Balanceringstijd - We werpen onze ogen op het balanswiel

April 15, 2024

In ons verhaal laatste nummer over de balansveer - letterlijk het kloppende hart van het mechanische horloge - lijkt het alsof dit onderdeel al het zware werk doet, voor zover het de backoffice-activiteiten van tijdwaarneming betreft. Zoals elke horlogemaker je echter zal vertellen - en een groot aantal CEO's van horlogemerken - heeft het weinig zin om een nieuwe balansveer te noemen als je niet ook het balanswiel aanraakt, en inderdaad de hendel die het systeem stimuleert. In dit verhaal kijken we voornamelijk naar het balanswiel zelf, met een paar uitstapjes in de geschiedenis en werking van berm-, détente- en Zwitserse hendel-echappementen. Wat betreft de hefboom of palletvork, deze zal moeten wachten op een ander probleem.

We beginnen dit verhaal waar het laatste eindigde - met de opmerking dat balanswielen en haarveren moeten samenwerken. De beste manier om dit te begrijpen is door na te denken over de relatie tussen het mechanische polshorloge en de slingeruurwerk. Net zoals de slinger het regelorgaan van de klok is, vervullen de balans- en balansveer dezelfde functie in het polshorloge. Dat betekent dat de balans en balansveer de effecten van de zwaartekracht moeten benaderen. Onze terugkerende hoofdrolspeler voor deze inleiding is niemand minder dan de Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens. U zult zich herinneren dat Huygens een pionier was in de balansveer (perfectie in 1675) en de slinger (van de eerder genoemde klok).

: Patek Philippe kaliber 240 Q SI

: Patek Philippe Advanced Research Ref. 5550 herbergt het kaliber 240 Q SI

Vreemd genoeg lijkt het balanswiel al voor Huygens tijd te bestaan - Huygens zelf ontwierp zijn balanswiel en veersysteem in de berm-echappementstijl. Inderdaad, Huygens en andere pioniers waren op zoek naar de juiste component om harmonische oscillatie te creëren, en dat ontbrekende stuk was de balansveer. Dus de rest van de berm-echappement - het Zwitserse hefboomsysteem zou pas later verschijnen - bestond vóór 1675.

Harmonische oscillatie, als fysieke eigenschap, werd voor het eerst onderzocht door Galileo Galilei toen hij in het prille begin van de 17e eeuw de functie van slingers onderzocht. Het was Galileo die het isochronisme ontdekte als iets dat inherent is aan het slingeren van slingers. In principe is de slingerperiode van een bepaalde slinger relatief consistent, ongeacht de grootte van de slinger. Hiermee zou je een stabiele tijdwaarnemer kunnen krijgen, want zolang de slinger blijft slingeren, blijft de klok in hetzelfde tempo tikken. Het is duidelijk dat een klok die met verschillende snelheden tikte, afhankelijk van de slingerbeweging, minder dan nuttig zou zijn.

Galileo Galilei

De slinger krijgt deze isochrone eigenschap door zwaartekracht, wat betekent dat klokken die met slingers zijn uitgerust zo stabiel mogelijk moeten zijn; beweging verstoort de slingerbeweging en introduceert ongewenste variatie. Huygens voltooide het slingeruurwerk dat aanvankelijk door Galileo in gang werd gezet. Vóór de komst van de slingeruurwerk gebruikten mechanische klokken een ander onderdeel om isochronisme te simuleren: de foliot. Gebaseerd op traagheidskrachten, was dit een horizontale balk (met gewichten aan beide uiteinden) die precies in het midden draaide. De resulterende schommelbeweging, aangedreven door de kinetische energie van een spiraalveer, zorgde voor de tijdwaarneming.

Het balanswiel snijdt rechtstreeks naar de huidige mechanische balansassemblages en roteert ongeveer anderhalf keer in één richting, wat één zwaai vormt. Dit is ongeveer 270 ° aan elke kant van de middelste evenwichtspositie van het balanswiel. Een volledige cyclus bestaat uit twee van deze schommelingen, wat neerkomt op twee tellen. De stijfheid van de balansveer en het traagheidsmoment van het wiel zijn sleutelelementen in de vergelijking die bepaalt hoeveel seconden het duurt om een cyclus te voltooien.

Terugkomend op het onderwerp van het balanswiel en de foliot, is het onduidelijk wanneer het balanswiel de foliot volledig heeft vervangen. Het is zeker dat de introductie van de slinger en de balansveer de tekortkomingen van het berm-echappement in harde verlichting brachten. Veel verschillende echappementen streden om de vervanging ervan, waaronder de arretering en cilinderuitlopen. Uiteindelijk was het zowel het ankergang als het hefboom-echappement dat uiteindelijk het lot bezegelde van het ooit dominante berm-echappement.

Waar past het handwiel in dit verhaal? Welnu, een volledige beschrijving wordt gegeven in de sectie over hefboom-echappementen (Leverage) evenals de korte tl; dr hierboven, maar neem even de tijd om het On the Verge-segment te lezen omdat het de weg bereidt. Het balanswiel blijkt de beste vorm om naast de traditionele spiraal- of balansveer te werken.

In zijn huidige vorm hebben balanswielen verschillende verschijningsvormen, die kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdvormen: soepel en niet-glad. Ja, niet-glad is niet bijzonder welsprekend, maar als men een meer technisch klinkende term moet hebben, dan zal het een verstelbare massa zijn. We kiezen ervoor om niet-glad te gebruiken, omdat dit geschroefde balanswielen zal bevatten, zelf geen bijzonder charmante beschrijving. De niet-soepele versie van het balanswiel is traditioneel, met kleine schroeven op de velg. Dit moet niet worden verward met de Gyromax van Patek Philippe, de Microstella van Rolex en een verscheidenheid aan opties van Swatch Group (voornamelijk van Omega) die schroeven lijken te bevatten op de rand of aan de binnenkant van de rand.

Ulysse Nardin handwiel

In principe gebruiken niet-soepele systemen gewichten om de traagheid van het balanswiel aan te passen - hoe ver de schroeven in de balans zijn bevestigd, bepaalt dit in de versies met geschroefde balans. In het traditionele systeem zou de balans met de hand worden aangepast door horlogemakers in een proces dat bekend staat als het balanceren van de balans of het balanceren van de balans; voor de nieuwere balansontwerpen van de variëteit met verstelbare massa zijn deze typisch klaar voor de computer zodra de spiralen zijn bevestigd.

Het soepele balanswiel staat ook in de fabriek klaar, met computers die nu ook bij dit proces zijn betrokken. Het soepele balanswiel is meestal van de Glucydur-variëteit (zie Glucydur-sectie), terwijl nieuwe balansen van silicium kunnen zijn, met gewichten in andere materialen. Voorbeelden van zeer inventieve balanswielen zijn experimenten van DeBethune, Ulysse Nardin en Patek Philippe.

OP HET RANDJE

De belangrijkste technische ontwikkeling in de horloge- en uurwerken, de ontwikkeling van het berm-echappement in de 13e eeuw, maakte het maken van volledig mechanische klokken mogelijk. Hier is hoe David Glasgow de werking van de berm-echappement beschreef in zijn boek Watch and Clock Making uit 1885 (de beschrijving hier is geparafraseerd en waar nodig bewerkt).

De kathedraalklok van Salisbury laat zien hoe de eerste bermklok eruitzag, met dank aan Wikipedia

Het berm-echappement bestaat uit een kroonvormig wiel met uitstekende zaagtandvormige tanden; zijn as is horizontaal georiënteerd. Een verticale staaf, de berm, wordt voor het kroonwiel geplaatst, met twee metalen platen (pallets) die de tanden aan weerszijden van het kroonwiel aangrijpen. De pallets zijn georiënteerd met een hoek ertussen, zodat er maar één de tanden vangt. Aan het uiteinde van de bermstang is een balanswiel of een slinger gemonteerd.

Het balanswiel lijkt te hebben bestaan vóór Huygens tijd - Huygens zelf ontwierp zijn balanswiel en veersysteem in de berm-echappementstijl

Terwijl tandwielen de energie van een afwikkelende spiraalveer aan het kroonwiel leveren, duwt een van de tanden van het kroonwiel op een pallet en roteert de berm in één richting. Tegelijkertijd roteert deze actie de tweede pallet in het pad van de tanden aan de andere kant van het wiel, totdat de tand voorbij de eerste pallet duwt. Dan komt een tand aan de andere kant van het wiel in contact met de tweede pallet, draait de berm de andere kant op en de cyclus herhaalt zich.

Dus wat begon als het ongeregelde draaien van het kroonwiel, wordt omgezet in de trilling van de berm. Dit brengt de slinger of balans / foliot in beweging. Elke zwaai van de balans / foliot of slinger laat dus één tand van het ontsnappingswiel passeren, waardoor de beweging van het uurwerk regelmatig wordt. De wieltrein van de klok gaat met een vast bedrag vooruit en beweegt de wijzers met een constante snelheid naar voren.

De tweede bermklok gebouwd door Christiaan Huygens, met dank aan Wikipedia

Het kroonwiel moet een oneven aantal tanden hebben om het echappement te laten functioneren. Met een even getal zullen twee tegenover elkaar liggende tanden tegelijkertijd contact maken met de pallets, waardoor het echappement wordt geblokkeerd.

Met de komst van de slinger zorgt het ankergang voor een meer natuurlijke werking van klokken en zo begon het bermengang te vervangen.

HEFBOOM

Ontwikkeld door Thomas Mudge, de echappement is letterlijk de echappement van de hedendaagse mechanische horloge. We zijn nogmaals dank verschuldigd aan het boek van Glasgow voor informatie, samen met de horlogemakschool van TimeZone. De korte beschrijving van hoe het allemaal hieronder werkt, is afgeleid van die bronnen (meestal die secties van Walt Odets).

In het standaard hefboom-echappement, ook bekend als het Zwitserse hefboom-echappement, spelen het vluchtwiel en de palletvork een cruciale rol (geen woordspeling bedoeld). Het vluchtwiel is afgestemd op de wieltrein en geeft een impuls aan de palletvork. De palletvork ontvangt deze impuls en geeft deze af aan de balanswielas, waardoor het balanswiel draait. De balansveer brengt het balanswiel terug naar zijn statische middenpositie en stuurt een impuls via de as naar de palletvork, die vervolgens weer in wisselwerking staat met het ontsnappingswiel.

: Balanswiel en haarveer van de TAG Heuer Autavia Isograph

: Palletvork en echappement van het Patek Philippe kaliber 240 Q SI

Het ongereguleerde vermogen van de hoofdveer wordt dus aan het handwiel geleverd. Het balanswiel geeft gereguleerd vermogen terug aan de wieltrein, die vervolgens met een vast bedrag vooruitgaat en de wijzers van de tijd met een vast bedrag beweegt.

Elke heen-en-weerbeweging van het balanswiel van en naar zijn middenpositie komt overeen met de beweging van het ontsnappingswiel met één tand (een slag genoemd). Een typisch horloge-echappement slaat op 18.000 of meer slagen per uur, ook wel trillingen per uur genoemd. Elke tel geeft het balanswiel een impuls, dus er zijn twee impulsen per cyclus (hetzelfde als het berm-echappement). Ondanks dat het ontsnappingswiel meestal in rust is vergrendeld, draait het meestal met een gemiddelde van 10 tpm of meer.

De oorsprong van het "tick tock" -geluid wordt veroorzaakt door dit echappementmechanisme. Terwijl het balanswiel heen en weer schommelt, wordt het tikkende geluid gehoord.

GLUCYDUR EN ALTERNATIEVE MATERIALEN

Terwijl de Glucydur-balans lijkt te domineren, zijn er met zijn legering van beryllium, koper en ijzer andere soorten balanswielen. Het scannen van veilingcatalogi, het meest typische alternatief is het balanswiel van goud-koperlegering. Functioneel gezien voeren beide soorten saldi dezelfde truc uit, maar er zijn enkele aanvullende details nodig om te begrijpen wat hier gebeurt.

Het centrale probleem is temperatuurvariatie omdat de massa-eigenschappen van de balansveer veranderen naarmate deze uitzet of krimpt.Het is duidelijk dat dit de tijdwaarneming beïnvloedt, omdat het de oscillaties van het balanswiel beïnvloedt. In feite is het balanswiel ook onderhevig aan thermische variatie. Zowel goud-koper- als Glucydur-legeringen hebben uitstekende lineaire uitzettingscoëfficiënten, tussen +14 en +17 x 10-6 / ° K, en dus blijven deze materialen vandaag de dag populair bij horlogemakers. Niets is echter perfect en wanneer deze legeringen uitzetten, zal het echappement niet langer isochroon zijn.

De meest recente poging om dit probleem aan te pakken was de Zenith Defy Oscillator, wat ook de meest radicale ontsnappingsinnovatie is sinds de tijd van Huygens. Het combineert eigenlijk de palletvork, het balanswiel en de haarveer in één siliconenstructuur. Een niet-metalen materiaal, silicium wordt anders behandeld om thermische variatie aan te kunnen, typisch gebruikmakend van bijvoorbeeld een oxide van silicium. In het geval van dit Zenith-systeem is het niet zo eenvoudig omdat alle elementen van het echappement uit één stuk bestaan.

We zullen dieper ingaan op dit systeem, samen met de Genequand-oscillator (Parmigiani Fleurier), de Ulysse Nardin Anchor Escapement en de Girard-Perreguax Constant Force Escapement in onze uitgaven in 2020.