Inleiding
In 1656 beschreef Christiaan Huygens voor het eerst een uurwerk, waarbij de regelmatigheid van de gang verkregen werd door
de heen-en-weer-gaande beweging van een slinger.
Galilei had al eerder geobserveerd dat de slingertijd gelijk blijft onafhankelijk van de uitslag van de slinger. (Dit geldt
overigens alleen maar voor kleine slingeruitslagen!)
De uitvinding van de slinger gaf een geweldige verbetering van de nauwkeurigheid van klokken, maar deze kon niet toegepast worden in draagbare uurwerken.
De oplossing lag in de toepassing van de balans. Deze was al lang in gebruik, maar de combinatie met een spiraalveer, eveneens uitgevonden door Huygens, gaf bijna net zo´n verbetering van gangnauwkeurigheid als de slinger aan de klok.
De werking van de balans is min of meer te vergelijken met die van een slinger. De heen-en-weer zwaaiende beweging van een slinger is
bij de balans een heen-en-weer draaiende beweging, en waar de zwaartekracht de slinger naar zijn ruststand terugbrengt,
is het bij de balans de spiraalveer. En zoals de lengte van de slinger de slingertijd bepaalt, bepaalt de lengte van de spiraal
de schommeltijd van de balans. Zie verderop de bespreking van het kompas.
Opbouw
De balans bestaat uit een ring, de balansband, aan de balansas bevestigd met spaken.
Bij oudere horloges is de balansband soms voorzien van massaschroeven en regelschroeven.
Aan de ene kant van de balans is aan de balansas het binnenste uiteinde van de spiraalveer bevestigd in een klemmend ringetje, de virole.
Aan de andere kant bevat de balansas een voorziening, waardoor de balans “aangeduwd” kan worden. Deze impuls overbrenging wordt besproken
bij de diverse gangen.
De uiteinden van de balansas, de tappen, draaien in lagers. Vroeger waren dat gaatjes in een messing plaat, tegenwoordig zijn dit vrijwel altijd
steentjes van zeer slijtvast synthetisch robijn
(vaak aangegeven op de wijzerplaat als aantal jewels of rubis).
Om de wrijving in deze lageringen zo gering mogelijk te houden, zijn deze tappen uiterst dun, en derhalve ook zeer kwetsbaar.
Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van het shock-systeem, waarbij de lagerstenen verend zijn bevestigd.
Het buitenste uiteinde van de spiraalveer is met een klosje, de piton, aan een soort “vaste-oever-punt” bevestigd, bijvoorbeeld
de balanskloof of de platine.
Werking
De beweging van de balans bestaat uit 3 fasen:
- de impulsfase of aandrijfboog
- de vrije uitloopfase of aanvullingsboog
- de terugloopfase of terugschommeling
De balansas krijgt een duw, de impuls; de balans draait een aantal graden om zijn as, de spiraalveer wordt gespannen.
De balans draait zover door als de spankracht van de spiraal het toelaat; aan het eind van deze beweging van de balans,
de aanvullingsboog, dwingt de spiraal de balans weer terug naar zijn ruststand, de terugschommeling. De balans, al dan niet
geholpen door een nieuwe duw, schiet door naar de andere kant, de spiraal wordt weer gespannen, enzovoort.
Bij deze bewegingen gelden een paar belangrijke principes:
de schommeltijd, dit is de duur van de beweging van dode punt naar dode punt, wordt bepaald door
- het massatraagheidsmoment van de balans
- de spankracht van de spiraalveer
Het massatraagheidsmoment wordt beïnvloed door:
- de diameter van de balansband
- het gewicht van de balansband
De spankracht van de veer, ook wel richtmoment genoemd, wordt bepaald door:
- de lengte, hoogte en dikte van de spiraal
- de elastische eigenschappen van het materiaal, waarvan de spiraal is gemaakt
Problemen
Onder ideale omstandigheden zijn de bewegingen van de balans isochroon, de oscillaties duren ongeacht de uitslag even lang.
In de praktijk gaat dit helaas niet op. Bij een veranderende amplitude, dit is de uitslag van de schommeling, ontstaat ook bij de balans
een afwijkend gangresultaat.
Voor een nauwkeurig gangresultaat is een grote amplitude van groot belang. Hoe groter de amplitude, des te groter de snelheid van de balans,
en des te geringer zijn de effecten van storende invloeden van buitenaf. Bij moderne horloges wordt gestreefd naar een amplitude van 270 tot 315°.
Er zijn nogal wat verschillende factoren, die elk op hun eigen manier een nadelige invloed op de amplitude hebben:
- de kracht van de impuls, onder andere beïnvloed door de kracht van de veer, de wrijving in de overbrenging, en de efficiëntie van het echappement
- de wrijving in de lagers van de balansas: onder andere afhankelijk van de dikte en oppelvlaktetoestand van tappen en steengaten, en afhankelijk van de eigenschappen van de smeerolie ter plaatse
- de elastische materiaaleigenschappen en de vorm van de spiraal,
- de positie van de balans: in verticale positie groter raakvlak tussen tappen en steengaten dan horizontaal, en dus meer wrijving
- de temperatuur: invloed op de diameter van de balansband en de elasticiteit van de spiraal
Oplossingen
Voor al deze storende factoren zijn in de loop der eeuwen talloze oplossingen bedacht:
- tekortschieten van de kracht van de impuls:
betere regulering van de krachtafgifte van de veer: constructies als de stackfreed, ketting en snek, het maltezer kruis
betere kwaliteit verenstaal
automatische opwinding - krachtsverlies in de overbrenging:
betere kwaliteit smeermiddelen
gebruik van welgevormde steenlageringen, optimale geometrie van de tandoverbrengingen - compensatie van temperatuursinvloeden:
mechanische constructies als de compensatiebalans
metaallegeringen die ongevoelig voor temperatuurswisseling zijn: glucydur of berylliumbrons voor de balans, nivarox voor spiralen
Een bijzonder probleem bij positieverandering vormt de zwaartepuntsfout: als een balans met al zijn onderdelen niet perfect is uitgebalanceerd, zal dit bij verticale positie van de balans een nadelige invloed op de gangnauwkeurigheid uitoefenen. Zie ook het artikel over de tourbillon.
De spiraalveer
De spiraalveer, kortweg spiraal genoemd, is in 1675 uitgevonden door Christiaan Huygens.
De Engelsen denken daar heel anders over en claimen de eer van die uitvinding voor Robert Hooke, net als Huygens een van de grote geleerden van zijn tijd.
De toepassing van de spiraal in het regelorgaan voor draagbare uurwerken leverde een enorme verbetering van de gangnauwkeurigheid op.
Het is de spiraalveer, die het regelorgaan een eigen inherente schommelfrequentie geeft, en derhalve ongevoeliger maakt voor variaties van de kracht
van de impuls.
Tot dusver werkten regelorganen louter als een rem op de aandrijving door hun massatraagheid, maar de spiraalveer gaf het
regelorgaan een eigen oscillerende beweging, die slechts een klein duwtje van de aandrijving nodig had om met dezelfde frequentie in beweging te blijven.
De spiraal is (uiteraard) spiraalvormig, maar toch zijn verschillende vormen te onderscheiden:
- De vlakke spiraal; deze wordt in horloges het meest toegepast gezien de geringe ruimte die hij inneemt. Bezwaar is een asymmetrische op- en afwikkeling,
waardoor het zwaartepunt zich steeds verplaatst, met nadelige gevolgen voor het isochronisme.
In moderne horloges hebben vlakke spiralen 12 à 15 windingen. - De Breguet-spiraal, waarvan de buitenste winding ten opzichte van de andere windingen naar boven en naar binnen gebogen is. Deze buiging volgt een berekende kromming, waardoor de spiraal bij het ontrollen naar alle kanten gelijk uitzet. Door de kromming van de eindbocht te veranderen zijn andere fouten in het echappement op te heffen. Wordt aangetroffen in de kwaliteitshorloges van weleer, vaak in combinatie met een compensatiebalans. Bezwaar is de grotere hoogte, waardoor het horloge niet zo plat kan zijn.
- De cilindrische spiraal. Deze heeft de ideale geometrie: bij het op- en afwikkelen zet deze spiraal niet uit, maar gaat op en neer. Bezwaar is weer de grote hoogte, en deze vorm wordt derhalve in horloges niet toegepast.
Eigenschappen
Om anderszins optimaal te kunnen functioneren moet de spiraal een aantal eigenschappen bezitten:
- een zo groot mogelijke elasticiteits-modul, dit is de verhouding tussen vervorming (zo gering mogelijk) en spanning (zo groot mogelijk)
- een geringe demping: als er geen impuls afgegeven wordt aan de balans moet deze ongehinderd kunnen uitschommelen
- ongevoeligheid voor roest
- ongevoeligheid voor magnetisme
- ongevoeligheid voor temperatuurschommelingen
Het beïnvloeden van de laatste eigenschap heeft veel hoofdbrekens heeft gekost.
Het belangrijkste effect van temperatuurstijging op de spiraal is afname van de elasticiteit, met als gevolg verslapping van de spiraal
en achterlopen.
In het verleden kon dit alleen op indirecte wijze gecompenseerd worden door ingrepen aan de balans, zoals bijv de compensatiebalans.
Hiervan is de balansband
samengesteld uit verschillende metalen, die elk een andere uitzettingscoëfficient hebben. De balansband is op 2 plaatsen doorsneden, zodat bij de ongelijke
metaaluitzetting de uiteinden van van de balansband naar binnen of naar buiten gebogen worden. Dit beïnvloedt dan het massatraagheidsmoment.
Het temperatuurprobleem is begin 20e eeuw nagenoeg geheel opgelost met de ontwikkeling van nieuwe metaallegeringen als Elinvar en Nivarox.
De meeste balans-spiraal-combinaties, maar lang niet alle, zijn voorzien van een kompas.
Het kompas is een samenstel van 2 stiftjes, sleutel en pen, aan weerszijden van de buitenste winding van de spiraal.
Deze stiftjes bevinden zich aan een verdraaibare arm en zijn over een aantal graden van de buitenste winding te verplaatsen.
Elke keer als de spiraal een van de pennetjes raakt, wordt het aftelpunt (het “vaste” uiteinde van de spiraal) ten opzichte van de piton naar
voren verplaatst: de spiraal wordt als het ware verkort. Dit heeft als gevolg dat het uurwerk sneller gaat lopen. Op die manier is voor- of achterlopen van het
horloge betrekkelijk eenvoudig te regelen.
Om een uurwerk echter heel precies te laten lopen, moeten zeer hoge eisen gesteld worden aan de onderlinge verhoudingen van balans, spiraal en kompaspennen.
Dit combineren en afregelen is specialistenwerk en vereist veel inzicht, handvaardigheid en geduld.
Slotopmerkingen
De balans met spiraal speelt in alle gangen van draagbare uurwerken de hoofdrol als regelorgaan.
Het is echter de impulsoverdracht, die op verschillende manieren tot stand kan komen. Deze impulsoverdracht heeft grote consequenties voor de
regelmatigheid en doelmatigheid van de beweging van het regelorgaan.
Deze verschillen worden besproken in de
afzonderlijke artikelen over de diverse gangen.
✉ dehaas@klokjesluider.nl
☎ 06 4381 7181