Vidéo: Philippe Dufour et Julien Tixier vous parlent du balancier
Figure 1: Éclaté de l’assemblage balancier-spiral
Figure 2: Plan d’un balancier à vis
Description générale
Le balancier d’une montre et le ressort spiral constituent son organe régulateur. Le balancier est un volant d’inertie composé d’une masse annulaire appelée serge tenue par des bras (généralement deux ou trois) (Figure 2). Afin de garantir la meilleure précision de la montre et de consommer un minimum d’énergie, le balancier aura idéalement le plus grand moment d’inertie et la plus petite masse possible.
Le moment d’inertie
Formules:
(en fonction du balancier)
l = moment d’inertie du balancier (kg × m²)
m= masse du balancier (kg)
r= rayon de giration du balancier (m)
(en fonction du spiral)
C= raideur du spiral (N×m/rad)
f= fréquence (Hz)
Les balanciers annulaires
Il existe de nombreux types de balanciers et de design. De nos jours les balanciers peuvent être répartis en deux grandes catégories. Les balanciers annulaires en constituent la plus importante. Ils sont généralement fabriqués en cuivre-béryllium, en bronze-béryllium ou en Glucydur (mêmes types d’alliages). Ils ont un très bon rapport entre leur masse et leur moment d’inertie ainsi qu’un excellent coefficient de dilatation thermique. Les balanciers annulaires peuvent compter deux ou trois bras (Figure 3).
La correction de la marche diurne des mouvements équipés de balanciers annulaires se fait généralement par modification de la longueur active du spiral et nécessite donc la présence d’une raquette. Quant à leur équilibrage (statique ou dynamique) il se fait généralement en procédant à un (ou des) fraisage(s) sous la serge du balancier (cf Le réglage).
Les balanciers à inertie variable
Comme leur nom l’évoque, le moment d’inertie de tels balanciers peut-être corrigé par l’horloger lors de la mise en marche initiale du mouvement ou lors de rhabillages (révisions). Ce type de balancier est plus cher et compliqué à produire que les balanciers annulaires mais offre une plus grande souplesse et précision de réglage. On les rencontres aujourd’hui dans la plupart des montres de qualité supérieure. Bien qu’un grand nombre de design et de constructions existent on peut distinguer aujourd’hui deux grandes catégories de balanciers à inertie variable.
Les balanciers à vis
C’est la plus ancienne et la plus traditionnelle construction de balanciers à inertie variable. La circonférence de la serge comporte un nombre variable de vis (généralement entre 16 et 18). Le vis sont disposées par paires (disposées à 180° l’une de l’autre sur le pourtour de la serge) (Figure 4). L’équilibrage (statique et dynamique) de tels balanciers se fait généralement en fraisant légèrement la tête de la vis où se situe le balourd (cf Le réglage). Pour modifier le moment d’inertie du balancier on insère ou on retire des fines rondelles entre la (les) vis et la serge du balancier. On peut ainsi corriger l’équilibrage du balancier tout en modifiant son moment d’inertie et donc agir sur la fréquence de l’organe régulateur. La fréquence et la marche diurne de montres équipées de tels balancier peuvent donc être corrigées exclusivement par modification du moment d’inertie du balancier sans nécessiter absolument la présence d’une raquette (correction de la marche diurne par modification de la longueur active du spriral).
Les balanciers « à masselotes » ou viroles
Apparus plus récemment, ce type de balanciers offre les mêmes avantages que les balanciers à vis tout en offrant une meilleure aérodynamique au balancier et en simplifiant son réglage. Des viroles (masselottes fendues) sont disposées sur la serge du balancier en étant chassées (gras) sur un tenon (figure 5).
Il est dès lors aisément possible de faire tourner un ou plusieurs masselottes autour de leurs axes respectifs. Il est ainsi possible de procéder à l’équilibrage statique et dynamique du balancier, mais aussi de modifier son moment d’inertie et donc la fréquence de l’organe régulateur. (ainsi en déplaçant les fentes des viroles (masselottes) vers l’intérieur du balancier, on augmente son moment d’inertie, la fréquence diminue et on provoque du retard. Et inversément si on déplace les fentes des viroles vers l’extérieur, on diminue le moment d’inertie du balancier, la fréquence augmente et on provoque de l’avance (Figure 6).
Contemporain de Galilée avec qui il partage certains sujets d’étude (astronomie, pendule), Christian Huygens, un mathématicien, astronome et physicien hollandais, découvre en décembre 1659, la théorie de l’isochronisme de la cycloïde. Selon cette théorie, la période d’un pendule est constante, qu’elle que soit son amplitude, lorsque l’extrémité du pendule évolue sur un plan cycloïdal. Cette théorie est celle qui régit, de nos jours encore, tous les calculs liés au réglage et à la précision des horloges et des montres.
Huygens est également connu pour être le premier (l’un des premiers ?) à avoir associé un ressort spiral plat à un balancier annulaire. Une invention qui permettra de développer des pendules de voyage (notamment des chronomètres de marine), puis des montres. Bien que de nombreuses tentatives et recherches aient été faites depuis pour imaginer des oscillateurs mécaniques plus performants (précision, fréquence etc.), l’invention de Huygens demeure à ce jour indétrônable.
Les horlogers comprennent rapidement que deux des facteurs perturbant le plus la précision de la montre sont : la gravité et les différences de température. Abraham-Louis Breguet invente ainsi le tourbillon en 1801 pour compenser les effets de la gravité.
Pour lutter contre la dilatation due aux changements thermiques, les horlogers imagineront des balanciers bimétalliques fendus. La dilatation du premier métal étant mécaniquement opposée à celle du second métal il en résulte une compensation thermique avec une modification du moment d’inertie du balancier minimisée. Ce type de balancier disparaitra au cours du 20ème siècle suite à l’invention en 1907 par Charles-Edouard Guillaume de l’alliage Invar. Cet alliage de fer et de nickel présente un coefficient de dilatation extrêmement faible. Il trouvera de nombreux champs d’application (métrologie, cryogénie, horlogerie etc.) et contribuera même à l’invention de la télévision, ce qui vaudra à Guillaume le Prix Nobel de physique en 1920. Les balanciers réalisés dans cet alliage de fer (64%) et de nickel (36%) subissent une influence thermique si négligeable qu’ils reprendront une composition monométallique et une forme annulaire. Dès le début du 21ème siècle, de nouveaux matériaux apparaissent et se trouvent parfois dans la composition des balanciers.
L’inertie d’un balancier se doit d’être autant que possible située à sa périphérie alors que son centre se doit d’être aussi léger que possible. On trouvera donc parfois des balanciers (par exemple) en titane (amagnétique, robuste, léger et faible dilatation) portant des masses en or sur leurs serges.
De nombreuses autres combinaisons de matériaux ont ainsi été expérimentées avec ce même objectif.
Deux composants constituent le balancier : Son volant d’inertie et son axe. L’axe est en acier et sera facilement réalisable sur un tour d’horloger et un tour à pivoter manuels. La fabrication du balancier est quant à elle plus délicate par la précision qu’elle exige. On pourra toutefois fabriquer un balancier artisanalement par différentes opérations de tournage et de fraisage, même si de nos jours, la plupart des artisans indépendant préfèrent recourir àla solution industrielle du décolletage qui se prettra également bien à de petites séries ou des pièces uniques.
A L’échelon industriel, le volant du balancier et son axe sont généralement usiné par une décolleteuse. En plus des opérations de tournage inhérentes à ces deux composants, on pourra également procéder au fraisage des bras sur la même machine. De cette façon, toutes les opérations de tournage et de fraisage seront parfaitement concentriques et le balancier mieux équilibré. Les méthodes retenues pour les opérations de finition, de décoration, d’assemblage et d’équilibrage sont ensuite choisies selon la gamme de la montre. (polissage main ou polissage en tambour, roulage main ou machine etc.).