Часы изнутри. Камни в часах: зачем, почему, сколько?

В комментариях к практически каждой публикации о часах прямо или косвенно звучит один и тот же вопрос — что такое «камни», зачем они в часах, можно ли без них, сколько их нужно в механизме и вообще как это всё устроено? Я стараюсь отвечать каждый раз на поставленные вопросы, да и в самих публикациях так или иначе касаюсь темы камней. Но в силу частоты задаваемого вопроса думаю, что пришло время посвятить теме отдельное повествование, в котором соберётся воедино разобщённый в разных публикациях материал. Ниже я постараюсь рассказать и привести конкретные примеры использования камней в часовом механизме, их назначение и типы, опираясь как на широко известные факты, так и на собственный опыт работы с часами. Безусловно, популярный рассказ не может претендовать на всеобъемлющее освещение вопроса, тем не менее, ниже я постараюсь высветить наиболее общие вопросы этой темы, которые, как я надеюсь, будут интересны широкому кругу читателей.



Так уж повелось, что любому действию в обязательном порядке существует противодействие. В электронике это называется сопротивлением, в механике — трением. Основная задача конструктора свести к минимуму этот эффект, а вместе с тем повысить как коэффициент полезного действия устройства, то есть, сэкономить непродуктивный расход энергии, так и повысить стабильность работы устройства за счет уменьшения износа соприкасающихся и трущихся поверхностей деталей механизма.
В механике для этих целей применяются подшипники. Наиболее известные типы подшипников, это подшипники качения и подшипники скольжения. В подшипниках скольжения поверхность оси или вала скользит по рабочей поверхности подшипника, а в подшипниках качения используется трение качения благодаря установке шариков или роликов между подвижным и неподвижным кольцами подшипника.
«Ах, так вот оно что, камни — это подшипники!», — воскликнет Читатель и будет прав… и одновременно неправ. Кроме функции подшипника на камни в часах возлагается ряд дополнительных и специфических функций. Кроме того, не все камни в часах — подшипники. Но — о всём по порядку.
Для начала определимся, какие камни существуют в часах. Весь набор камней в часах делится на две группы: функциональные и нефункциональные камни. Думаете это мы просто так взяли и решили, какие камни как назовём? Нет. Это определено «ГОСТ 29154-91 (ИСО 1112-74) Камни часовые функциональные и нефункциональные». Вот как — всё серьёзно. А раз мы серьёзно решили подойти к теме, то я позволю себе привести выдержки из ГОСТ.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КАМНИ.

Камни с отверстиями, служащие в качестве радиальных или осевых опор (или тех и других одновременно):
— Неподвижные с подвижной осью

— Подвижные с неподвижной осью


Камни без отверстий, служащие в качестве осевых опор:
— Неподвижные с подвижной осью

— Подвижные с неподвижной осью

Далее следуют:
— Камни с коническими выемками, служащие в качестве радиальных и осевых опор.
— Камни, предназначенные для передачи силы или движения, или того и другого одновременно, например камни, используемые для поддержания колебательной системы.

Узлы, включающие в себя несколько камней, как например шариковые подшипники или соединительная муфта для механизма автоподзавода часов. Каждый узел должен рассматриваться как один функциональный камень в описании и маркировке прибора.

НЕФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КАМНИ.

— Камни, служащие для украшения.
— Камни, закрывающие камневые отверстия, но служащие в качестве осевой опоры (например масленка, пылезащитное устройство).
— Камни, служащие опорой подвижных деталей, например часовое колесо, передаточное колесо и т.д.
— Камни, служащие для ограничения случайных перемещений колеблющейся массы или являющиеся опорой для числовых и календарных дисков и т.д.
Особенность нефункциональных камней в том, что они не входят в общее число обозначаемых камней. Например, в механизме 2614.Н часов Ракета двадцать два камня, три из которых, это опора числового диска календаря, то есть, нефункциональные согласно ГОСТ 29154-91. Так вот, эти три камня не входят в общий счёт камней и в сертификации к механизму указывается лишь девятнадцать функциональных камней.

Так выглядит нефункциональный камень опоры числового диска в часах Ракета.



Курсивом я выделил то, что встречается в большинстве часовых механизмов широко распространенных наручных часов и с чем приходится постоянно иметь дело. Чуть ниже рассмотрим аспекты подробнее.

Теперь по порядку применительно к часам что же есть что.

1. «Камни с отверстиями, служащие в качестве радиальных или осевых опор неподвижные с подвижной осью» — это камни ангренажа. Те камни, в которых вращаются цапфы колёсной системы. Так называемые «сквозные камни»
2. «Камни без отверстий, служащие в качестве осевых опор» — это накладные камни баланса, анкерного колеса и в некоторых механизмах (например, Ракета 2609.Б) опоры колёс ангренажа.
3. «Камни, предназначенные для передачи силы или движения, или того и другого одновременно, например камни, используемые для поддержания колебательной системы» — это палеты анкерной вилки и эллипс (импульсный камень).

Итак, исходя и вышеизложенного, камни в часах:
— Сквозные.
— Накладные.
— Палеты анкерной вилки (их две).
— Эллипс (импульсный камень).
Каждый разберём подробно.

Внимательный читатель уже наверняка задался вопросом — вот всё камни, камни, а что же такое сами эти камни, из чего они изготовлены? Ну тут всё просто. Это — корунд. Корунд, у которого масса имён. Это и Рубин. Это и Сапфир. А для химика — это Al2O3 (алюминий-два-О-три). До появления технологии производства искусственных рубинов для опор в часах пытались использовать иные материалы. Например, такие, как кварц, стекло и даже гранат. Но исследования выявили, что пара металл-корунд представляет собой близкую к идеалу пару и позволяет снизить трение за счет твёрдой гладкой поверхности, повысить долговечность механизма. Искусственные камни обрабатываются необходимым образом и запрессовываются в отверстия на платине. Чтобы запрессовка была плотной, отверстия под камни выполняются специальной, так называемой «пулевидной» формы. В крупных механизмах камни устанавливались в собственных оправах — шатонах.

Так выглядят сквозные камни опор ангренажа, установленные в шатонах.


Так — сквозные камни опор ангренажа, установленные непосредственно в мост ангренажа.



Как видим, в данном случае камни выполняют роль подшипника скольжения. Подшипник скольжения представляет собой корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, в которое вставляется вкладыш или втулка из антифрикционного материала и смазывающее устройство. Между валом и отверстием втулки подшипника имеется зазор, заполненный смазочным материалом, который позволяет свободно вращаться валу.
В нашем случае вкладыш — это искусственный рубин c цилиндрическим отверстием (обратите внимание, это важно), запрессованный в корпус, которым является мост ангренажа. Вал — это цапфа часового колеса. И — обязательный атрибут — смазывающее устройство. Роль смазывающего устройства выполняет выполненное в камне сферическое углубление — маслёнка. Она заполняется часовым маслом, которое удерживается в зазоре между валом (цапфой) и вкладышем (сквозным камнем). Продольный люфт ограничивает так называемый заплечик, небольшая плоская площадка в месте перехода оси колеса в цапфу. Схематически это выглядит следующим образом. Обязательно отметьте, сколько масла должно быть в маслёнке.



Что у нас далее? Далее у нас накладные камни. Пожалуй, разговор о накладных камнях нужно начинать с баланса, поскольку без накладных камней баланс существовать если и может, то я такого не встречал в своей часовой практике. Дело в том, что если в ангренаже продольный люфт ограничен заплечиками оси, отверстия в камнях имеют цилиндрическую форму, то ось баланса не имеет заплечика. Почему? Потому, что для достижения минимальной потери энергии в узле баланса трение необходимо свести к минимуму. Для этого необходимо максимально снизить площадь соприкосновения деталей. Из этих соображений проходной камень баланса имеет не цилиндрическую форму отверстия под цапфу, а закруглённую. Так называемый «оливаж», поскольку форма отверстия напоминает оливку. Цапфа баланса в свою очередь имеет сферическое окончание, которым она касается к накладному камню расположенному над сквозным камнем с отверстием «оливаж». Как вы уже наверняка слыхали, такая конструкция представляет собой деталь, которая именуется «бушон». Ось баланса тоже имеет продольный люфт. Он очень мал. Но в карманных часах его можно даже услышать, если встряхнуть часы по оси баланса. Цапфа ударится в накладной камень бушона, и мы услышим лёгкий «цок!». В наручных часах это услышать трудно из-за малой массы самого баланса. Итак, как же это выглядит на схеме.



Как видим, при использовании накладного камня получается как бы масляный карман, в котором надёжно удерживается смазка.
Накладные камни также применяют и в других узлах часового механизма, особенно там, где снижение трения и сохранение смазки длительное время наиболее важно. Чаще всего накладной камень можно встретить на анкерном колесе. Давайте просмотрим, как всё это выглядит на «живых» механизмах.

На этом фото перед нами два моста баланса с накладными камнями. Слева — противоударный баланс, у которого применено подпруживание накладного камня специальной пружиной — «звёздочкой». Справа — обычный баланс, в котором накладной камень жестко установлен в обычную оправу.


Здесь представлена конструкция накладных камней механизма 3602 часов «Молния». Как видим, накладные камни установлены на оси анкерного колеса и на не противоударном балансе. Камни закреплены жёстко в специальных платах.


Пример того, как устанавливаются накладные камни на осях колёс ангренажа и противоударном балансе. Установка накладных камней повысила общее число камней в механизме Ракета 2609.Б до двадцати одного камня. Камни как в балансе, так и в ангренаже имеют некоторую степень свободы благодаря фиксирующим пружинам в форме лиры. Как я уже говорил, механизмы такой конструкции более стабильны и долговечны, чем обычные, за счет улучшенной смазки узлов цапф.


Далее мы познакомимся с особым видом часовых камней. Это палеты анкерной вилки и эллипс (импульсный камень) баланса.
В обычных часах две палеты и один импульсный камень. Именно из-за наличия непарного импульсного эллипса число камней в часах часто бывает именно нечётным. Начнем с палет. Палет по-французски — брусок. Нечто продолговатое четырёхугольное. Собственно, такой формы они и есть. Давайте рассмотрим их поближе. Но прежде посмотрим на анкерное колесо, с которым палеты взаимодействуют. Видите этот венец? Зубья венца выполнены особым образом. Поэтому палеты несут комбинированную нагрузку — ударно-скользящую. Рабочая область палеты сначала принимает удар площадки зуба анкерного колеса и останавливает его вращение. Затем баланс сдвигает вилку и зуб скользит по палете, сообщая энергию балансу. Это очень коротко. На самом деле фаз гораздо больше и мы когда-нибудь посвятим работе спуска отдельную главу.



Итак, перед нами палеты. Различают палеты входа и палеты выхода. У них разная форма рабочих областей, разный угол установки. Пока остановимся на этом, но обратим внимание на важнейшую часть анкерной вилки — рожки. Это важно для понимания функции эллипса. В этот раз нам достаточно просто знать об их существовании.


Здесь яснее видна рабочая область палеты.


Палеты парные, поэтому палеты — всегда плюс два камня в общее число камней в часах.

Итак, переходим к единственному и уникальному камню часового механизма — импульсный камень баланса или эллипс.
Эллипс устанавливается на двойном ролике баланса и служит для взаимосвязи баланса с анкерной вилкой посредством рожек анкерной вилки. Именно поэтому я обратил внимание на конструкцию вилки выше. Да, вместо можно поставить металлическую деталь. но… как вы думаете, сколько она прослужит при такой нагрузке? А нагрузка здесь тоже комбинированная, ударно-скользящая.

И вот он перед нами, импульсный камень эллипс особой формы. Один единственный в своем роде на весь механизм. Просто обратите внимание на его форму. Ах, да — этот камень никогда не смазывается.



После того, как мы узнали обо всём этом, никто не хочет спросить: «Ну ладно, а можно как-то обойтись без всего этого? Как-то же раньше, до того, как придумали камни, часы же делали?»
Ну… можно. И даже обходятся. Ну, не так чтобы совсем уже совершенно без камней (чуть позже я расскажу о минимальном их количестве), тем не менее. Когда-то в ГДР выпускалась некая притча во языцех — Ruhla. Часы без каменей. У меня были. На два-три месяца их таки да хватало, а то и на полгода.

Ну так вот, давайте посмотрим на творение китайских мастеров часового искусства.


Ангренаж этого механизма не содержит ни одного камня. Механизм устанавливался в подделку часов «Восток командирские». Характерная отличительная особенность часов — надпись на циферблате «17 КАМНЕN».
Но даже в этом механизме присутствует… а давайте считать! Итак, баланс — два камня проходных с оливажем, два камня накладных. Один эллипс. Два — палеты, два — опоры анкерной вилки. Итого девять камней.

Но это — самый что ни есть поддельный Китай. А вот что происходило на Луче в ставших уже нарицательными 90-х!
Перед вами Луч 1801.1 выпуска «перестроечных» времён.

Как видим, накладных камней на баланс не нашлось. Поставили металлическую таблетку.

Поставить камень в ангренаж тоже «забыли». И эти часы до сих пор приносят в ремонт. А колёса-то перекошены так, что заклинивают. Какой уж там ход, и речи нет. Благо, есть масса калибров из разборки. Перебираем, кому очень хочется «мамины часы носить».


Ну да ладно. Похоже, я несколько утомил уважаемого Читателя. Давайте подводить повествование к эпилогу. А в эпилоге постараюсь ответить на весьма частый и животрепещущий вопрос — так сколько же камней нужно в часах, чтобы можно было считать механизм нормальным?
Пожалуй, по прочтении этого небольшого рассказа вы и сами сможете ответить на этот вопрос. Но давайте всё-таки подумаем вместе.
Что у нас не может работать без камней в принципе? Это баланс. Значит, два сквозных камня и два накладных необходимы, как воздух. Вот есть такие шахматные часы «Янтарь». В них установлены механизмы от будильника. Механизмы на так называемом штифтовом ходу. Там так и есть — четыре камня.

Далее. Для того, чтобы построить надёжный баланс, нам понадобится два сквозных, два накладных камня и один эллипс. Итого пять камней. Это обязательный вариант нормального механизма. Далее — спуск. Это два камня — палеты, и два сквозных камня для опор анкерной вилки. Ещё четыре камня. В ангренаже у нас анкерное колесо — два сквозных камня, секундное колесо — два сквозных камня, промежуточное колесо — два сквозных камня. Итого для ангренажа — шесть камней. Вот и получается пятнадцать камней. Именно столько, сколько их в часах «Победа» на механизме 2602, часах «Молния» на механизме ЧК-6 и подобных им. Но мы же не поставили на камни центральное колесо! Поэтому лет через сколько-то ось центрального колеса выела платину и латунный вкладыш моста, перекосилось и застопорило ход. Надо стягивать отверстие пуансоном или менять платину с мостом. Поэтому во избежание подобного поставим на камни и центральное колесо — это плюс два камня. Итого — семнадцать камней. Как по-мне, это наиболее разумный вариант. Иначе поступили в калибре 3602 часов «Молния». В механизм на пятнадцати камнях прибавили камень на пятке центрального колеса и два накладных камня на оси анкерного колеса, значительно тем самым повысив стабильность хода.
Итак, подводя итог, скажу: Достаточный вариант — это пятнадцать камней в механизме. Улучшенный вариант — семнадцать или восемнадцать камней. Это для калибров с ручным заведением пружины. В автоматах, разумеется, другой счёт. Но он идёт в прибавку к тем обязательным семнадцати, которые мы с вами насчитали выше.
Безусловно, фантазии конструкторов нет предела, как нет предела совершенству, но необходимый минимум камней в часовом калибре, по крайней мере калибре с классической компоновкой, мы с вами установили. Установили — для механических часов.

А в электронных кварцевых, а?
А тут дело обстоит несколько иначе и суть его в принципе работы механизма. В кварцевых часах тоже есть ангренаж, ремонтуар. Но вся хитрость в том, что кварцевые часы работают… наоборот относительно механических. Как это понимать? А вот как. В механических часах усилие пружины передаётся на центральное колесо. От него через ангренаж — набор колёс — на анкерное колесо, которое через анкерную вилку как управляет, так и управляется балансом, заставляя его вращаться. То есть, это означает, что колёса и, как следствие этого, цапфы колёс постоянно движутся и находятся под значительной нагрузкой. Именно поэтому в механических часах люфт выбран постоянно. Постоянно, пока заведена, разумеется, пружина. В кварцевых часах дело обстоит с точностью до наоборот. Ангренаж находится под небольшим напряжением и движется лишь в момент переключения шагового двигателя. Поэтому на цапфах колёс усилия, как такового, практически нет. Именно поэтому, между прочим, и не выбирается люфт колёсной системы. Подтверждением сему — заметное шевеление стрелок даже на часах сравнительно высокой ценовой категории. «Это не проблема, это — фича!» © Разумеется, что при таком положении вещей резко снижаются требования к материалам, из которых изготовлены опоры колёс. То есть, точность хода и в принципе долговечность кварцевого механизма не зависит то трения в колёсной системе. В результате от камней в кварцевых часах, по крайней мере в сегменте массового потребления, отказались вовсе. Это позволило резко снизить стоимость таких часов. Правда, тут стоит заметить, что стоимость искусственных рубинов не столь уж и высока. Но в калибрах высокой ценовой категории камни устанавливают. Но их там — от одного до десяти в лучших моделях калибров. Чаще всего пять-семь. Это те калибры, в которых механическая часть изготовлена из металла. Метал по металлу — это не металл по тефлону, тут надо и камни употребить.

Надеюсь, мне удалось достаточно подробно ответить на вопросы, появлявшиеся в процессе ознакомления Читателя с работой часовых механизмов. Если что было упущено или требует дополнительного объяснения, прошу в комментарии, друзья!