Sulla dinamica di un oscillatore ad alta frequenza per orologi meccanici

The improvement of the quality factor and of the oscillating system isochronism of the mechanical regulator is an aspect of great importance in the field of mechanical watchmaking, allowing the achievement of better chronometrical performances. The aim of this work is the study of an innovative mechanical regulator for wrist watches, characterized by an oscillator with a high quality factor. The implementation of the solution relies on the use of a monolithical oscillator with a compliant hinge coupled with a deadbeat escapement. The first part of the work has been devoted to the elasto-kinematic and dynamic optimization of the oscillator, which is made of monocrystalline silicon, by means of a non-linear FEM modeling technique, in order to define the best configuration of the compliant system, both in terms of dynamic response and structural integrity. The quality factor related to the structural characteristics of the device has been computed starting from the FEM results of the complete system. On the other hand, the quality factor related to the fluidodynamic contribute has been computed with a CFD approach, obtaining the characteristic damping properties related to the fluid-oscillator interaction. The second part of the work is related to the dynamical optimization of the deadbeat escapement with multibody techniques: the aim is to find out the best configuration of the escapement system suitable to operate in the defined conditions. The chronometrical performances and the isochronism of the system have been assessed, both in the case of the isolated mechanical regulator, and in the case of its interaction with the gear train, also considering the impact on the dynamic behaviour of the system of the real coefficient of restitution due to the contacts of the escapement wheel on the anchor. The results are encouraging and in good agreement with our expectations, showing the validity of the system.

Il miglioramento del fattore di qualità e dell’isocronismo del sistema oscillante dell’organo regolatore è un aspetto di rilevante importanza nell’ambito dell’orologeria meccanica, poiché permette di raggiungere prestazioni cronometriche migliori. L’obiettivo di questo lavoro è la proposta e lo studio di un innovativo organo regolatore per orologi meccanici da polso, caratterizzato da un elevato fattore di qualità dell’oscillatore. L’implementazione della soluzione proposta prevede l’utilizzo di un oscillatore monolitico con cerniera compliant accoppiato ad un sistema di scappamento deadbeat. Inizialmente il lavoro si è concentrato sulla ottimizzazione elastocinematica e dinamica dell’oscillatore mediante una modellazione FEM non lineare, determinando la tipologia e configurazione della cerniera compliant più adatta ad essere utilizzata, sia in termini di risposta dinamica che di resistenza strutturale dell’oscillatore, realizzato in silicio monocristallino. Il fattore di qualità legato al contributo strutturale è stato dedotto a partire dai risultati dell’analisi FEM dell’oscillatore completo. Per il calcolo del fattore di qualità legato al contributo fluidodinamico è invece stata utilizzata una modellazione numerica con tecniche CFD, ricavando gli effetti dissipativi indotti dall’interazione tra fluido ed oscillatore. La seconda parte del lavoro prevede l’ottimizzazione dinamica del sistema di scappamento deadbeat tramite modellazione multibody, al fine di trovare la configurazione del sistema di scappamento più adatta per le condizioni operative imposte. Le prestazioni cronometriche e l’isocronismo del sistema sono infne valutate sia nel caso di organo regolatore isolato dal resto dei sottosistemi dell’orologio meccanico, sia nel caso più complesso che prevede l’interazione dell’organo regolatore con il rotismo del tempo, considerando inoltre le implicazioni sulla dinamica del sistema date dal considerare il reale coefficiente di restituzione dell’urto tra ruota di scappamento ed ancora. I risultati sono incoraggianti ed in linea con le aspettative, dimostrando la validità della soluzione proposta.