Uhren & Technik Uhrentechnik Zuerst etwas Theorie...
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Das Federhaus als Energiequelle Werden stationäre Uhren oft mittels Gewichten, welche an Seilen oder Ketten aufgehängt der Erdanziehungskraft folgen, in Bewegung gesetzt, so musste für Taschen- und später Armbanduhren eine andere Lösung gefunden werden. Die Kraft, die für den Antrieb sorgt, entspringt bei allen tragbaren Uhren dem sogenannten Federhaus. Hierbei handelt es sich im Prinzip um eine flache Dose mit einer Aussenverzahnung am Boden. Im Inneren befindet sich eine drehbare Achse (der Federhauskern) die an ihrem oberen Ende die Form eines Vierkants hat. Zwischen der Innenwand und der Achse ist die Zugfeder befestigt. Die Befestigung erfolgt mittels eines Hakens an der Federhauswand in den eine Schlaufe der Feder eingreift. Bei Uhren mit automatischem Aufzug ist die Feder nicht an der Aussenwand, sondern an einem Federring, der als Rutschkupplung fungiert, angebracht. So kann nach Vollaufzug der Aufzugmechanismus nicht beschädigt werden, die Feder rutscht einfach durch wenn die Kraft zu gross wird.
Nimmt man den Deckel des Federhauses ab, so werden der Federkern und die Windungen der Aufzugfeder sichtbar. Das Bild auf der linken Seite zeigt das Federhaus in abgelaufenem Zustand. Alle Windungen der Feder liegen an der Außenwand an. In der Mitte kann man den Federhauskern (Vierkant) erkennen. Die Aufzugfeder ist dort verankert. Auf der rechten Seite ist das Federhaus bei Vollaufzug dargestellt. Alle Windungen der Feder liegen nun am Federkern an. Der Aufzug erfolgt immer über den Federhauskern auf dem das Sperr-Rad montiert ist, die Energieabgabe übernimmt die Verzahnung des Gehäuses. Eine genaue Beschreibung des Aufzugs folgt weiter unten.
Vom Federhaus zur Hemmung - Das Räderwerk Der Antrieb wäre nun erledigt, jetzt kann die Energie des Federhauses zum Antrieb der Zeiger eingesetzt werden. Hierzu wird ein Übersetzungsgetriebe, also von langsam (vom Federhaus) nach schnell (zum Sekundenzeiger), eingesetzt. In der Uhrmachersprache wird für dieses Getriebe der Begriff Räderwerk verwendet. Ganz am Ende folgt noch die Hemmung, sonst würde die gespeicherte Energie des Federhauses innerhalb von Sekunden freigesetzt, die Zeiger rasend schnell zirkulieren und die Uhr wieder zum Stillstand kommen. Hier erkennen wir auch den auffälligsten Unterschied zu einer Quarzuhr. Während bei dieser das gangbestimmende Element (der Schrittmotor) am Anfang der Kette steht und alle weiteren Räder nach Langsam untersetzt werden, steht bei der mechanischen Uhr das gangbestimmende Element am Ende der Kette. Doch davon später mehr. Wenden wir uns zuerst dem Räderwerk zu. Ab jetzt werden öfter die Begriffe Rad und Trieb fallen, daher eine kurze Erläuterung: Ein Trieb ist die Verzahnung auf der Achse eines Rades. Das Verhältnis der Anzahl Zähne auf dem Trieb zu der des Rades bestimmt das Übersetzungsverhältnis. Man stellt sehr schnell fest, daß der Beruf des Uhrmachers ohne Fachrechnen nicht auskommen kann. Die folgende Skizze zeigt den direkten Kraftfluss in einem auseinandergefalteten Räderwerk. Der Übersicht halber sind die Räder für die Zeigerstellung, den Stundenzeiger und den Aufzug nicht enthalten, sie werden weiter unten behandelt.
Die Aussenverzahnung des Federhauses greift in das Trieb des Minutenrades (auch Grossbodenrad genannt) ein. Dieses macht exakt eine Umdrehung pro Stunde und trägt das Minutenrohr auf dem der Minutenzeiger sitzt, daher ist es in den meisten Fällen immer im Zentrum des Uhrwerks positioniert. Ein Federhaus gibt seine Energie während etwa 5 Umdrehungen ab, daher muss die Übersetzung bei z.B. 40 Stunden Gangreserve etwa 1:8 betragen. Das Minutenrad greift in das Trieb des Zwischenrades (auch Kleinbodenrad genannt) ein, dieses wiederum in das Trieb des Sekundenrades, das den Sekundenzeiger trägt und eine Umdrehung pro Minute zurücklegt. Hier haben wir also ein konstantes Übersetzungsverhältnis von 1:60. Das Sekundenrad ist entweder bei 6 Uhr (Savonnette-Kaliber) oder 9 Uhr (Lépine-Kaliber) positioniert. Bei Werken mit Zentralsekunde sitzt der Sekundenzeiger natürlich nicht direkt auf dem Sekundenrad, eine Beschreibung der hier angewandten Techniken folgt ein einem eigenen Kapitel. Das Sekundenrad greift nun in das Trieb des Ankerrades, dem ersten Element der Hemmung und gleichzeitig letztem Rad des Räderwerks. Die Übersetzung hängt von der Frequenz der Unruh (Amplituden pro Stunde = A/h) und der Anzahl Zähne des Ankerrades ab. Beim Unitas 6498-1 beträgt sie 1:10.
Die Hemmung, das gangbestimmende Element des Uhrwerks Hemmungssysteme wurden für verschiedene Einsatzzwecke und mit unterschiedlichen Qualitätsmerkmalen entwickelt. In modernen Uhrwerken für Taschen- und Armbanduhren ist die Schweizer Ankerhemmung dominierend. Ihre Funktion soll nachfolgend beschrieben werden. Die Schweizer Ankerhemmung besteht aus dem Ankerrad, dem Anker und der Unruh mit Unruhspirale.
Der Anker ist drehbar gelagert und übt, wie ein Pendel, eine Hin- und Her-Bewegung aus. Er besteht aus den Armen, die mit den beiden Palettensteinen (Ein- und Ausgangspalette) in das Ankerrad greifen, dem Schaft und der Ankergabel die über den Hebestein mit der Unruhwelle in Verbindung steht. Das Ankerrad verfügt über speziell geformte Zähne, die zwei grundsätzliche Aufgaben haben: Einerseits sollen sie während der Drehbewegung über den Anker einen Impuls an die Unruh abgeben, so daß diese in Bewegung gesetzt wird, anderseits soll der Anker eben diese Drehbewegung wieder unterbrechen (hemmen) können. Das hört sich alles viel komplizierter an als es tatsächlich ist, daher betrachten wir jetzt mal die verschiedenen Phasen der Hemmung. Die nachfolgende Skizze zeigt die drei wichtigen Phasen des Zusammenspiels zwischen Ankerrad, Anker und Unruh. Nehmen wir einmal an, die Uhr ist nicht aufgezogen und steht. Die Unruh ist in ihrer Neutralstellung, der Hebestein ruht in der Ankergabel deren Arm mittig zwischen den Begrenzungsstiften steht. Im Bild unten entspricht dieser Zustand der Abbildung ganz links.
1. Impuls Nun ziehen wir die Uhr auf. Das Räderwerk setzt sich in Bewegung und der am nächsten gelegene Zahn des Ankerrades berührt den Eingangs-Palettenstein auf seiner abgeflachten Seite. Dieser wird nach oben gedrückt, bewegt den Schaft des Ankers und somit auch die Ankergabel nach rechts. Diese bewegt den Hebestein auf dem Plateau der Unruhwelle nach rechts und dadurch wird der Unruhreif nun gegen den Uhrzeigersinn ausgelenkt. Die erste Halbschwingung hat begonnen.
2. Fall Unmittelbar auf den Impuls fällt die Ausgangspalette in den Radius der Ankerradzähne und blockiert den als nächsten ankommenden Zahn, das Ankerrad bleibt stehen. Der Ankerschaft ruht am rechten Begrenzungsstift. Das zweite Bild in der Skizze unten zeigt diesen Zustand.
3. Auslösung Nachdem die Unruh von ihrer Halbschwingung zurückgekehrt ist, greift ihr Hebestein in die Ankergabel und bewegt diese nach links. Das dritte Bild in der Skizze oben zeigt den Zustand der Auslösung: Die Ausgangs-Palette des Ankers gleitet am Ankerzahn nach oben (die Hebung) bis dieser auf die abgeflachte Stirnseite der Palette gelangt und hierdurch einen weiteren Impuls auslöst. Die Ankergabel leitet diesen Impuls über den Hebestein wieder an die Unruh, die nun eine Halbschwingung im Uhrzeigersinn ausführt. Die Eingangspalette fällt nun in den Radius der Ankerzähne und blockiert somit das Ankerrad wie im vierten Bild der Skizze gezeigt. Nachdem die Unruh von Ihrer Halbschwingung zurückgekehrt ist, beginnt der beschriebene Zyklus von Neuem. Das Tick-Tack-Geräusch entsteht d urch das Anschlagen der Ankerradzähne an den Palettensteinen. Da die beiden Arme des Anker unterschiedlich lang sind, macht es Tick-Tack und nicht Tick-Tick.
Zeigerstellung und Antrieb Im Abschnitt über das Räderwerk wurden die einzelnen Zahnräder und Triebe sowie die Hemmung beschrieben. Jetzt folgt die Ankopplung der Zeiger und deren Stellmechanismus. Die folgende Skizze zeigt einen Schnitt exakt durch die Mitte der Werkplatine. Die Hebel für die Zeigerstellung liegen normalerweise natürlich flach auf der Platine auf, sind aber zum besseren Verständnis hier senkrecht dargestellt. Das Minutenrad ist schon aus der Beschreibung des Räderwerks bekannt. Auf seiner, zum Zifferblatt hingewandten, Oberseite sitzt das Minuterohr. Dieses Rohr fungiert als Kupplung zwischen Räderwerk und Zeigerwerk. Es hat im Inneren eine Klemmung, so daß es zwar mit der Minutenradachse mitläuft, aber bei der Zeigerstellung auch unabhängig bewegt werden kann. Über das Minutenrohr wird das Stundenrad gestülpt. Es greift in das Trieb des Wechselrades, das wiederum mit dem Trieb des Minutenrohrs in Verbindung steht. Die Zeiger sind auf die Hülsen des Minutenrohrs und des Stundenrades aufgepreßt. Wir können hier gut erkennen, daß sich das Stundenrad nicht im direkten Kraftfluß des Räderwerks befindet und, wie bei Regulatoren üblich, auch gar nicht im Zentrum des Zifferblattes liegen muss.
Die Zeigerstellung erfolgt durch Eingriff in das Wechselrad. Dies kann bei laufendem Uhrwerk erfolgen, da das Minutenrohr ja eine Kupplungsfunktion übernimmt. Das Kräfteverhältnis zwischen Federhaus und Kupplung bestimmt, ob ein Werk durch Rückwärtsdrehen der Zeiger angehalten werden kann oder nicht. Die Aufzugwelle ist von außen betrachtet zunächst rund und ein Stück weit mit einem Gewinde versehen auf das die Krone aufgeschraubt und mit Klebstoff gesichert wird. Das letzte Viertel hat die Form eines Vierkants, danach folgt noch ein Zapfen zur Lagerung. Auf den runden Teil der Welle aufgeschoben ist das Aufzugtrieb, auf den eckigen Teil das Zeigerstelltrieb. Dreht man die Welle, so wird das Zeigerstelltrieb (auch Schiebetrieb genannt) mitgenommen, das Aufzugtrieb jedoch nicht. Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten, die übrigens der geniale Breguet erfunden hat, erfolgt mittels der Wippe. Sie schiebt das Zeigerstelltrieb auf dem Vierkant hin- und her. Die Wippenfeder drückt die Wippe in Richtung Krone, der Winkelhebel, der in eine Fase der Aufzugwelle eingreift, bestimmt ihre Position. Zieht man nun die Aufzugwelle nach außen so verschiebt die Wippe das Zeigerstelltrieb nach innen, so daß es in das erste der Vorgelegeräder greift (siehe Pfeile). Die Verbindung zum Zeigerwerk ist jetzt hergestellt und die Uhrzeit kann eingestellt werden. Drückt man die Krone wieder hinein, so gibt der Wnkelhebel die Wippe frei, diese wird von der Wippenfeder nach aussen in Richtung Aufzugstrieb gedrückt, so daß die Breguetverzahnung ineinander greift. Doch davon mehr im nächsten Abschnitt.
Der Aufzug über die Krone Auf der Aufzugwelle steckt das Aufzugstrieb. Es ist nicht fest mit der Welle verbunden und läuft bei der Zeigerstellung leer mit. Wird die Krone in die Aufzugposition gebracht, so gibt der Winkelhebel die Wippe frei. Diese wird von der Winkelhebelfeder in Pfeilrichtung gedrückt und verschiebt das Zeigerstelltrieb in Richtung Aufzugstrieb, so dass die Breguetverzahnung ineinander greift. Dreht man nun die Krone, so wird die Bewegung über die Aufzugwelle, das Zeigerstelltrieb, das Aufzugtrieb und das Kronrad auf das Sperr-Rad übertragen. Damit dieses nach Loslassen der Krone nicht zurückschnappt und sich die Aufzugfeder schlagartig entspannt, rastet die Sperrklinke in die Zähne des Sperr-Rades ein. Die Sperrklinkenfeder, ein kleiner Drahtbügel, hält sie an ihrer Position.
Die sägezahnförmige Verzahnung des Aufzugstriebes erlaubt es, die Krone beim Aufziehen auch rückwärts zu drehen, das Zeigerstelltrieb weicht den Zahnflanken, durch Wippe und Wippenfeder gehalten, aus. Um die Verzahnung zu schonen, sollte man beim Aufziehen der Uhr die Krone aber nur im Uhrzeigersinn drehen.
Die Lagerung des Räderwerks Zuletzt noch ein paar Bemerkungen zur Lagerung der Räder in einem Uhrwerk. Bei der Lagerung gibt es vier Varianten: Keine Lagerung, Lagerung in Hartmetallbuchsen (Beryllium), Metallkugellager oder Lagerung in Rubinen (heut nur noch synthetisch). Oft gilt eine große Zahl von Lagersteinen als Qualitätsmerkmal einer Uhr. So gab es in den 60er Jahren auch vermehrt Uhrwerke mit einer unsinnigen Anzahl von Lagersteinen. Diese wurden dann als völlig nutzlose Verzierungen auf die Räder aufgebracht. Nicht alle Räder eines Uhrwerks müssen jedoch unbedingt in Steinlagern laufen. Als Faustregel gilt, je schneller ein Rad sich dreht, desto verlustarmer sollte die Lagerung sein. Während Hilfsräder wie z.B. das Vorgelege der Zeigerstellung überhaupt nicht gelagert sind, sie laufen auf Stiften, die man beim Fräsen der Platine stehen gelassen hat, macht eine Steinlagerung auch beim Federhaus noch keinen Sinn. Erst ab dem Minutenrad bis hin zur Unruhachse werden üblicherweise Steinlager verwendet. Ein Handaufzugwerk mit drei Zeigern benötigt in der Regel 17 Lagersteine, wobei die Werkehersteller grundsätzlich auch die Palettensteine und den Hebestein mitzählen:
Die Skizze links zeigt ein Beispiel für eine, in Steinen gelagerte, Welle. Die Lagersteine haben eine Bohrung in der jeweils die Lagerzapfen der Räder liegen. Auf der Außenseite befindet sich eine tellerförmige Vertiefung, die sogenannte Ölsenke, in die bei der Montage ein winziges Tröpfchen Lageröl gegeben wird. Das Bild rechts zeigt einen typischen Rubinlagerstein. Man kann deutlich die Außenfase erkennen. Sie hilft beim Einpressen in den Lagersitz. In der Mitte die Bohrung für den Lagerzapfen und die Ölsenke. Da Rubine heute synthetisch hergestellt werden, müssen Lagersteine nicht unbedingt von roter Farbe sein. Bei der Unruhachse werden die beiden Lagersteine in beweglichen Feder gehalten. Zusätzlich werden Decksteine ohne Bohrungen oben und unten mittels Federn gegen die Lagerzapfen gedrückt. Diese bewegliche Aufhängung ist nötig, damit die Unruhachse mit ihren empfindlichen Lagerzapfen nicht brechen kann, wenn die Uhr einen Stoß abbekommt. Zu diesem Thema gibt es detailliertere Informationen im Kapitel Stoss-Sicherung. Doch nun genug Theorie, das nächste Kapitel soll das erlangte Wissen anhand eines praktischen Bespieles festigen. Wir wollen dort ein Unitas 6498-1 zusammenbauen.
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Während Grossuhren ihre Zeitinformation aus dem Trägheitsmoment eines Pendels beziehen, ist diese Technik in einer Kleinuhr verständlicherweise nicht brauchbar. Ein Gewichtspendel wäre viel zu groß und die Uhr könnte nur in einer definierten Position eingesetzt werden. Daher wird in Kleinuhren ein ringförmiges Pendel, der Unruhreif, verwendet. Damit dieser eine Hin- und Her-Bewegung vollziehen kann, ist an seiner Achse eine spiralförmige Feder die Unruhspirale) mittels der sogenannten Rolle befestigt. Das andere Ende der Unruhspirale ist am Unruhkloben, der Halterung des Unruhreifs, mittels des Spiralklötzchens angebracht.
