WatchTime

Der grosse Unterschied

Eine Uhr kann am Tag 30 Sekunden zu schnell oder zu langsam laufen und trotzdem sehr präzise sein. Warum das? Nun, der Uhrmacher unterscheidet zwischen dem täglichen Gang und der Gangabweichung.

Eine Uhr, die konstant 30 Sekunden abweicht, ist sehr präzise. Ihr Gang, die grundsätzliche Geschwindigkeit der Unruhbewegung also, muss lediglich genauer eingestellt werden. Dies ist kein Problem und kann von jedem Uhrmacher mit der Zeitwaage, einem elektronischen Messgerät, leicht durchgeführt werden.Hierbei wird eine Vorrichtung, die den freien Teil der Unruhspirale bestimmt, verschoben. Im nächsten Kapitel sind die wichtigsten Varianten beschrieben.

Die Einstellung des Gangs

Der Gang einer Uhr, die Grundgeschwindigkeit also, kann auf zwei höchst unterschiedliche Arten beeinflusst werden. Zuerst soll die gebräuchlichere Variante, die Einstellung mittels Rücker und Spiralschlüssel, beschrieben werden.

Das Bild links zeigt eine ausgebaute Spirale. In der Mitte kann man die Rolle, mit der die Spirale auf die Unruhachse aufgeschoben wird, erkennen. Am äusseren Ende befindet sich das Klötzchen, es ist mit dem Unruhkloben bzw. der Unruhbrücke verschraubt und klemmt das Ende der Spirale ein.

Zur Einstellung des Gangs wird ein Rücker verwendet. Es handelt sich hierbei um eine Art Gabel (auch Spiralschlüssel genannt), an einem beweglichen Ausleger, durch die die äusserste Windung der Spirale geführt wird. Sie befindet sich etwa um 45° zum Klötzchen versetzt, wäre also im Bild links ganz oben angeordnet. Der Abstand der Gabelzinken (Rückerstifte) ist sollte so gewählt sein, dass die Spirale beim Erreichen der halben Amplitude der Unruh anstösst. In Ruhelage sollte die Spiralwindung exakt in der Mitte der Gabel stehen.

Zur Verstellung des Rückers gibt es unterschiedliche Hilfsmechanismen. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die gebräuchlichsten Arten, wobei es natürlich auch herstellerspezifische Varianten gibt.

Das Bild unten links zeigt die einfachste Variante der Gangbeeinflussung. In der Bohrung des Unruhkloben sitzt von innen nach aussen zuerst die Steinlagerung der Unruhwelle (Stosssicherung), danach ein drehbarer Ring mit einem Ausleger, dem Rücker (in der Zeichnung nach links weisend), sowie den Rückerstiften. Danach folgt ein feststehender Ausleger mit dem Klötzchen (in der Zeichnung nach unten weisend).

Die Einstellung des Gangs erfolgt direkt am Rücker und ist sehr diffizil da bereits wenige Grade bereits etliche Sekunden/Tag Änderung bewirken.

Links: Der Rücker

Rechts: Der Rückerzeiger

Aus diesem Grund existieren verfeinerte Varianten des Rückers. Rechts oben im Bild der Rückerzeiger. Durch die Verlängerung wird die Einstellung etwas feinfühliger. Das Bild links unten zeigt den Schwanenhals. Dessen Feingewindeschraube erlaubt eine noch exaktere Einstellung, durch die Klemmung der Schwanenhalsfeder wird auch eine selbstständige Verstellung z.B. durch Erschütterungen verhindert.

Links: Der Schwanenhals

Rechts: Der Exzenter t;/span>

Eine weitere Variante ist der Exzenter, rechts oben im Bild. Ein gabelförmiger Rückerzeiger umschliesst eine exzentrische Schraube. ETA hat diese Variante entwickelt (ETACHRON), da sich die Justierung auch automatisiert vornehmen lässt.

Bei der links unten abgebildeten Triovis-Einstellung greift eine Mikrogewinde-Schraube in die feine Aussenverzahnung der Rückerscheibe ein, so daß sich diese fein verstellen lässt.

Links: Die Triovisschraube

Rechts: Die Gewichtsschrauben

Einige Hersteller wie z.B. Patek Philippe (Gyromax) und Rolex (Mikrostella) schwören auf frei schwingende (atmende) Spiralen. Hier wird der Gang nicht durch einen Rücker, sondern durch Gewichtsschrauben entweder auf (Gyromax 8 Stück) oder im (Mikrostella 4 Stück) Unruhreif vorgenommen.

Die Schrauben dienen gleichzeitig auch zur Auswuchtung der Unruh. Bei der Gangjustierung muß daher peinlichst darauf geachtet werden, daß diese nicht verändert wird, da sich sonst unerwünschte lageabhängige Gangabweichungen einschleichen. Daher ist diese Art der Gangeinstellung bei Uhrmachern nicht sehr beliebt.

Die Regulierung der Gangabweichung

Wie wir im ersten Kapitel gelernt haben, ist die Dauer jeder Halbschwingung der Unruh für den Gang der Uhr unmittelbar verantwortlich. Aus diesem Grund wurde schon zu Anfangszeiten der Uhrmacherei versucht, diese Zeit so konstant wie möglich zu halten.

Das ist leider gar nicht so einfach, gibt es doch einige Störquellen wie z.B. Temperaturschwankungen. Dehnen sich Unruhreif und Spirale bei Erwärmung aus, so läuft die Uhr langsamer, ziehen sie sich wieder zusammen, wird die Uhr wieder schneller. Dem hat man in der Vergangenheit mit bimetallischen Unruhreifen Rechnung getragen, die erste Temperaturkompensation war geboren. Seit den 50er Jahren verwendet man Glucydur-Unruhreifen und Nivarox-Spiralen. Beide Legierungen haben die Eigenschaft, thermisch weitgehend neutral und sehr alterungsbeständig zu sein. Durch entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten von Unruhreif und Spirale erhält man im Idealfall eine selbstkompensierende Einheit.

Doch die Temperatur ist nicht der einzige Störfaktor. Seit der Taschenuhr und spätestens mit der Armbanduhr wurden Lageveränderungen und Erschütterungen zu einem Thema. Wie jedes Pendel ist auch die Unruh der Schwerkraft ausgesetzt. Diese Schwerkraft sollte auf die gleichmässige Schwingung der Unruh so wenig wie möglich Einfluss ausüben.

Hierzu muß das Schwingsystem bestehend aus Unruh und Spirale peinlichst genau ausgewuchtet werden. Dies geschieht mittels Abtragen von Material auf der Unterseite des Unruhreifes bzw. Justieren der Gewichtsschrauben, sowie Biegen der Spiralfeder. Dabei zeigt sich dann, wie gut der Hersteller an diesen Komponenten gearbeitet hat.

Während man früher mittels zahlreicher Gewichtsschrauben jeglicher Unwucht Herr zu werden versuchte, werden die Unruhreifen heute, meist mit computergesteuerten Lasern, vollautomatisch feingewuchtet. Dies geschieht immer mit montierter Spirale, da diese das Gleichgewicht mit beeinflusst und somit zum Schwingsystem gehört. Bezieht ein Uhrenhersteller Unruhreifen, so werden diese immer mit der montierten Spirale als Einheit geliefert.

Die Zeitwaage

In den Anfangszeiten der Uhrmacherei hat man die Ganggenauigkeit einer Uhr durch Beobachtung und Vergleich mit einer, als genau bekannten, Uhr (einem Regulator) vorgenommen. Dies ist natürlich eine sehr langwierige und zeitraubende Angelegenheit und daher in der modernen Uhrmacherei nicht zu gebrauchen. Wer will schon wochenlang auf sein gutes Stück warten. Bereits in den Anfängen der Elektrotechnik wurden daher Geräte zur schnellen Gangbestimmung, sogenannte Zeitwaagen, entwickelt. Dieses Kapitel beschreibt die grundsätzliche Funktion eines solchen Messgerätes.

Um die momentane Geschwindigkeit eines Uhrwerkes sofort bestimmen zu können, muß im Prinzip nur die verstrichene Zeit zwischen einem Tick und einem Tack gemessen und unter Berücksichtigung der konstruktiv festgelegten Schwingfrequenz, berechnet werden. Eine Unruh mit 28.800 A/h schwingt mit einer Frequenz von 4 Hz, das entspricht einer Periodendauer von 125 ms zwischen einem Tick und einem Tack. Wäre diese Zeit auch nur um 0,1 ms (eine zehntausendstel Sekunde!) länger, ergäbe sich eine Gangabweichung von 0,1 ms * 8 Halbschwingungen * 86400 s/Tag = 69,12 s/Tag, was rund einer Minute Nachgang entspricht.

Zeitwaagen für mechanische Uhren benutzen als Sensor ein Mikrofon das die Geräusche der Hemmung aufnimmt. Dieses Mikrofon ist in der Regel gleichzeitig als Halterung für die Uhr ausgeführt und kann in die, bei der Messung interessierenden, Lagen Zifferblatt oben, Zifferblatt unten, Krone oben, links, rechts und unten gebracht werden.

Das Bild links zeigt das Signal eines Tick (oder Tack) als Oszillogramm. Jedes Geräusch besteht aus drei Teilen: 1. Das Auftreffen des Hebelsteins auf die Ankergabel - die Auslösung, 2. Das Auftreffen des Ankerradzahnes auf die Antriebsfläche des Palettensteines - der Impuls und 3. t; Das Auftreffen eines Gangradzahnes auf die Ruhefläche des anderen Palettensteines - der Fall. Man kann hier sehr gut erkennen, daß ein Tick (oder Tack) aus allen drei Phasen der Hemmung (Auslösung, Impuls und Fall) gebildet wird.

Aus diesen Signalen und deren Periodendauer kann der Uhrmacher nebst dem Gang auch noch andere wertvolle Informationen über den Zustand der Hemmung gewinnen. So kann die Unruh-Amplitude durch Messen der Zeitdauer zwischen den Signalen 1 und 3 ermittelt werden (ausgehend von einem Hebewinkel von 52°). Auch Abfall-Fehler, hervorgerufen durch ungleichmässigen Fall des Ankerradzahnes auf die Ruhefläche des Palettensteins und Anschlagen der Ankergabel an die Begrenzung sind als unterschiedliche Periodendauer aufeinander folgender Signale erkennbar. Die Unruh schwingt dann unsymmetrisch. Die zeitliche Differenz in Millisekunden wird Abfallfehler genannt.

Bevor die Digitaltechnik Einzug gehalten hat, arbeiteten Zeitwaagen oft mit einem Papierstreifen, der von einem quarzgesteuerten Synchronmotor kontinuierlich vertikal vorwärts transportiert wird. Abhängig von der zuvor gewählten Unruhfrequenz wird dann ein Schreibstift ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit laufend horizontal über das Papier geführt. Der Schreibstift wird für die Dauer des Hemmungsgeräusches abgesenkt, so daß er eine Reihe von Markierungen auf dem Papier hinterläßt.

Anhand der Geradlinigkeit und der Ausrichtung der Linie kann man den momentanen Gang der Uhr erkennen. Verläuft die Linie ungleichmässig, so schwingt die Unruh nicht symmetrisch, die Hemmung hat einen Abfallfehler.

Links: Korrekter Gang

Rechts: Nachgang

Im Bild links verläuft die Linie gleichmäßig parallel zum Papierstreifen, die Uhr läuft also sehr genau.

Auf dem rechten Bild verläuft die Linie schräg nach rechts weg, in diesem Fall hat die Uhr einen Nachgang da die Markierungen bei jedem Durchgang später gesetzt werden. Mittels einer durchsichtigen, drehbaren Scheibe auf deren gesamter Fläche Hilfslinien und an deren Rand eine Sekundenskala aufgedruckt ist, kann man den Winkel der Abweichung und somit den Grad in s/Tag ablesen.

Moderne Zeitwaagen benutzen statt eines Papierstreifens einen elektronischen Speicher und zeigen das Resultat auf einem LC-Display an. Da der eingebaute Mikrocomputer die akustischen Signale analysieren kann, wird auch automatisch die Unruhfrequenz, der Gang in s/Tag, die Amplitude in Grad und ein eventueller Abfallfehler in Millisekunden nummerisch angezeigt.

Professionelle Geräte beginnen preislich bei etwa 1200 Euro bis zu mehreren 10 000 Euro, so daß eine Anschaffung für den Privatanwender nicht lohnt. Es gibt aber mittlerweile eine Lösung für PC-Besitzer. Diese wird im Kapitel Erfahrungsberichte vorgestellt.

Einige Bemerkungen zum Isochronismus

Im Zusammenhang mit der Ganggenauigkeit von Uhrwerken stösst man immer wieder auf den Begriff Isochronismus. Der ehemalige Direktor der Uhrmacherschule Biel, D.A. Berner, formulierte folgenden Leitsatz: Für den Uhrmacher sind die Schwingungen eines Pendels oder einer Unruh isochron, wenn die Dauer von der Schwingungsweite unabhängig ist. Leider ist dieser Idealzustand kaum zu erreichen. Bereits Galileo Galilei beschäftigte sich damit und entdeckte nach eingehenden Studien 1583 das Gesetz des Isochronismus.

Die Kunst ein Uhrwerk optimal zu regulieren besteht nun darin, den Isochronismus der Schwingungen so gut wie möglich zu erreichen. Folgende Faktoren stehen dem im Wege: Die Hemmung, Gleichgewichtsfehler der Unrug und der Spirale, der Einfluss des Befestigungspunktes der Spiralfeder an der Spiralrolle, das Spiel der Spiralfeder zwischen den Rückerstiften, die Zentrifugalkraft und allfällige Magnetfelder. Da sich die Summe dieser Einflüsse niemals völlig eliminieren lässt, kann der Isochronismus in der Praxix also kaum erreicht werden.

Es gibt aber Faktoren, die gravierender sind als andere. So fand der französische Ingenieur Eduard Phillips im Jahr 1860 heraus, dass die optimale Länge der Spiralfeder entscheidenden Einfluss auf die Regulierbarkeit hat. Wurde sie erst einmal gefunden, darf sie nicht mehr verändert werden.

Bei den meisten Uhrwerken wird der Gang mittels Rückerzeiger beeinflusst. Die Spiralfeder läuft zwischen zwei Stiften hindurch, diese befinden sich am hinteren Ende des Rückers. Hier liegt die Ursache der meisten Fehler. Die Spiralfeder darf zwischen den beiden Stiften keinen Spielraum besitzen, muss sich aber trotzdem frei zwischen ihnen bewegen können. Diese Einstellung ist wahrlich nur sehr schwierig vorzunehmen.

Wenn sich die Spirale im toten Punkt der Unruh (dem Nulldurchgang) genau zwischen den beiden Stiften befindet, verursacht ein zu grosser Spielraum bei kleinen Schwingungen einen Nachgang, bei grossen Schwingungen dagegen einen Vorgang. Berührt sie jedoch beim Nulldurchgang einen der Stifte, so ist verhält es sich genau umgekehrt. Warum? Stimmt der Abstand der Rückerstifte nicht exakt, so wirkt die Spiralfeder bei kleinen Amplitude in ihrer ganzen Länge, vom Spiralklötzchen bis zur Rolle. Bei grossen Amplituden wirkt jedoch nur die begrenzte Länge vom berührten Rückerstift bis zur Rolle.

Die enorme Bedeutung der korrekten Dimensionierung wird klar, wenn man bedenkt, dass eine Veränderung der aktiven Länge der Spiralfeder um 0.1 mm bereits eine Gangänderung um rund eine halbe Minute bewirkt.

Natürlich gibt es noch weitere Faktoren, die den Isochronismus stören:

Das Drehmoment der Zugfeder ist nicht konstant sondern lässt kontinuierlich nach. Werke mit automatischen Aufzug beheben dieses Problem jedoch zum grössten Teil, bei Handaufzugwerken kann man jedoch beträchtliche Abweichungen fetsstellen.

In den vertikalen Lagen der Uhr ist die Reibung der Zapfen höher als in den horizontalen, wo diese mit den Spitzen auf den Decksteinen stehen. Hier können Unterschiede in der Amplitude von bis zu 90° auftreten. Man versucht diesem Problem mit olivierten Lagersteinbohrungen, korrekt justiertem Höhenspiel der selben und hochwertiger Zapfenpolitur zu begegnen.

Die Eingriffe der Zahnräder und Triebe gewährleisten keine gleichförmige Kraftübertragung, da die reibung an den Berührungsstellen unterschiedlich ist. Mit optimierten Zahnformen versucht man, speziell bei der ETA, seit langem, das Problem in den Griff zu bekommen.

Selbst modernste Uhrenöle verändern mit den Jahren ihre Viskosität. Dies hat zwar nichts mehr mit dem Verharzen füherer Schmierstoffe zu tun, speziell an den Ankerpaletten wirken sich Veränderungen aber immer auf den Gang aus.