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Un nouvel échappement dans un mouvement avec une réserve de marche de 30 jours

18 septembre 2014

Vaucher Manufacture Fleurier a mis tout son savoir-faire horloger pour intégrer à l’échelle de la montre un mécanisme horloger révolutionnaire développé par le CSEM pour remplacer l’échappement traditionnel à ancre suisse. Ce mouvement se base sur une technologie très avancée et mérite d’être éprouvée industriellement : la manufacture prévoit donc de sortir les premiers mouvements dans un horizon de trois ans.

Pierre GenequandPierre Genequand, alors ingénieur au CSEM, eut l’idée d’associer les avantages des structures flexibles et les caractéristiques attrayantes du silicium pour la conception d’un nouveau régulateur mécanique aux performances exceptionnelles.

La réserve de marche des montres mécaniques est fortement limitée par les pertes d’énergies dues aux frottements et aux chocs localisés au niveau de l’oscillateur et de l’échappement. Un régulateur mécanique classique constitué d’un balancier, d’un ressort spiral et d’un échappement à ancre suisse, a l’essentiel de ses pertes par frottement localisées au niveau des pivots du balancier et de l’ancre tandis que ses pertes par chocs sont principalement localisées au niveau des interfaces entre l’ancre, la roue l’échappement et le balancier. Supprimer ces frottements et diminuer les pertes lors de ces chocs permet de diminuer
l’énergie nécessaire à l’entretien des oscillations du balancier. La réserve de marche en est alors grandement augmentée.

Pour ce faire, la clef réside dans l’utilisation d’articulations et de structures flexibles qui étaient jusqu’alors essentiellement utilisées pour la conception de mécanismes de haute précision à vocation opto-mécanique pour les applications astronomiques ou spatiales.

Convaincu que les avantages de ces structures flexibles pouvaient être mis au service de la micromécanique de précision horlogère, Pierre Genequand élabora un concept novateur de régulateur mécanique horloger utilisant les structures flexibles tant au niveau de l’ancre que de l’oscillateur. L’objectif visé est de disposer d’une réserve de marche de 30 jours sur un mouvement mécanique horloger.

L’oscillateur du système Genequand
La première révolution proposée dans le « système Genequand » consiste à utiliser un pivot basé sur des articulations flexibles en lieu et place d’un palier traditionnel. D’une part, un pivot flexible est intrinsèquement exempt de tout frottement – hormis les frottements internes à la matière et les frottements de l’air – et cumule avantageusement les fonctions de guidage en rotation et, de par son élasticité, de ressort de rappel. Il remplace alors le pivot sur palier à rubis ainsi que le ressort spiral.

oscillateurLes pivots flexibles ont cependant deux limitations qu’il est nécessaire de prendre en compte pour la conception d’un oscillateur horloger. D’une part les amplitudes d’oscillations sont limitées (typiquement 20° max) par rapport à des pivots classiques ; d’autre part, le centre de rotation instantané est affecté de déplacements parasites d’amplitude plus ou moins importante suivant l’implémentation choisie.
Du point de vue énergétique, la limitation de l’amplitude des oscillations d’un balancier sur pivot flexible est un avantage. En effet, le balancier oscillant sur une plus petite course, ses pertes entre chaque alternance seront d’autant plus faibles (ex : frottements dans l’air) et, infine, l’énergie nécessaire pour entretenir chaque alternance sera également d’autant plus faible. Cependant, la limitation d’amplitude d’un oscillateur sur pivot flexible augmente la sensibilité du système aux perturbations extérieures. Cet inconvénient est ici contrebalancé par une augmentation de fréquence, passant de 4Hz pour un oscillateur classique à typiquement 12Hz dans notre cas.

Combinant les avantages des structures flexibles et du silicium, l’oscillateur du système Genequand se caractérise par une absence de tout frottement et de toute hystérèse mécanique au niveau de son pivot virtuel. Il constitue ainsi la première pièce maitresse du système Genequand en permettant au final :

• D’obtenir des facteurs de qualité beaucoup plus élevés que les oscillateurs sur pivots classiques.
• D’envisager des réserves de marches beaucoup plus importantes que dans les systèmes classiques.
• D’éviter les problèmes de vieillissement de l’huile en se passant de toute lubrification.
• D’éviter les problèmes d’usure par friction des matériaux en contact et en mouvement relatifs. En particulier les problèmes de fiabilité provenant de l’augmentation progressive des jeux au niveau des paliers ne se posent plus. L’oscillateur proposé aura donc un facteur de qualité très élevé et une très grande stabilité dans le temps.
• D’envisager une fiabilité à long terme plus élevé que celle des oscillateurs sur pivots classiques.

L’échappement du système Genequand
Dans une montre mécanique, l’énergie d’entretien de l’oscillateur est fournie par l’intermédiaire de l’échappement. Afin de ne pas perdre tous les bénéfices de l’oscillateur Genequand, et en particulier la grande réserve de marche envisageable, il est nécessaire de l’accoupler avec un échappement lui-même très peu gourmand en énergie. Il s’agit donc de minimiser également les pertes au niveau de l’échappement. Par ailleurs, l’énergie nécessaire à chaque alternance pour entretenir la marche de l’oscillateur Genequand est très faible (grand facteur de qualité). L’échappement proposé doit donc être à la fois peu énergivore et capable de fonctionner correctement en transférant le peu d’énergie nécessaire à l’entretien des oscillations de l’oscillateur Genequand.

echappement sauterelleRappelons tout d’abord que deux grandes familles d’échappements coexistent : les échappements à contact périodique et les échappements à contact permanent. L’échappement proposé appartient à cette seconde famille. Plus précisément on peut l’associer à l’échappement sauterelle de Harrison (image de droite) dont il constitue une amélioration avec :

• l’utilisation de palettes flexibles de l’ancre
• et l’utilisation d’un pivot sur lames flexibles de type RCC (Remote Compliance Center) en lieu et place du pivot sur palier classique pour guider les oscillations de l’ancre.

Ainsi, tandis que dans le système proposé par Harrison, la force de désengrènement des palettes est réalisée par l’utilisation de contrepoids, l’échappement Genequand utilise la force de déformation élastique de palettes flexibles pour réaliser la même fonction. Cette différence permet de rendre le fonctionnement de l’échappement Genequand indépendant de la gravité, ce qui n’est pas le cas de l’implémentation proposée par Harrison puisque le désengrènement des palettes n’est possible que lorsque l’ancre est disposée verticalement (action de la gravité sur le contrepoids).
Par ailleurs, l’utilisation d’un pivot sur articulations flexibles en lieu et place d’un pivot classique, permet de supprimer la source de frottement présente dans un échappement à ancre classique ainsi que dans l’échappement proposé par Harrison.

ancre GenequandL’ancre de l’échappement Genequand oscille autour d’un pivot virtuel de type RCC dont la partie fixe est solidaire de la base du mouvement tandis que la partie mobile porte les palettes flexibles interagissant avec la roue d’échappement. L’oscillateur du système Genequand est quant à lui solidarisé à l’ancre par la partie mobile de cette dernière ; cet interfaçage est réalisé de telle sorte que les axes des pivots virtuels de l’ancre et du balancier Wittrick sont confondus : ils définissent alors l’axe d’oscillation du système Genequand.

Afin de minimiser la dépense énergétique entre chaque alternance d’engrènement/désengrènement, le rapport de rigidité de ces deux pivots flexibles montés en série est choisi de sorte que les amplitudes d’oscillations des palettes soient beaucoup plus faibles que celles du balancier (elles-mêmes limitées à 20°). Bien sûr, l’amplitude d’oscillation de l’ancre doit être suffisante pour permettre les alternances d’engrènement/désengrènement tout en tenant compte des tolérances de fabrication et d’assemblage des différentes pièces constituant le système Genequand. L’utilisation des articulations flexibles permet alors d’une part de
s’affranchir des pertes par frottement et des imprécisions introduites par le jeu des pivots classiques et, d’autre part, de minimiser l’amplitude d’oscillation des palettes de l’ancre. Tout ceci contribue à réduire drastiquement la dépense d’énergie au niveau de l’échappement et à maximiser l’énergie transmise au balancier à chaque alternance, ce qui permet au final d’envisager une grande réserve de marche.

Le principe de fonctionnement
À chaque alternance d’oscillation du balancier, une des deux palettes flexibles de l’ancre s’engrène avec la roue d’échappement, la faisant dans un premier temps très légèrement reculer (grâce à l’inertie communiquée par le balancier). Ce léger mouvement de recul de la roue d’échappement permet à l’autre palette flexible de s’échapper. Dans un deuxième temps, la palette engrenée reprend l’effort de la roue d’échappement et le transmet au balancier, jusqu’à ce qu’elle puisse à son tour s’échapper à la prochaine alternance au moment même où l’autre palette entrera à son tour en contact avec la roue d’échappement.

L’échappement horloger a pour but d’entretenir et de compter les oscillations de l’organe régulateur d’une l’horloge ou d’une montre. Idéalement il doit assurer ses deux fonctions en dissipant un minimum d’énergie et en influençant le moins possible l’isochronisme du régulateur, c’est-à-dire l’absence de variation de fréquence en fonction de l’amplitude de l’oscillation.
Dans le régulateur Genequand, tout a été fait pour minimiser l’énergie et les pertes de fonctionnement afin d’envisager une réserve de marche d’au moins un mois. Il reste cependant un dernier défi à relever : les problèmes d’isochronisme. Ces derniers sont induits par l’échappement à contact permanent et par la faible variation de la constante de rappel du pivot Wittrick en fonction de l’amplitude d’oscillation.

correcteur isochronisme

La rigidité du pivot Wittrick augmente légèrement avec l’amplitude d’oscillation de ce dernier.
La fréquence d’oscillation du balancier sera donc également dépendante de son amplitude d’oscillation. Si cette variation de rigidité, bien que très faible, n’est pas compensée, elle sera la cause d’un défaut d’isochronisme en cas de variation de l’amplitude d’oscillation du balancier (ex : variation du couple d’entrainement en fonction de la décharge du barillet).

Ces problèmes d’isochronisme ont été résolus en introduisant une pièce supplémentaire dans le mécanisme. Cette pièce a pour rôle d’introduire un moment correcteur au niveau de l’ancre. Ce moment dépend de l’amplitude d’oscillation de l’ancre et sa valeur est réglable dans une plage prédéterminée. Cette pièce supplémentaire en silicium est conçue de façon à compenser entièrement d’une part la faible variation de rigidité du balancier Wittrick et d’autre part la faible non-linéarité apportée par les fluctuations de l’impulsion d’entretien de l’oscillation du balancier. Cette pièce supplémentaire joue ainsi le rôle de correcteur d’isochronisme en rendant la fréquence d’oscillation indépendante de l’amplitude d’oscillation du balancier. Ce correcteur constitue ainsi la troisième pièce maitresse du système Genequand.

proto

Les mesures faites sur l’oscillateur ont montré que le facteur de qualité varie très peu entre la position horizontale et les positions verticales. Le facteur de qualité avoisine la valeur de 1000 pour cette première itération de prototype et le système présente encore un potentiel d’amélioration.

Le couple mesuré nécessaire au fonctionnement du système Genequand est nettement inférieur à celui correspondant à un échappement classique, d’un rapport d’environ 10. L’énergie minimale ainsi nécessaire pour entretenir les oscillations est de 10 nJ. C’est entre autres cette confirmation d’une consommation réduite qui nous permet d’estimer une réserve de marche d’au moins un mois pour un calibre dont la réserve de marche initiale est de 7 jours avec un oscillateur classique.

Le régulateur Genequand intégré à un mouvement particulier sera dédié à la marque Parmigiani Fleurier pendant une période d’exclusivité. Le système sera ensuite disponible pour d’autres clients en animant des calibres spécifiquement développés pour le recevoir. »

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