раскручивании. Другой причиной изменения движущей силы является трение, которое меняется по мере старения смазочного масла.

Первые часовщики эмпирически нашли способы сделать свои пружины баланса изохронными. Например, Джон Арнольд в 1776 году запатентовал спиральную (цилиндрическую) форму балансовой пружины, в которой концы пружины были закручены внутрь. В 1861 г. М. Филлипс опубликовал теоретическое рассмотрение проблемы. [10] Он продемонстрировал, что балансовая пружина, центр тяжести которой совпадает с осью балансового колеса, изохронна.

В общей практике наиболее распространенным методом достижения изохронности является использование перемотки Бреге, которая помещает часть крайнего витка спирали в плоскости, отличной от остальной части пружины. Это позволяет пружине «дышать» более равномерно и симметрично. Обнаружены два типа перемотки — постепенная перемотка и Z-изгиб. Постепенное перегибание достигается путем наложения двух постепенных скручиваний на спираль с образованием подъема во вторую плоскость на половине окружности. Z-образный изгиб делает это, создавая два изгиба под дополнительными углами в 45 градусов, достигая подъема во вторую плоскость примерно на три высоты секции пружины. Второй метод делается из эстетических соображений, и его гораздо сложнее выполнить. Из-за сложности образования перемотки,в современных часах часто используется несколько менее эффективный «изгиб», который использует серию резких изгибов (в плоскости), чтобы убрать часть внешней катушки с пути остальной пружины.

Период колебаний [ править ]

Балансовая пружина и балансовое колесо (которое обычно называют просто «баланс») образуют гармонический осциллятор . Пружина баланса обеспечивает восстанавливающий крутящий момент, который ограничивает и меняет движение баланса, так что оно колеблется взад и вперед. Его резонансный период делает его устойчивым к изменениям от возмущающих сил, что делает его хорошим устройством для хронометража. Жесткость пружины, ее коэффициент пружины, в Н * м / радиан, наряду с балансом колеса момента инерции , в кг * м 2 , определяет колеса колебаний периода κ <\ Displaystyle \ каппа \,>я <\ Displaystyle I \,>Т <\ Displaystyle T \,>. Уравнения движения для баланса выводятся из угловой формы закона Гука и угловой формы второго закона Ньютона.

τ знак равно — κ θ знак равно я α

Следующее дифференциальное уравнение для движения колеса является результатом упрощения приведенного выше уравнения:

Решением этого уравнения движения для баланса является простое гармоническое движение , т. Е. Синусоидальное движение с постоянным периодом.

Таким образом, из приведенных выше результатов можно извлечь следующее уравнение для периодичности колебаний:

Этот период контролирует скорость хода часов.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

1. ^«Часы-скелетон с спусковым механизмом хронометра — Herschel» . 10 апреля 2009 . Проверено 15 мая 2010 года .
2. ^ AR Hall, «Часовой и критика: Роберт Гук», Studia Copernicana, XVI, Оссолинеум, 1978, 261-81.
3. ^ Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр.Его история и развитие . Лондон: Дж. Д. Поттер. С. 158–171. ISBN
4. 0-907462-05-7 .
5. ^ Милхэм, Уиллис I. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. ISBN
6. 0-7808-0008-7 . , стр.226
7. ^«Революция в хронометрии, часть 3» . Прогулка во времени . NIST (Национальный институт стандартов и технологий). 2002. Архивировано 28 мая 2007 года . Проверено 6 июня 2007 .
8. ^ Манди, Оливер. «Регулятор» . Краткий глоссарий технических терминов . Часовой шкаф. Архивировано 05 марта 2008 года . Проверено 14 мая 2008 .
9. ↑Манди, Регулятор Босли
10. ^ «Морской хронометр, его история и развитие» RT Gould. Стр.161.
11. ^https://www.watchtime.com/featured/silicon-watchmaking-benefits-pros-cons-antimagneism-oechslin-freak-chaulmontet-von-gunten/
12. ^ М. Филлипс, «Sur le spiral reglant», Париж, 1861.

• Система Сатурния (1659)
• Де Ви Центрифига (1659)
• Часы Oscillatorium (1673)
• Traité de la Lumiére (1692)
• Космотеорос (1698)

(документальный сериал Карла Сагана 1980 г. )
• Часы и культура, 1300–1700 (книга истории 1967 года Карло Чиполла )
• Революция во времени: часы и создание современного мира
  (книга по истории Дэвида Ландеса 1983 года )

• 1 Элементарный прототип поршневого двигателя внутреннего сгорания .
  2 Ранний практический тип проектора изображений и предшественник как современного слайд-проектора, так и кинопроектора .

• Викицитатник
• Тексты википедии

Балансирные валы мотора: зачем нужны и как работают?

Автомобилисты, которые немного понимают в устройстве автомобильного двигателя знают, что при работе кривошипно-шатунного механизма в ДВС возникаю инерционные силы. Данные силы могут быть как уравновешенными, так и неуравновешенными. Последние, к слову, считаются силами инерции второго порядка. Возникают они при движении поршней и других элементов и зависят напрямую от массы силовой установки. При возникновении дисбаланса обычно появлятся вибрация и шум и стандартных противовесов бывает недостаточно, чтобы балансировать. По этой причине и принято устанавливать балансирные валы, о которых и пойдет речь в данном материале.

Зачем нужны балансирные валы?

Балансирные валы в конструкции выполняют функцию поглотителей лишней инерции и вибрации. И особенно актуальным данное решение стало тогда, когда на рынке стало все больше появляться силовых установок большей мощности и объема порядка от 2-х литров. При этом немаловажную роль в балансировке работы двигателя внутреннего сгорания играет и само расположение цилиндров. При этом они могут располагаться в ряд, по оппозитной схеме, то есть когда оси цилиндров расположены в одной плоскости и противоположно направлены друг к другу или же иметь V -образное расположение. Именно от этих показателей будет зависеть балансировка мотора. Но идеального баланса не при одной из этих схем расположения все равно невозможно достичь.

Как работают балансирные валы?

Устанавливать балансирные валы принято парами и с каждой стороны коленчатого вала. Представляют они собой сложные по своей конструкции цилиндрические стержни геометрической формы. Вращение валов в противоположную сторону происходит со скоростью в два раза быстрее, чем у коленвала. Таким образом и происходит уравновешивание инертных сил второго порядка. Валы устанавливаются в картере мотора на подшипниках скольжения. В свое движение они приводятся за счет привода от коленчатого вала. Ну а поскольку подшипники связаны с системой смазки мотора, то они и испытывают в процессе работы валов самую большую нагрузку. Из-за чего они и начинают быстро изнашиваться, в результате чего и появляется характерный шум и вибрация.
Что же касается типа привода то наиболее распространенным вариантом считается цепной или зубчатый ремень. Иногда приводом может служить и зубчатый редуктор и комбинированный механизм, когда зубчатый редуктор идет вместе с ремнем. Ну а для снижения колебаний валов, в конструкции привода предусмотрена установка пружинного гасителя.

Подробнее о балансирных валах будет рассказано в данном видеоролике:

Какие бывают типы пружин секционных ворот

Секционные ворота можно считать наиболее удобным и практичным оборудованием. Однако их долговечность определяется не только условиями эксплуатации, но и качеством используемых комплектующих. Важнейший элемент конструкции в гаражных воротах подъемный механизм. В его основе лежит пружинная система и приводы, которые обеспечивают движение створок.

Классификация пружин для секционных ворот

Если приводить классификацию с учетом направления навивки, то пружины гаражных ворот можно разделить на левые и правые. Кроме того, существует типология по длине самой пружины, по внутреннему диаметру, а также по толщине прута. Наиболее значимым показателем считается число циклов работы, на которое рассчитаны пружины. В бытовых условиях достаточным считается количество от 15000 до 25000, а для промышленных предприятий может потребоваться и показатель в 1000000. В зависимости от балансировочной стороны створки, пружинные механизмы гаражных ворот подразделяют на торсионные и растяжные.

Что представляют собой торсионные пружины

Торсионная пружина для секционных ворот считается классическим вариантом и успешно применяется для балансировки веса створок как в промышленных конструкциях, так и в гаражных. В таких конструкциях вся масса полотна компенсируется за счет скручивания пружины, которая находится на валовом механизме выше уровня проема. Полотно фиксируется на вал с помощью тросов. В момент, когда система открывается, трос накручивается валом, поднимая сэндвич-панель. При раскручивании конструкция секционных гаражных ворот опускается.

Такой тип пружинного механизма предпочтителен, когда расстояние от верхней части проема до уровня потолка составляет как минимум 250 мм, но не более 400 мм. Это значение считается стандартным для притолоки в конструкции подъемно-секционных ворот. Если используются секционные ворота, конструкция которых не стандартна, то открывающееся полотно на сразу перемещается в горизонтальную плоскость, а может передвигаться вертикально относительно поверхности стены либо сантиметров на 60-70 выше проема.

Торсионный пружинный механизм подходит для створок, высота и ширина которых составляют до 5 метров. Система, как правило, дополнительно оснащена механизмом защиты от обрыва пружины и тросов. С его помощью можно существенно упростить поднятие створок даже шириной до 8 метров. Механизм обеспечивает надежную фиксацию и равномерно передвигает левую и правую стороны сэндвич-панелей. Конструкция защиты от обрыва это механизм, образуемый храповым колесом и стопорным элементом. Когда пружина раскручивается до определенного момента, пластинка с выдвигающимся стопорным элементом, встающим в паз и блокирующим вал.

Существуют конструкции, в которых дополнительно используется электропривод. Он монтируется на валовом механизме, и такое усовершенствование позволяет расширить возможности управления даже воротами, площадь которых превышает 20 кв.м.

Как работают пружины растяжения

Пружины растяжения это подъемные механизмы гаражных ворот, которые используются для створок шириной не более 3 м и высотой не больше 2,7 м. Размер притолоки должен составлять 150 мм. Пружины растяжения монтируются вертикально и расположены вдоль левой и правой направляющих. Секционные ворота с пружинами растяжения рассчитаны на 10000-15000 циклов открытий и закрытий.

Чтобы правильно понять, что отличает торсионные пружины для секционных ворот от пружин растяжения, нужно запомнить: первые обеспечивают подъем сэндвич-панелей за счет скручивания, а вторые за счет сжатия.

Важным конструктивным отличием между торсионным механизмом и пружинами растяжения можно считать следующий момент. В торсионном валовом механизме правая и левая часть сэндвич-панелей взаимосвязаны и соединены, а на пружине растяжения каждая сторона работает отдельно. Таким образом, если нагрузка приходится не на центральную часть створки, то одна сторона может прижиматься больше, чем другая (особенно часто это возникает тогда, когда для опускания ворот используется ручка, расположенная с одной стороны). При этом под воротами образуется зазор, разный по высоте с левой и правой стороны. Если устройство секционных гаражных ворот предполагает установку привода, то этого недостатка можно избежать.

Для чего нужна регулировка пружин секционных ворот

Длительный и бесперебойный срок службы конструкции зависит от работы абсолютно каждого элемента. В частности, периодически требуется регулировка пружин секционных ворот, за счет чего достигается хорошее натяжение и устраняется провисание тросов.

Перед тем, как приступить к работе, нужно привести створки в опущенное состояние, при котором пружинный механизм ослабится. Теперь необходимо найти винт, который фиксирует кронштейн, оснащенный храповой муфтой. Винт выкручивается обычным шестигранником, после чего с муфты снимается блокировка. Вкручиваем винт назад. Цель этих действий придать барабану свободное вращение, а затем намотать на него трос. Наматывать следует до тех пор, пока трос будет минимум провисать, а затем винт вкрутить в первоначальное положение. Пружинный механизм потребуется слегка подтянуть, — не более двух оборотов.

Валы следует проворачивать одновременно, чтобы не допустить провисания створок. Если же провисание все-таки обнаружено, со стороны образовавшегося дефекта необходимо снова раскрутить болты муфты и провернуть валовый механизм. После окончательной регулировки болты затягиваются для обеспечения их надежной фиксации. Необходимость в натяжении или, наоборот, ослаблении пружин может возникать периодически в процессе эксплуатации ворот. Своевременная регулировка позволит предотвратить преждевременный износ конструкции.

Поломки и неисправности в пружинных механизмах секционных ворот

Возникают некоторые ситуации, которые напрямую могут указывать о неисправности того или иного механизма. Устройство гаражных ворот представляет собой цельную, единую конструкцию, в которой малейшее нарушение приводит к выходу из строя всего механизма. О том, что требуется замена пружин торсионных ворот, может свидетельствовать не поднимающееся полотно ворот. Пружины имеют свойство деформироваться или полностью обрываться. Специалисты рекомендуют обращаться к мастерам по обслуживанию и ремонту секционных ворот не реже одного раза в полгода, если частота открываний и закрываний в течение одного дня превышает 20.

Новые пружины для секционных ворот купить придется еще и в том случае, если открывание и опускание сэндвич-панелей происходит с большими задержками и паузами, если конструкция периодически заклинивает. Неправильная балансировка пружин приводит к тугому ходу ворот, но если регулировка не дала положительного результата, значит, они пришли в негодность и нуждаются в замене. Сделать это нужно как можно скорее, чтобы избежать деформации направляющих и перекоса створок конструкции.