Een belangrijk onderdeel van een mechanisch uurwerk is het echappement
Een echappement is een onderdeel van een mechanisch uurwerk dat de drijfkracht van de energiebron (veer of gewicht) gedoseerd doorgeeft aan het gaande werk.
Bij een uurwerk vervult het echappement een dubbele functie. Het brengt niet alleen de beweging van de slinger of onrust over op het tandrad, maar het houdt ook de slinger of onrust in beweging.
Wanneer we tegenwoordig spreken over het echappement is dit vrijwel zeker het ‘double roller Swiss anchor escapement’. Ontwikkeld en verder verbeterd in de 19e eeuw, bewijst dit echappement een accuraat, betrouwbaar en onverwoestbaar ontwerp te zijn om letterlijk triljoenen beats te doorstaan.
Een horloge is een gecompliceerde versie van een zandloper. Het horloge is een stuk praktischer omdat het de tijd kan meten over een langere periode en omdat hij niet rechtop hoeft te staan. In plaats van zand door een kleine opening te laten lopen gebruikt het horloge een stuk veerkrachtig metaal, de hoofdveer, dat wordt opgewonden en de opgeslagen energie weer kan afgeven.
Alle horloges, afgezien van allerlei mogelijke complicaties, delen zes componenten die ze in staat stellen om de tijd bij te houden. De opgewonden hoofdveer drijft de veerton (rechtsonder in Fig. 1) aan die weer het centrale tandwiel (#5, Fig. 1) aanstuurt. Het centrale wiel drijft het derde wiel (#4) aan, deze drijft het vierde wiel (#3) aan waarop aandrijving volgt van het wiel van het echappement (#1). Het centrale wiel is zo afgesteld dat hij een keer per uur een omwenteling maakt en de minuten wijzer is vastgemaakt aan het verlengde van zijn draaipen. Het vierde wiel roteert een keer per minuut en de seconden wijzer is vastgemaakt aan het verlengde van zijn draaipen (De uren wijzer wordt aangedreven vanaf de minuten wijzer met 12:1 versnelling achter de wijzerplaat, de ‘motion works’, en roteert een keer per twaalf uur.
Als het horloge alleen uit deze vijf componenten zou bestaan (hoofdveer veerton, centrale wiel, derde wiel, vierde wiel en escape wiel) zou de hoofdveer in luttele seconden ‘unwinden’. Het is het zesde component van alle horloges, het echappement bestaande uit het balans wiel en de ‘escape lever’ (en, strikt gesproken, het escape wiel zelf) dat controleert hoe snel de hoofdveer ‘unwinds’.
In Figuur 2 staat een horloge waarvan het balans wiel verwijderd is en waar, bij #8, de onderste draaipen van de balans te zien is. De ‘escape lever’ is te zien bij #2, zijn draaipen bij #3. De kleine vork van de ‘lever’ (#2) staat in contact met het balans wiel dat er voor zorgt dat de ‘lever’ heen en weer beweegt op zijn zekering. Bij #5 en #6 zijn de twee pallet juwelen van de ‘escape lever’ zichtbaar, respectievelijk de ingang en exit pallets.
Op de foto is te zien dat de ‘lever’ counter-clockwise gedraaid is op zijn zekering en dat de ingang pallet (#5) een van de tanden van het escape wiel geblokkeerd heeft (#1). Zoals het hier op de foto staat heeft het escape wiel 15 tanden, dit geldt voor de meerderheid van de escape wielen, en is van het type ‘club foot'(een vlak, voetvormig uiteinde van de tanden).
De energie van de hoofdveer loopt door de vijf componenten ‘gear train’ waarvan het laatste component het escape wiel is. Het escape wiel stopt en start met tussenpozen (daarbij laat het de gehele ‘gear train’ starten en stoppen waardoor het de tijd vast kan houden) aangezien eerst een pallet juweel het escape wiel stopt, het weer loslaat en dan stopt de andere pallet jewel het. Het balans wiel (via een jewel, de ‘impulse pin’) beweegt de ‘lever’ en zijn pallets naar en van in gelijkmatige intervallen. Dus is het de balans dat de bewegingen van de ‘lever’ timed en de ‘lever’ start en stopt het balans wiel.
Het feit dat de naar en van beweging van de ‘escape lever’ wordt met bereikt met zoveel accuraatheid en regelmaat, ondanks veranderingen in temperatuur, positie van het horloge, inerte krachten veroorzaakt door de bewegingen van de drager en schokken, komt door alle details in het ontwerp, de constructie en de afstelling van het echappement.
De figuren 3, 4 en 5 illustreren de exacte bouw van het mechanisme. Alle draaipinnen zijn weergegeven in geel, de juwelen in rood.
Het 15 tanden, ‘club foot’ escape wiel is te zien bij #5, zijn draaipin bij #6. Deze draaipin wordt aangedreven door het vierde wiel. De ‘lever’ (#7) draagt de pallets en de pallets juwelen aan het ene eind (#9 en #10) en de kleine vork aan het andere eind. De twee hoek vormige projecties op de kleine vork worden ‘horns’ genoemd en het stuk tussen de parallelle zijden van de vork wordt ‘notch’ genoemd.
De balans staf (#1,#2,#3 en #4 en ook fig. 5) bevat drie hoofd componenten. De eerste is het balans wiel zelf (#1), de tweede is de ‘impulse roller’ (#3) en de derde de ‘safety roller (#4).
De ‘impulse roller’ bevat de ‘impulse pin’ (#3A, ook ‘ruby pin’ of ‘balance pin’ genoemd) die aangrijpt op de ‘notch’ van de ‘lever’ en de ‘lever’ van en naar beweegt terwijl het balans wiel oscilleert in iedere richting. De ‘safety roller’ heeft een halvemaan vormige inkeping waar de ‘guard pin’ in valt wanneer de balans is gecentreerd op de ‘lever’. Wanneer de balans weggedraaid is van het centrum (in beide richtingen) is de halvemaan vormige inkeping niet toegankelijk voor de ‘guard pin’; derhalve kan de ‘lever’ dan niet lateraal bewegen en per ongeluk het escape wiel vrijlaten. Met de inkeping weg geroteerd uit het centrum komt de ‘guard pin’ tegen de rand van de ‘safety roller’, daarmee de beweging van de ‘guard pin’ en dus van de ‘lever’ tegengaand. Dit is noodzakelijk ter preventie van ongewenste vrijzetting van de escape tanden terwijl het uurwerk met de hand wordt teruggezet en in geval van schokken tegen het horloge.
\
Laatste onderdeel van het echappement dat nog besproken dient te worden zijn de ‘banking pins’ (Fig.6). Deze staan aan weerszijde van de ‘lever’ om hem te beperken in zijn uitslaande bewegingen. Op deze manier helpen de ‘banking pins’ te bepalen in welke mate de pallet jewels interactie hebben met de escape tanden.
In plaats van ‘banking pins’ kan ook een ‘solid banking’ (Fig.6) gebruikt worden. ‘Banking pins’ zijn makkelijker bij te stellen, anderen zijn van mening dat ‘solid banking’ stabieler is. Een van de vereisten voor de Geneva Seal (uitgereikt door het Kanton van Geneve voor horloges gemaakt in Geneve en die voldoen aan de standaarden van het Seal) is de ‘solid banking’.
In Fig. 7 is de ware complexiteit van het anker echappement te zien wanneer het zijn werk goed moet doen. De hoeken van de oppervlakten van de tanden van het escape wiel, pallets, pallet jewels en de ‘lever’ moeten heel exact zijn in een excellent horloge. Het aangrijpen en weer loslaten van de pallet jewels moet precies, gemakkelijk en bijna absoluut consistent zijn. Een afwijking van maar .05 mm in de dimensies of uitgelijndheid van een pallet jewel maakt het verschil tussen het juiste aangrijpen van een pallet op een escape tand en het falen in een consistent aangrijpen. In het geval van een pallet die slechts in een per 1000 cycli niet perfect aangrijpt vertaalt zich dit in een afwijking van uren per dag.
De pallet jewels doen veel meer dan het simpel blokkeren en weer loslaten van de tanden van het escape wiel. Bij de loslating stuwt de pallet het balans wiel voorwaarts in de tegengestelde richting. Elke pallet jewel heeft een ‘locking face’ en een ‘impulse face’ zoals te zien is in de Figuur ‘Entry Pallet’. Wanneer de tip van de pallet stone contact begint te maken met de tand van het escape wiel zorgt de geometrie van alle componenten er voor dat de rotatie van het escape wiel (en de druk van de tand op de ‘locking face’ van de jewel) de pallet naar beneden duwt en in een steviger contact met de tand. Dit noemt men de ‘draw’. De licht naar beneden gerichte beweging van de ‘draw’ veroorzaakt de ‘run to the banking’ waarbij de ‘lever’ in contact komt met zijn ‘banking pins’ of de ‘solid banking’. Wanneer de ‘impulse pin’ op de ‘impulse roller’ langskomt met de terugdraaiende beweging van de balans en hij contact maakt met de ‘notch’ van de ‘lever’, wordt de pallet stone losgemaakt uit de ‘lock’ en continueert het escape wiel zijn rotatie.
In de Figuur ‘Exit Pallet’ is te zien dat de tip van van de escape tand contact maakt met de ‘impulse face’ van de loslatende pallet stone en dat de hoek van de stone en de tand een opwaartse beweging veroorzaken van de stone. Dit fenomeen staat bekend als de impuls. Via de ‘lever’, ‘lever notch’ en impuls pin duwt de impuls het balans wiel in een swing in de tegenovergestelde richting. De afgeplatte oppervlakte van het uiteinde van de ‘club-foot’ escape tand wordt verantwoordelijk gehouden voor het meer gelijkmatig distribueren van de impuls kracht op de impuls zijde van de jewel.
Zowel de ‘entry’ als de ‘exit’ pallet stenen hebben een cyclus van aangrijpen, ‘draw’, ‘run to the banking’ en loslaten. Wanneer de ene steen aan het loslaten is komt de ander in positie voor het aangrijpen.
De balans veer
De balans veer (ook ‘hairspring’ genoemd) is het hart van het echappement en zijn meest subtiele component. Op de afbeelding is een balans ‘cock’ (een ‘cock’ is een brug die slechts met een zijde vastzit aan het uurwerk) te zien met veer en balans er aan bevestigd. De ‘cock’ ligt ondersteboven ten opzichte van zijn bevestiging in een uurwerk. #1 is de impuls roller met daarop de impuls pin (#4). De safety roller (#2) met de inkeping ligt net onder (boven in het horloge) de ‘lower’ balans draaipin (#3). De drie locatie pinnen (#6) zorgen ervoor dat de balans ‘cock’ accuraat bevestigd wordt aan de plaat van het uurwerk. Het grote gat tussen de drie pinnen is bedoeld voor de schroef waarmee de ‘cock’ vastgemaakt wordt aan het uurwerk. De gleuf links van het schroefgat zorgt ervoor dat er een schroevendraaier van 1 mm ingeschoven kan worden om de ‘cock’ los te maken van de plaat van het uurwerk. De balans veer (#5) ligt tussen de balans en de ‘cock’.
Het binnenste uiteinde van de balans veer is vastgemaakt aan een kleine gleuf in de ‘collet’ (Frans voor kraag) op de balans staf (zie afbeelding, veer in rood). De grote gleuf van de ‘collet’ wordt gebruikt om de ‘collet’ vrij te maken van de balans staf. Omdat het balans wiel en de ‘collet’ stevig vastzitten aan de balans staf roteert dit uiteinde van de balans veer heen en weer met de balans.
Het buitenste uiteinde van de balans veer zit vast aan de veer ‘stud’ op de balans ‘cock’. De ‘stud’ is een vastgeschroefde klem op de ‘cock’, vaak aangegeven met een kleine gegraveerde driehoek op de ‘cock’. Het is eveneens mogelijk dat de ‘stud’ deel uitmaakt van een beweegbare constructie op de balans ‘cock’ en dan wordt er gesproken van een ‘movable’ of ‘adjustable’ ‘stud’. In beide gevallen is het zo dat dit uiteinde van de veer stilstaat bij de beweging van het balans wiel. In Figuur 8 wordt de ‘stud’ aangegeven door #1 en de laatste kromming van de balans veer door #2. De veer zit vast aan de onderzijde van de ‘stud’ bij #3 en het andere uiteinde van de veer zit vast aan de ‘collet’ bij #4.
Een uurwerk kan een platte haarveer hebben wat betekent dat de laatste kromming van de veer, voor de bevestiging aan de ‘stud’ op de ‘cock’, op hetzelfde niveau ligt als de overige krommingen (dit heeft niets te maken met een doorsnede van de veer zelf aangezien deze allemaal of plat of vierkant is). Bij een niet platte haarveer wordt er gesproken van een ‘overcoil’ veer (vaak de ‘Breguet overcoil’ genoemd).
De balans veer heeft een functie. Wanneer de impuls van de uitgaande pallet jewel de balans in een richting gedraaid heeft zorgt de veer ervoor dat de balans, aan het einde van zijn swing, in tegengestelde richting gaat. Als de balans ‘counter-clockwise’ swingt ontspant de veer (in de meeste horloges) en wanneer deze clockwise gaat windt hij de veer op. De spanning opgeslagen in de veer keert de beweging van de balans om. Door het uitvoeren van deze operatie is de balans veer verantwoordelijk voor de boog van de swing (amplitude) en dus voor de hele timing en accuraatheid (i.e. consistentie) van het uurwerk. De swing van de balans timet de actie van de ‘escape lever’, de rotatie van het ‘escape’ wiel en het tempo waarmee de hoofdveer zijn energie afgeeft. De normale amplitude is ongeveer 1 1/2 omwentelingen of ongeveer 270 graden (een omwenteling van een balans wiel is 180 graden). Als de amplitude te klein is zal het horloge zwak en inaccuraat lopen. Een te grote amplitude kan ‘knocking’ veroorzaken. Dit verschijnsel treedt op als de impuls pin geheel ronddraait en de buitenzijde van de ‘lever’ raakt.
Met name uitgedrukt in getallen is het zeer indrukwekkend wat het echappement van een horloge voor een prestatie levert.
Uitgaande van een tikgetal van 28.800 tikken/uur heeft een pallet jewel 691.220 per dag te maken met het aangrijpen en weer loslaten van een escape tand. Zelfs de kleinste afwijkingen van een van de betrokken onderdelen kan dramatische effecten hebben op de accuraatheid van het uurwerk. Iedere afwijking in de haarveer, balans ‘pivots’, ‘lever’ of impuls actie van de pallets equivalent aan slechts 1 procent verandering in de inertie van het balans wiel zal zorgen voor een fout van ongeveer 7 1/2 minuut per 24 uur. Dit is equivalent aan een verandering in de effectieve lengte van de balans veer van maar 1.2 mm.
Evenzeer indrukwekkend is de betrouwbaarheid en duurzaamheid van het echappement. In de gemiddeld 4 jaren tussen de servicebeurten heeft een horloge met bovenstaande tikgetal ongeveer 505 miljoen complete cycli van het echappement gemaakt en meer dan een miljard acties en impulsen van iedere pallet en een vergelijkbaar aantal swings van het balans wiel.
Jaap Bakker
