Mọi đồng hồ cơ đều sử dụng ít nhất một ổ cót (mainspring barrel) làm nguồn năng lượng. Khi lên dây cót, dây cót (mainspring) bên trong ổ sẽ cuộn chặt lại, tích trữ năng lượng thế (potential energy). Năng lượng này sau đó được giải phóng chậm rãi thông qua bộ truyền động bánh răng (gear train) tới bộ thoát (escapement) của đồng hồ.
Ổ cót được thiết kế hình trụ và có các răng cưa bao quanh, về cơ bản giống như một cái trống chứa dây cót bên trong và được bao bọc bởi những bánh răng ăn khớp. Do đó, ổ cót thường được coi là bánh xe đầu tiên của bộ truyền động.
Mặc dù một ổ cót là thiết kế tiêu chuẩn. Song, một số đồng hồ có thể sử dụng hai hoặc thậm chí nhiều ổ cót hơn nữa, thường nhằm mục đích tạo ra nhiều năng lượng hơn. Bộ máy sử dụng thiết kế như vậy thường chứa hai ổ cót được liên kết động học theo một trong hai cách: song song (parallel) hoặc nối tiếp (in-sequence).
Số lượng dây cót, năng lượng được tích trữ và thời gian dự trữ năng lượng được minh họa bằng các phương trình (1), (2) và (3):
E = M . ω . T (1)
2E = 2M . ω . T (2)
2E = M . ω . 2T (3)
Trong đó:
E là tổng năng lượng được tạo ra từ ổ cót;
M là mô-men xoắn của ổ cót;
ω là tốc độ giải phóng năng lượng của ổ cót (đơn vị vòng/giờ);
T là thời gian để ổ cót xả hết toàn bộ năng lượng của nó (đơn vị giờ)
Theo phương trình (1), năng lượng của một ổ cót đơn E phụ thuộc vào mô-men xoắn, tốc độ giải phóng năng lượng và thời gian chạy (dự trữ năng lượng) của nó. Kết nối hai ổ cót giống hệt nhau về cơ bản có nghĩa là năng lượng tăng gấp đôi, do đó bằng 2E. Khi đó, phương trình (2) khai thác năng lượng sẵn có để tăng gấp đôi mô-men xoắn truyền đến bộ truyền động, trong khi phương trình (3) tăng tổng năng lượng bằng cách tăng gấp đôi thời gian chạy.
Parallel Barrels (ổ cót song song)
Sự sắp xếp song song của các ổ cót thể hiện trong phương trình (2), hai ổ cót cung cấp tổng gấp đôi mô-men xoắn, làm tăng năng lượng có sẵn để vận hành bộ máy nhưng không làm tăng thời gian chạy. Trong thiết kế này, hai ổ cót đồng thời giải phóng năng lượng lên một bánh răng trung tâm nằm giữa, bánh răng này kết nối với bánh xe thứ hai của bộ truyền động. Hình minh họa về sự sắp xếp song song được thể hiện ở Đồ họa 1 dưới đây.
Hai ổ cót (màu vàng) tác động lên bánh răng trung tâm (màu tím). Mỗi dây cót (màu đen) được kết nối với một trục vít và bánh cóc (màu xanh lục). Hai bánh cóc được nối với nhau bằng một bánh răng lên cót (màu đỏ), bánh này lại được liên kết với một hệ thống lên dây cót (không được mô tả trong bài viết này).
Trong hệ thống này, hai ổ cót giống hệt nhau được lên dây cùng lúc với cùng lượng cót, sau đó đồng thời giải phóng năng lượng. Chúng có cùng tốc độ giải phóng năng lượng và thời gian chạy, nhưng mô-men xoắn của của cả hai được cộng dồn lại để quay bánh răng trung tâm. Áp lực bằng nhau do hai ổ cót tác động từ các phía đối diện lên bánh răng trung tâm có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau, nên phần nào giải quyết được vấn đề hao mòn của các bộ phận và tăng tuổi thọ cho chúng.
Sự hữu ích của thiết kế song song nằm ở chỗ công suất truyền đến bánh xe cân bằng (balance wheel) lớn hơn nhiều so với bộ máy chỉ có một ổ cót, cải thiện đáng kể độ chính xác của đồng hồ. Do đó, nhiều đồng hồ bấm giờ cổ điển và hiện đại có độ chính xác cao sử dụng hai ổ cót được lên dây song song, từ đồng hồ bỏ túi Breguet thế kỷ 19 đến đồng hồ đeo tay F.P. Journe Chronometre Optimum thời hiện đại.
Hai ổ cót hoạt động song song cũng hữu ích cho những chiếc đồng hồ có tính năng phức tạp đòi hỏi nhiều năng lượng – chẳng hạn như MB&F LM Thunderdome. Không chỉ hai, mà là ba ổ cót được kết nối song song để cung cấp năng lượng cần thiết cho bộ tourbillon đa trục của nó.
In-sequence Barrels (ổ cót nối tiếp)
Phương trình (3) tương ứng với thiết kế bộ máy mà các ổ cót được sắp xếp hoạt động nối tiếp (hoặc tuần tự), giúp cung cấp thêm thời gian giải phóng năng lượng. Hệ thống này đem lại mô-men xoắn tương đương với năng lượng của một ổ cót tại bất kỳ thời điểm nào, nhưng khi chúng hoạt động liên tiếp nhau, thời gian chạy sẽ cộng dồn lại để có tổng thời gian giải phóng lâu hơn, kết quả là tổng năng lượng tạo ra lớn hơn (không tăng công suất).
Cơ chế hoạt động cơ bản của các ổ cót được nối tiếp có thể được quan sát thấy trong Đồ họa 2. Một bánh răng lên cót (màu đỏ) ăn khớp với bánh cóc (màu xanh lá) của ổ cót thứ nhất (màu vàng). Hai ổ cót được ăn khớp trực tiếp với nhau thông qua các bánh răng bao bọc xung quanh chúng.
Dây cót trong ổ cót thứ hai được nối bằng một trục vít với bánh cóc thứ hai (màu xanh lá) có đường kính lớn hơn ổ cót. Bánh cóc ngoại cỡ này kết nối với bánh răng trung tâm (màu tím).
Khi lên dây cót cho đồng hồ thông qua hệ thống chuyên dụng, dây cót thứ nhất (màu đen) được lên dây và khi được lên cót tối đa, một cơ chế đặc biệt sẽ cố định ổ cót, dây cót và bánh cóc lại với nhau. Lúc này, khi tiếp tục lên cót, thành ổ cót thứ nhất sẽ quay và dây cót thứ nhất không còn được lên cót nữa. Sau đó dây cót thứ hai được lên dây thông qua năng lượng được truyền từ ổ cót thứ nhất tới ổ cót thứ hai thông qua bánh răng ăn khớp của chúng. Năng lượng của dây cót thứ hai lúc này không được giải phóng lên ổ cót thứ hai nữa, mà nó sẽ được giải phóng thông qua trục vít, truyền tới bánh cóc ngoại cỡ thứ hai màu xanh lá và đến bộ truyền động thông qua bánh răng trung tâm.
Nói tóm lại, các ổ cót được lên dây lần lượt khi lên dây cót cho đồng hồ, và sau đó các ổ cót cũng giải phóng năng lượng lần lượt khi đồng hồ hoạt động.
Chúng giải phóng năng lượng với cùng tốc độ, cùng công suất, nhưng theo trình tự, nghĩa là thời gian giải phóng năng lượng của từng dây cót cũng được cộng dồn. Do đó, thời gian chạy của đồng hồ được tăng lên, trong khi mô-men xoắn truyền đến bộ truyền động tại bất kỳ thời điểm nào cũng tương đương với công suất của một ổ cót đơn.
Sự sắp xếp nối tiếp như vậy chủ yếu được sử dụng trong các bộ máy có thời gian dự trữ năng lượng dài, ví dụ như bộ máy IWC 50000 với thời gian dự trữ năng lượng bảy ngày, hoặc trường hợp đặc biệt như Hublot MP-07 với chín ổ cót và thời gian dự trữ năng lượng lên đến 40 ngày.
Mặc dù việc sử dụng một ổ cót lớn có thể kéo dài thời gian dự trữ năng lượng của đồng hồ, nhưng đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của đồng hồ do mô-men xoắn dao động truyền đến bộ điều chỉnh (regulating organ) trong quá trình giải phóng năng lượng.
Cụ thể, mô-men xoắn được cung cấp ở mức cao nhất khi được lên dây cót đầy đủ, sau đó ổn định ở mức trung bình trong phần lớn thời gian hoạt động, trước khi giảm dần khi gần hết cót. Vấn đề là, những biến động mô-men xoắn này sẽ rõ rệt hơn đối với các ổ cót lớn.
Một chiếc đồng hồ có thời gian dự trữ năng lượng dài (ví dụ như hơn ba ngày) sử dụng một ổ cót lớn có thể chạy nhanh trong ngày đầu tiên, sau đó hoạt động tương đối ổn định trong hai đến ba ngày tiếp theo trước khi độ chính xác giảm mạnh. Trên thực tế, có một giải pháp là sử dụng cơ chế lực ổn định (constant-force mechanism) để triệt tiêu sự dao động mô-men xoắn, giống như cách được áp dụng trong đồng hồ Lange 31, sử dụng hai dây cót khổng lồ được xếp chồng lên nhau, mỗi ổ chứa một dây cót dài hơn 1,8m, kết quả là nó đạt được thời gian dự trữ năng lượng một tháng.
So với các ổ cót song song, các ổ cót được nối tiếp cho đường cong biến động mô-men xoắn phẳng hơn nhiều (trên đồ thị) trong suốt thời gian hoạt động và mang lại hiệu suất ổn định hơn so với từng ổ cót hoạt động riêng lẻ.
Do đó trong một số trường hợp, có những bộ máy sử dụng các ổ cót nhỏ được nối tiếp. Mục đích ở đây không phải để kéo dài thời gian dự trữ năng lượng, mà là tận dụng sự ổn định mô-men xoắn của ổ cót nhỏ. Chúng hoạt động ở tốc độ quay cao hơn, nhưng cung cấp mô-men xoắn thấp hơn và ổn định hơn so với một dây cót đơn có thời gian dự trữ năng lượng tương đương.
Nguồn: watchesbysjx.com