Wolfgang Schaller hat diese Seite freundlicher Weise zur Verf\u00fcgung gestellt.<\/p>\n\n\n\n
Der folgende Artikel wurde als Information f\u00fcr den interessierten Anf\u00e4nger geschrieben, um einen ersten Einblick in die Uhrentechnik zu geben. Um wegen der vielen Links nicht zu viel Verwirrung und unn\u00f6tiges Herumsurfen zu verursachen seien hier ein paar Hinweise zu den Links gegeben:<\/p>\n\n\n\n
Als normale Links markierte W\u00f6rter (ausser beim Inhaltsverzeichnis) f\u00fchren zu anderen Seiten, wo man weitere Informationen zu dem beschriebenen Sachverhalt finden kann.<\/p>\n\n\n\n
Ein * steht f\u00fcr eine normale Fussnote, die Anmerkungen etc. enth\u00e4lt. Diese Fussnoten sind am Ende jedes Kapitels verzeichnet.<\/p>\n\n\n\n
Ein (T) f\u00fchrt zu einer anderen Stelle im Text wo Begriffe oder Sachverhalte erkl\u00e4rt werden, die bisher noch nicht vorkamen. Man kann an diese Stelle sofort springen, wird aber beim kontinuierlichen Weiterlesen auch darauf stossen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
Inhalt<\/strong><\/p>\n\n\n\n 1.1. Elektrischer Antrieb<\/a> 2.1. Elektrische Antriebe<\/a> 3.1. Schwinger<\/a> 4.1. Grunds\u00e4tzliche Funktion der Hemmung<\/a> Wenn man eine Uhr, z.B. einen Quarzwecker oder eine Armbanduhr, die t\u00e4glich aufgezogen werden muss, anschaut, kann man folgendes Feststellen: Im folgenden seien diese Baugruppen im einzelnen dargestellt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Beim Antrieb kann unterschieden werden zwischen den elektrischen und den mechanischen Antrieben.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Bei den elektrischen Antrieben gibt es zwei Systeme: <\/p>\n\n\n\n Der direkte Antrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb des Zeitnormals (Schwinger(T)<\/a> ) durch elektrischen Strom erfolgt. Auch beim direkten Antrieb kann wieder zwischen den rein elektronischen Uhren (sprich Quarzuhren) und den elektromechanischen Uhren unterschieden werden. <\/p>\n\n\n\n Beim indirekten elektrischen Antrieb dient die Energie des Stroms nur zum regelm\u00e4ssigen Aufzug eines mechanischen Antriebes. Das Uhrwerk ist dabei ein konventionelles mechanisches Uhrwerk, dessen Gewicht oder Antriebsfeder in regelm\u00e4ssigen Zeitabst\u00e4nden aufgezogen wird. <\/p>\n\n\n\n Als Antriebsenergie wird im allgemeinen eine Batterie verwendet, in seltenen F\u00e4llen gibt es auch Uhren mit Netzanschluss, wobei allerdings fast immer eine Pufferbatterie mit eingebaut ist, um die Zeitmessung w\u00e4hrend eines eventuellen Stromausfalls sicherzustellen. Weitere Energiequellen bei elektrischen Uhren w\u00e4ren die Solarzell<\/a>en, die man bei Armbanduhren h\u00e4ufig findet, und als Einzelfall die Seiko Kinetik, die ihre Energie aus der Bewegung des Handgelenkes des Tr\u00e4gers bezieht. In beiden F\u00e4llen wird die Energie in einem Kondensator gepuffert. <\/p>\n\n\n\n Bei den mechanischen Antrieben gibt es wiederum zwei Systeme:<\/p>\n\n\n\n Bei der Zugfeder wird die gespeicherte elastische Energie einer Spiralfeder zum Antrieb der Uhr ausgenutzt, beim Gewichtsantrieb die potentielle Energie einer Masse. <\/p>\n\n\n\n Die Zugfedern bei Grossuhren und einfachen Kleinuhren bestehen aus W\u00e4rmebehandelten Stahl *<\/a> . Nachteil dieses Materials ist die begrenzte Lebensdauer, da diese Federn nach langer Benutzung brechen k\u00f6nnen. Bei hochwertigen modernen Armbanduhren werden fast ausschliesslich Federn aus h\u00f6chst komplizierten Legierungen verwendet, die weniger leicht brechen und ausserdem Rostfrei sind. Beim mechanischen Antrieb mit Zugfeder gibt es zwei Systeme:<\/p>\n\n\n\n Das Federhaus ist ein Bauteil, dass man in vielen Grossuhren leicht erkennen kann: Die beiden Systeme haben folgende Vor- und Nachteile: <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.1.1. Vor- und Nachteile des Federantriebes:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Vorteil des Federantriebes gegen\u00fcber dem Gewichtsantrieb ist die M\u00f6glichkeit kleine und tragbare Uhren zu bauen, da ein Gewichtsantrieb eine Bewegung der Uhr nat\u00fcrlich nicht zul\u00e4sst. Der grosse Nachteil des Federantriebes ist die Ver\u00e4nderlichkeit des Federantriebes w\u00e4hrend des Ablaufes. Eine Feder hat, wenn sie voll gespannt ist, wesentlich mehr Kraft, wie wenn sie fast abgelaufen ist. Da alle Schwingungssysteme in mechanischen Uhren nicht ganz unabh\u00e4ngig von der antreibenden Kraft sind, f\u00fchrt dies zu einem ungleichm\u00e4ssigen Gang der Uhr. <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.1.2. Bet\u00e4tigung des Federantriebes:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Um den Federantrieb aufzuziehen gibt es zwei M\u00f6glichkeiten: <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.1.3. Automatischer Aufzug des Federantriebes:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Beim Federantrieb gibt es noch zwei Sonderformen des Antriebs, die ein Aufziehen der Uhr \u00fcberfl\u00fcssig machen: <\/p>\n\n\n\n Bei vielen Grossuhren (bekanntestes Beispiel ist wahrscheinlich die Kuckucksuhr) erfolgt der Antrieb der Uhr durch ein herabfallendes Gewicht. Beim Gewichtsantrieb gibt es drei Systeme.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.2.1. Der einfache Kettenantrieb<\/strong><\/p>\n\n\n\n Sehr h\u00e4ufig wird der Kettenantrieb verwendet. Dabei l\u00e4uft eine Kette \u00fcber ein Sternrad (d.h. ein Ritzel mit zur Kette passenden Z\u00e4hnen, \u00e4hnlich wie beim Fahrrad). Zum Aufzug der Uhr wird einfach am freien Ende der Kette gezogen. Dieses System ist sehr einfach, hat aber zum einen den Nachteil, das der Antrieb beim Aufziehen unterbrochen wird, zum anderen ist der Antrieb durch eine Kette immer etwas springend. Dieses System wird bei den meisten Kuckucksuhren, Schwarzwalduhren, vielen Stand- und Hausuhren verwendet.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.2.2. Der Antrieb \u00fcber Seil und Seiltrommel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das zweite System ist der Antrieb \u00fcber Gewicht, Seil und Seiltrommel. Bei diesem System wird ein Seil auf eine Seiltrommel gewickelt. Der Vorteil gegen\u00fcber der Kette ist die gleichm\u00e4ssigere Kraftabgabe des Seils. Dieses System wurde oft bei Pr\u00e4zisionsuhren verwendet, wobei das Seil oft aus Darm oder d\u00fcnnen Metallseilen bestand, ferner bei 8-Tages Schwarzwalduhren, Comtoise-Uhren und vielen Englischen Standuhren. Der Aufzug erfolgt hier durch einen Schl\u00fcssel oder eine Kurbel. Auch dieses System hat den Nachteil, dass der Antrieb w\u00e4hrend des Aufzugs unterbrochen wird. Da das Seil oft bei Pr\u00e4zisionsuhren verwendet wurde, bei denen einige Sekunden Fehlzeit w\u00e4hrend des Aufzugs zu grossen Fehlern f\u00fchren w\u00fcrden, wurden hier oft Hilfsmittel eingebaut, die den Antrieb w\u00e4hrend des Aufzuges erhalten (Gegengesperr).<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>1.2.2.3. Der Antrieb nach Huygens<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das dritte System ist der Antrieb nach Huygens. Dieses System vermeidet durch eine raffinierte Kettenf\u00fchrung die Unterbrechung des Antriebes w\u00e4hrend des Aufzugs. Dieser Antrieb wurde allerdings nur selten verwendet, da er nur mit einer Kette vern\u00fcnftig funktioniert, und damit f\u00fcr Pr\u00e4zisionsuhren weniger geeignet war, f\u00fcr einfache Uhren war der h\u00f6here Aufwand gegen\u00fcber dem dort nur geringen Vorteil des unterbrechungsfreien Aufzugs nicht gerechtfertigt. Auch dieses System wird durch Ziehen an der Kette (von einem freien Ende kann man hier nicht sprechen, da die Kette bei diesem Aufzug endlos ist) aufgezogen.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n 2.1. Elektrische Antriebe<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei den rein elektronischen Quarzuhren findet die \u00dcbertragung der Antriebsenergie auf den Quarzschwinger durch eine elektronische Baugruppe statt, deren Beschreibung nicht Aufgabe dieses Artikels ist (d.h. ich weiss nicht, wie das genau funktioniert). Ein Vorgriff auf ein sp\u00e4teres Kapitel sei gestattet: Das in elektromechanischen Uhren mit direktem Antrieb enthaltene R\u00e4derwerk dient nicht der Energie\u00fcbertragung zum Schwinger, sondern nur zur Zeitanzeige (darin unterscheiden sich diese Uhren von den mechanischen Uhren, bei denen das R\u00e4derwerk beiden Zwecken dient.)<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Wie bereits oben erw\u00e4hnt, zieht in einem indirekten elektrischen Antrieb entweder ein Elektromagnet oder ein Elektromotor einen konventionellen mechanischen Antrieb auf. Der weitere Verlauf der Energie\u00fcbertragung ist also identisch mit den mechanischen Antrieben. <\/p>\n\n\n\n Die \u00dcbetragung der Antriebsenergie bei mechanischen Uhren erfolgt \u00fcber das altbekannte R\u00e4derwerk, also ein System bei dem ein grosses Zahnrad in ein kleines Ritzel (in der Uhrmacherei als ‘Trieb’ bezeichnet) eingreift. Die Getriebe bei Uhren unterscheiden sich stark von Getrieben in normalen Maschinen. Zum einen findet immer eine \u00dcbersetzung ins Schnelle statt, zum anderen sind wegen der hohen \u00dcbersetzungen die Verh\u00e4ltnisse der Anzahl der Z\u00e4hne zwischen Zahnrad und Trieb (Ritzel) wesentlich h\u00f6her (oft 10:1). Ein Unterschied zwischen der Kraft\u00fcbertragung bei Feder- und Gewichtsantrieb gibt es nicht.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Zahnr\u00e4der bei Uhren haben im allgemeinen folgenden Aufbau: <\/p>\n\n\n\n Betrachtet man eine konventionelle Standuhr, so kann man beobachten, dass das erste Rad, also das an der Seiltrommel oder am Kettenrad befestigte Zahnrad, nur 5 – 7 Umdrehungen in der Woche macht. Das letzte Rad in einer solchen Uhr macht oft eine Umdrehung in der Minute (so dass man direkt den Sekundenzeiger daran befestigen kann). Wenn man die \u00dcbersetzung zwischen diesen Zahnr\u00e4dern berechnet, kommt man auf einen Wert von 1:2016 (das erste Rad macht 5 Umdrehungen in der Woche, das letzte 10080). Das R\u00e4derwerk in einer mechanischen Uhr dient ab dem Minutenrad (also der Welle, auf der der Minutenzeiger sitzt) zwei Zwecken: Zum einen wird damit die Antriebskraft \u00fcbertragen, zum anderen werden damit die Schwingungen des Zeitnormals gez\u00e4hlt. Dadurch sind die Verh\u00e4ltnisse in diesem Bereich des Getriebes festgelegt. Bleiben wir bei dem Beispiel einer Standuhr mit Sekundenpendel(T)<\/a> , dessen Hemmungsrad 1 Umdrehung in der Minute macht, so ist die \u00dcbersetzung zwischen Hemmungsrad und Minutenrad auf 60:1 festgelegt. Der Stundenzeiger ist \u00fcbrigens bei nahezu allen Uhren nicht Teil des Antriebsstranges, sondern sein Umlauf wird \u00fcber das Zeigerwerk vom Minutenrad abgeleitet. <\/p>\n\n\n\n Der wichtigste Punkt beim R\u00e4derwerk ist die Vermeidung von Reibung. Zum einen ist die vorhandene Kraft in Uhren begrenzt, und sollte in m\u00f6glichst hohem Masse am Zeitnormal ankommen, zum anderen w\u00fcrde die Einf\u00fchrung sehr starker Federn oder schwerer Gewichte f\u00fcr einen starken Verschleiss im R\u00e4derwerk sorgen. <\/p>\n\n\n\n In der Technik wird im allgemeinen zwischen der Evolventen- und der Zykloidenverzahnung unterschieden. Diese beiden Zahnformen entstehen durch geometrische Konstruktionen. In der allgemeinen Getriebetechnik wird die Evolventenverzahnung verwendet, die sich f\u00fcr \u00dcbersetzungen ins Langsame und geringe Unterschiede bei den Zahnanzahlen gut eignet. In der Uhrentechnik wird die Zykloidenverzahnung verwendet *<\/a> , aufgrund ihrer Vorteile bei der \u00dcbersetzung ins schnelle und der geringen Anzahl der Z\u00e4hne bei den Trieben. Andere Zahnformen finden sich gelegentlich beim Aufzug (Wolfsz\u00e4hne bei den Aufzugsr\u00e4dern von Kleinuhren, Evolventenz\u00e4hne beim Aufzug von Turmuhren), ferner besitzt das Hemmungsrad eine von der Art der Hemmung abh\u00e4ngige Zahnform.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Es wurde schon oben erw\u00e4hnt, dass zur Zeitmessung in Uhren Schwinger (im physikalischen Sinne) verwendet werden. Wodurch ist dies begr\u00fcndet? <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Bei Quarzuhren wird als Zeitnormal ein Schwingquarz verwendet, der auf dem piezoelektrischen Effekt beruht. Bei bestimmten Kristallen f\u00fchrt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Kristalls, umgekehrt f\u00fchrt eine erzwungene Verformung zu einer Spannung im Kristall. Dies ist der piezoelektrische Effekt. Dieser Effekt wird in vielen Bereichen der Technik ausgenutzt, z.B. f\u00fcr Mikrofone und Lautsprecher. Bei den in den 30er bis 60er Jahren oft gebauten direkt angetriebenen elektromechanischen Uhren wurden die gleichen Schwingsysteme wie bei mechanischen Uhren, also Pendel und Unruh verwendet. Eine Ausnahme stellt die Bulova Accutron dar, deren Zeitnormal eine Stimmgabel ist. Diese arbeitet mit wesentlich h\u00f6heren Frequenzen als normale mechanische Uhren (Schwingfrequenz einer gew\u00f6hnlichen Armbanduhr ist ca. 4 Hz, bei der Stimmgabeluhr 300 Hz).<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Indirekt angetriebene Uhren unterscheiden sich in ihrem Zeitnormal nicht von rein mechanischen Uhren, d.h. sie verwenden als Schwinger Pendel oder Unruh in Verbindung mit einer mechanischen Hemmung.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Mechanische Uhren verwenden als Zeitnormal ein Pendel, die Unruh, oder in Einzelf\u00e4llen ein Drehpendel. Die in sehr fr\u00fchen Uhren verwendete Waag (Foliot) stellt im physikalischen Sinn kein Schwingsystem dar, soll aber trotzdem hier kurz vorgestellt werden.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Die Waag war das erste f\u00fcr mechanische Uhren verwendete Zeitnormal und wurde vermutlich Mitte des 12. Jhdts. zusammen mit der Spindelhemmung erfunden. Meiner Meinung nach entstand die Waag nicht aus dem Bestreben heraus, ein Schwingsystem zur Zeitmessung zu bauen, sondern einfach um den Ablauf des R\u00e4derwerks so zu hemmen, dass sich vern\u00fcnftige Laufzeiten f\u00fcr die Uhr (damals etwa 12 Stunden) ergaben. Da bei der Bewegung der Waag keine Umwandlung zweier Energieformen stattfindet, ist sie zur Zeitmessung eigentlich ungeeignet. Die Schwingfrequenz ist in hohem Masse von der Antriebskraft abh\u00e4ngig. Die erreichte Ganggenauigkeit liegt wohl bei ca. 15 min\/Tag. <\/p>\n\n\n\n Das Pendel war f\u00fcr mehrere hundert Jahre das wichtigste Zeitnormal f\u00fcr einfachste wie genaueste Uhren. Erfunden wurde das Pendel zweimal: Zum ersten mal von Galileo Galilei, zum zweiten mal von Christiaan Huygens. Galileo geb\u00fchrt zwar das Recht der eigentlichen Erfindung, was auch Huygens nie bestritten hat, allerdings hat letzterer die technische Umsetzung erreicht, d.h. Pendeluhren gab es (von einem Exemplar abgesehen, dass der Sohn von Galileo Galilei, Vincenzo Galilei gebaut hat) erst nach Huygens. Diese zweite Erfindung fand im Jahre 1658 statt. Ab diesem Zeitpunkt konnte schlagartig die Genauigkeit von Uhren von mehreren Minuten am Tag auf unter einer Sekunde gesteigert werden. Zum ersten Punkt ist zu sagen, das die eingeklammerte Bemerkung nicht scherzhaft gemeint ist. Bei extremen Pr\u00e4zisionsuhren, wie sie bis in die 40er Jahre des 20. Jhdts. (vor der allgemeinen Einf\u00fchrung der Quarzuhr) gebaut wurden, hatten \u00c4nderungen der Schwerkraft durchaus einen Einfluss. Bei Bestellung einer solchen Uhr wurde der beabsichtigte Aufstellungsort mit angegeben, da zum einen die Schwerkraft an verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich ist, zum anderen bei Aufstellung in extremen H\u00f6hen (man denke an Observatorien der Astronomie, die sich oft auf hohen Bergen befinden), die Gravitation deutlich anders sein kann, als am Herstellungsort der Uhr. Der Einfluss des Mondes auf die Gravitation wurde meines Wissens nach zwar untersucht, aber nie durch besondere Massnahmen an der Uhr ber\u00fccksichtigt. <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.1. Die Temperaturkompensation des Pendels<\/strong><\/p>\n\n\n\n Zum Ausgleich der L\u00e4ngendehnung des Pendels gab es viele verschiedene Verfahren, von denen vier allgemein verwendet wurden. Alle diese Verfahren beruhen auf dem gleichen Prinzip. Die Temperaturkompensation soll die Verschiebung des Pendelschwerpunktes verhindern. Dabei wird nach folgendem Verfahren vorgegangen: <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.1.1. Das Holzpendel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das einfachste Verfahren zur Kompensierung von Temperatureinfl\u00fcssen bei Uhren ist die Verwendung einer h\u00f6lzernen Pendelstange. Holz weisst einen sehr geringen W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich in Verbindung mit einer metallenen Pendellinse recht gute Zeitmessergebnisse ergeben. Der Einfluss der Pendellinse ist dabei folgender: Da die Metallscheibe um unteren Ende der Pendelstange aufgeh\u00e4ngt ist, dehnt sie sich bei Erw\u00e4rmung relativ zur Pendelstange nach oben aus. Die Ausdehnung ist wesentlich st\u00e4rker als bei der h\u00f6lzernen Pendelstange, allerdings ist die Scheibe im Durchmesser auch wesentlich kleiner als die L\u00e4nge der Stange. Insgesamt gleichen sich die Dehnung der Stange nach unten und der Scheibe nach oben in etwa aus. <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.1.2. Das Harrison’sche Gitterpendel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die erste erfolgreiche Methode, thermisch bedingte Dehnungen der Pendelstange gesteuert (also nicht wie beim Holzpendel, mehr oder weniger zuf\u00e4llig) auszuschliesen, war das Harrison’sche Gitterpendel, erfunden von John Harrison<\/a>. Prinzipiell funktioniert dieses Verfahren folgendermassen: <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.1.3. Das Quecksilberkompensationspendel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Am Ende einer st\u00e4hlernen Pendelstange ist ein (in vielen F\u00e4llen auch zwei) Beh\u00e4lter aus Glas oder Metall angebracht, in dem sich Quecksilber befindet. Dieser Beh\u00e4lter vertritt die Funktion der Pendellinse. Quecksilber hat einen sehr grossen Ausdehnungskoeffizienten, so dass die L\u00e4ngen\u00e4nderung der Pendelstange durch Ausdehnung des Quecksilbers kompensiert wird. Auch dieses System findet man relativ h\u00e4ufig als Imitation*<\/a> an Uhren, z.B. an Franz\u00f6sischen und Amerikanischen Pendulen.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.1.4. Das Invarpendel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das Invarpendel ist eine Erfindung des 20. Jhdts und wurde in den meisten Pr\u00e4zisionsuhren dieser Zeit verwendet. Invar ist eine spezielle Eisen-Nickel Legierung, die einen extrem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt. In diesem Fall reicht ein sehr kurzes Ausgleichsst\u00fcck, z.B. aus Messing aus, um eine Kompensation zu erreichen. <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.2. St\u00f6rungen beim Pendel<\/strong><\/p>\n\n\n\n Ein anderer wesentlicher Fehler beim Pendel ist die (im Gegensatz zum idealen Pendel vorhandene) Amplitudenabh\u00e4ngigkeit. Grund daf\u00fcr ist die Tatsache, dass die Wirkung der Schwerkraft nicht linear von der Amplitude (Schwingungsbreite) des Pendels abh\u00e4ngig ist, sondern es besteht ein Sinuszusammenhang. In der Herleitung der Bewegungsgleichung wird davon ausgegangen, dass f\u00fcr kleine Winkel der Sinus eines Winkels gleich dem Winkel ist. Bei der in Uhren geforderten Genauigkeit gilt diese in der Mathematik und Physik oft verwendete N\u00e4herung aber nicht mehr. Um diesen Fehler zu minimieren gibt es verschiedene Ans\u00e4tze:<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3. Pendelaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Dem Pendel muss es m\u00f6glich sein, um seine Drehachse zu schwingen. Die bewegliche Aufh\u00e4ngung, die diese Schwingung erm\u00f6glicht, muss m\u00f6glichst reibungsarm sein, stabil, wegen des oft hohen Pendelgewichtes, und eine genaue F\u00fchrung des Pendels erm\u00f6glichen. Folgende Systeme werden im Allgemeinen verwendet:<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3.1. Federaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das am meisten verwendete System ist die Aufh\u00e4ngung an einer Pendelfeder. Diese Pendelfeder besteht meistens aus zwei parallel liegenden Blattfedern (Dicke typischerweise 1\/10 mm). Diese Aufh\u00e4ngung kann mit Erfolg bei allen Uhrenarten eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3.2. Draht\u00f6senaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei diesem System befinden sich am Ende der Pendelstange zwei \u00d6sen. In der Uhr wird ein rechtwinklig gebogener Draht (wie eine Tackerklammer) eingesetzt. Die beiden \u00d6sen werden \u00fcber den Draht gef\u00fchrt, wobei ihr Durchmesser wesentlich gr\u00f6sser ist als der Drahtdurchmesser. Dadurch wird erreicht, das die Welle im Lager nicht gleitet (mit der damit verbundenen Reibung), sondern rollt. Dieses System wird oft in Schwarzwalduhren angewandt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3.3. Fadenaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Besonders bei \u00e4lteren franz\u00f6sischen Stutzuhren und \u00e4lteren Comtoise-Uhren (beide vor ca. 1850) findet man die Fadenaufh\u00e4ngung. Bei diesem System ist das Pendel an einer Fadenschlinge aufgeh\u00e4ngt. Nachteil dieses Systems ist die Abnutzung des Fadens, der gelegentlich ausgetauscht werden muss, und die Tatsache, dass sich die L\u00e4nge des Fadens in Abh\u00e4ngigkeit von der Luftfeuchtigkeit stark \u00e4ndert, was die Schwingungsfrequenz des Pendels beeinflusst.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3.4. Schneidenaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei Pr\u00e4zisionsuhren wird oft die Messerschneidenaufh\u00e4ngung verwendet. Dabei befindet sich am Pendel eine Art Schneide, meistens aus Achat oder Stahl, die auf einer flachen oder leicht vertieften Pfanne abrollt. Diese Lagerung erlaubt sehr geringe Reibung und hohe Pendelgewichte, ferner eine einfache Einstellbarkeit des Pendeldrehpunktes (bei der Federaufh\u00e4ngung ist der genaue Drehpunkt des Pendels nicht festgelegt). Allerdings ist die Schneidenaufh\u00e4ngung auch sehr aufwendig, sehr empfindlich gegen Bewegung der Uhr (kann nur bei fest montierten Uhren verwendet werden) und einer gewissen Abnutzung unterworfen.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.3.5. Zapfenlagerung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Eine weitere M\u00f6glichkeit ist es, das Pendel wie eine gew\u00f6hnliche Achse auf Zapfen zu lagern. Dieses System ist aber mit starker Reibung und Abnutzung verbunden, und wird allerh\u00f6chstens bei ganz einfachen Uhren mit leichten Pendeln und grosser Pendelamplitude verwendet.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.4. Regulierung des Pendels<\/strong><\/p>\n\n\n\n Um die genaue Schwingfrequenz eines Pendels einzustellen*<\/a> , besitzt jede Uhr eine Reguliervorrichtung, die es erlaubt den Schwerpunkt des Pendels relativ zum Drehpunkt (und damit die effektive Pendell\u00e4nge) zu ver\u00e4ndern.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.4.1. Reguliermutter<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei den meisten Uhren wird zur Ver\u00e4nderung der effektiven Pendell\u00e4nge die Reguliermutter eingesetzt. Bei diesem System ist am Ende der Pendelstange ein Gewinde angebracht. Auf diesem Gewinde sitzt die Reguliermutter, auf der wiederum die Pendellinse aufliegt. Durch Drehen der Mutter kann die Pendell\u00e4nge eingestellt werden.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.4.2. Brocotaufh\u00e4ngung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei vielen franz\u00f6sischen Pendulen findet man die Brocotaufh\u00e4ngung. Dieses System erlaubt eine Einstellung der Schwingfrequenz von der Zifferblattseite der Uhr aus. Die Pendelfeder liegt dabei zwischen zwei Messingbacken, die \u00fcber ein Gewinde nach oben und unten verstellt werden k\u00f6nnen. Damit verschiebt sich der Drehpunkt des Pendels in der Pendelfeder und damit die Pendell\u00e4nge. Der Antrieb des Gewindes wird \u00fcber ein Kronradgetriebe um 90 Grad umglelenkt und kann von der Zifferblattseite aus mit Hilfe eines Vierkants und einem Schl\u00fcssel bedient werden. Dieses System stammt von der Fadenaufh\u00e4ngung ab, bei dem durch den Vierkant einfach der Faden ein St\u00fcck auf- oder abgewickelt wurde. Bei allen Pendeln mit diesem System ist aber zur Grobeinstellung ebenfalls eine Reguliermutter vorhanden.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.4.3. Verschiebung der Pendellinse<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei einfachen Uhren (haupts\u00e4chlich Schwarzwalduhren) wird die effektive Pendell\u00e4nge direkt durch Verschieben der Pendellinse, die mit Reibung auf der Pendelstange sitzt, eingestellt. Dieses System erlaubt nur eine sehr ungenaue Einstellung der L\u00e4nge.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.4.4. Auflagegewichte<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei Pr\u00e4zisionsuhren wird die Feinregulierung meistens durch Auflagegewichte durchgef\u00fchrt. Dabei werden auf einen Teller am Pendel Gewichte aufgelegt oder weggenommen, was den Gesamtschwerpunkt des Pendels ver\u00e4ndert. Vorteil dieses Systems ist, das die Gewichte leicht skaliert werden k\u00f6nnen (d.h. man kann die Gewichte so abstimmen, dass eines z.B. genau eine Sekunde\/Tag vorgehen bewirkt), ferner muss das Pendel zum Regulieren nicht angehalten werden (Dies ist bei Pr\u00e4zisionsuhren von Vorteil, da das Pendel mehrere Stunden bis Tage braucht, bis es Eingeschwungen ist).<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.2.5. Pendell\u00e4ngen<\/strong><\/p>\n\n\n\n Man kann Pendel nach ihrer L\u00e4nge oder Schwingdauer benennen. Oft erw\u00e4hnt wird das:<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Der grosse Nachteil des Pendels ist die Unm\u00f6glichkeit damit bewegliche (tragbare) Uhren zu bauen. Die Unruh erlaubt dies. Die Unruh (oder genauer Unruh und Spiralfeder) ist ein Schwingsystem bei dem die rotatorische kinetische Energie einer sich drehenden Masse umgesetzt wird in die potientelle Energie einer Spiralfeder. Wenn die Unruh genau ausgewuchtet ist, ist die Schwingfrequenz des Systems unhabh\u00e4ngig von der Lage im Raum. Wenn die Spiralfeder genau dem Hookeschen Gesetz folgt, ist das System auch von der Schwingungsweite unabh\u00e4ngig (<\/a>isochrones Schwingen). Das System Unruh und Spiralfeder besteht aus vier Komponenten:<\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.3.1. Unruhwelle und Lagerung<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Unruhwelle wird aus Stahl gedreht. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Zapfen, die bei der Unruh im wesentlichen folgenden Anforderungen gerecht werden m\u00fcssen:<\/p>\n\n\n\n Weit verbreitet sind nur drei Lagerungssysteme f\u00fcr die Unruh:<\/p>\n\n\n\n In nahezu allen Taschen- und Armbanduhren, ferner in vielen besseren Grossuhren wird die Lagerung mit Trompetenzapfen in Loch- und Decksteinen (T)<\/a> durchgef\u00fchrt. Dabei wird die Achse radial in Lochsteinen, axial an Decksteinen gelagert. Durch die Lagerung der Achse mit Decksteinen (oder in einfacheren Uhren oft auch st\u00e4hlerne Deckpl\u00e4ttchen) ergibt sich neben der geringeren Reibung in axialer Richtung noch ein weiterer Vorteil: Durch die axiale Lagerung an der Spitze der Welle ist die Schulter, d.h. ein scharfkantiger \u00dcbergang vom Zapfen auf die Welle nicht n\u00f6tig. Dadurch kann der kleine Durchmesser des Zapfens kontinuierlich auf die Welle \u00fcbergef\u00fchrt werden, was eine Trompetenform des Zapfens bewirkt. Durch die Vermeidung des scharfen \u00dcberganges Welle-Zapfen wird dort keine Kerbwirkung hervorgerufen, wass eine gr\u00f6ssere Stabilit\u00e4t des Zapfens ergibt. Er kann also noch d\u00fcnner gestaltet werden, was eine geringere Reibung auch in radialer Richtung ergibt. Die d\u00fcnnen Zapfen (Bei Armbanduhren liegt der Durchmesser unter einem zehntel Millimeter) der Unruh sind sehr bruchgef\u00e4hrdet, da der Unruhreif relativ schwer ist. Deswegen wird die Lagerung der Unruhwelle in modernen Uhren (ab ca. 1930) immer stossgesch\u00fctzt ausgef\u00fchrt. Es gibt verschiedene Stossicherungsysteme, bekannt ist z.B. Incabloc oder Kif. Diese Stossicherungen funktionieren vereinfacht nach folgendem Prinzip: Die K\u00f6rnerlagerung wird bei den meisten Weckern und gelegentlich bei einfachen Taschen- und Armbanduhren (in den 30er-50er Jahren) eingesetzt. Die Unruhwelle ist dabei kegelf\u00f6rmig angespitzt, die Lager besitzen kegelf\u00f6rmige Vertiefungen, mit etwas gr\u00f6sserem \u00d6ffnungswinkel als die Kegel der Welle. Ein solches Lager ist einfacher und billiger als die Lagerung mit Trompetenzapfen, auch recht stabil, allerdings starker Abnutzung unterworfen. Deswegen wurde es nur in einfachen Uhren eingebaut. Man erkennt es oft daran, dass ein Unruhlager einen Schraubenkopf (Vierkant, Sechskant, Schlitz) besitzt, mit dem das axiale Spiel des Lagers eingestellt werden kann.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Es wurde schon gesagt, dass Grossuhren der 50er und 60er Jahre oft eine Unruh besitzen, obwohl sie als station\u00e4re Uhren gedacht sind. In diesen Uhren findet man sehr h\u00e4ufig die Schwebeunruh<\/a>. Die Unruh dreht sich dabei nicht parallel zu den anderen R\u00e4dern der Uhr sondern um eine senkrechte Achse. <\/a>3.3.3.2. Der Unruhreif<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Unruhreif vereinigt den gr\u00f6ssten Teil der rotierenden Masse einer Unruh in sich. Es ist ein metallener Reif, mit zwei bis vier Speichen, die die Verbindung mit der Unruhwelle erm\u00f6glichen. Auch bei Unruhuhren ist der St\u00f6reinfluss von Temperatur\u00e4nderungen sehr gross. Eine Methode zur Kompensation dieser Einfl\u00fcsse ist die Verwendung eines Bimetallunruhreifes. Die Funktion wird unter “Die Temperaturkompensation der Unruh (T)<\/a> ” erkl\u00e4rt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.3.3. Die Spiralfeder<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Spiralfeder einer Uhr mit Unruh ist eine Drehfeder, d.h. ihre Hauptbewegungsrichtung ist rotatorisch. Aufgabe der Spiralfeder ist es, gegen die Schwungkraft der Unruh zu wirken, und damit einen Wechsel zwischen kinetischer Energie der Unruh und potientieller Energie der Spiralfeder zu erm\u00f6glichen. Der Werkstoff f\u00fcr Spiralfedern war fr\u00fcher i.A. gebl\u00e4uter*<\/a> Stahl. Bei einfachen Uhren (Wecker) wird oft auch eine Bronze- oder Messingspirale verwendet. Die modernen hochwertigen Armbanduhren besitzen zur Temperaturkompensation(T)<\/a> Spiralen aus speziellen, hochlegierten Metallen (Nivarox). Das Material wird zu flachen B\u00e4ndern gewalzt und zur Spirale gewickelt.<\/p>\n\n\n\n Die flache Feder ist die allgemein verwendete Bauform. Ihr Vorteil ist der geringe Platzbedarf und die einfache Herstellung. Der Nachteil dieser Federform ist, dass sich die Feder beim Schwingen nicht gleichm\u00e4ssig ausdehnt. Dies bewirkt zum einen eine Schwerpunktverschiebung der Spiralfeder, so dass sich wieder Lagenfehler ergeben k\u00f6nnen, zum anderen wirken seitliche Kr\u00e4fte auf die Unruhwelle, die zus\u00e4tzlichen Abnutzung der Welle verursachen k\u00f6nnen. Insbesondere schwingt eine flache Unruh nicht isochron(T)<\/a>. Eine \u00e4hnliche Form ist die bifilare Spiralfeder in Uhren mit Schwebeunruh. (T)<\/a> <\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.3.4. Hemmungsteile<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Funktion der Hemmungsteile an der Unruh wird unter Hemmungen erkl\u00e4rt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.3.5. Die Temperaturkompensation der Unruh<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Einfluss von Temperatur\u00e4nderungen bei Unruhuhren ist wesentlich komplizierter als bei Pendeluhren. Insgesamt werden drei Gr\u00f6ssen beeinflusst:<\/p>\n\n\n\n Alle drei Punkte bewirken ein Nachgehen der Uhr bei Erw\u00e4rmung. Zum letzten Punkt ist zu sagen, dass es eine Eigenschaft der meisten Materialien ist, bei Erw\u00e4rmung nachgiebiger zu werden. Dieser Einfluss ist so gering, dass er in der gew\u00f6hnlichen Technik bei Temperaturen um die Raumtemperatur vernachl\u00e4ssigt werden kann. Bei den Genauigkeiten, die von einer Uhr gefordert werden, ist dieser Einfluss sehr wesentlich. Der durch die Temperaturabh\u00e4ngigkeit des Elastizit\u00e4tsmoduls verursachte Fehler liegt bei 30sec\/Tag bei einem Grad Temperatur\u00e4nderung. Die zuerst genannte Methode wurde bei den ersten Uhren mit Temperaturkompensation (um 1700) verwendet. Dabei wird der R\u00fccker (T)<\/a>auf einen Bimetallstreifen gesetzt, der die L\u00e4nge der Spiralfeder beeinflusst. F\u00fcr Pr\u00e4zisionsuhren ist diese Methode weniger geeignet, da jede Ver\u00e4nderung der Spiralfederl\u00e4nge zu einer Beeintr\u00e4chtigung des Isochronismus(T)<\/a> f\u00fchrt. Ein anderer Weg ist die Beeinflussung des Massentr\u00e4gheitsmomentes der Unruh, durch Verwendung einer Bimetallunruh. Der Unruhreif besteht aus zwei fest miteinander verbundenen konzentrischen Ringen, der innere Ring ist aus Stahl, der \u00e4ussere aus Messing. Der Unruhreif wird ferner an zwei Stellen in der N\u00e4he der Speichen aufgeschnitten. Wird der Reif erw\u00e4rmt, dehnt sich das Messing st\u00e4rker aus als der Stahl, so dass sich der aufgeschnittene Teil der Unruh nach innen kr\u00fcmmt, und damit ein geringeres Massentr\u00e4gheitsmoment, damit eine h\u00f6here Schwingfrequenz ergibt, was die geringere Steifigkeit der Feder wieder ausgleicht. Nachteil an diesem System ist erstens, dass eine korrekte Justage des gesamten Systems sehr aufwendig ist. Zweitens ist der aufgeschnittene Unruhreif relativ instabil und kann sich mit der Zeit verformen, was in hohem Masse die Zeitmessung beeinflusst. Drittens beseitigt diese Massnahme nicht den sogenannten sekund\u00e4ren Fehler. d.h wenn die Uhr bei 0 Grad und 20 Grad Temperaturkompensiert ist, ist sie dies noch lange nicht bei 15 Grad.<\/p>\n\n\n\n Seit den dreissiger Jahren des 20. Jhdts. wird i. A. die Nivarox-Spirale verwendet (Nat\u00fcrlich nur, wenn die Uhr temperaturkompensiert ist). Dieses spezielle, nickelhaltige Material weisst eine sehr geringe \u00c4nderung des Elastizit\u00e4tsmoduls in Abh\u00e4ngigkeit von der Temperatur auf, ferner l\u00e4sst sich diese Abh\u00e4ngigkeit so regulieren, dass die Fehler, die durch Ausdehnung der Unruh entstehen, mitkompensiert werden. Da dieses Mittel recht einfach und relativ preiswert ist, hat es sich mittlerweile fast vollst\u00e4ndig durchgesetzt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n <\/a>3.3.3.6. Die Regulierung der Unruh<\/strong><\/p>\n\n\n\n Bei der Regulierung*<\/a> der Frequenz einer Unruh gibt es zwei M\u00f6glichkeiten:<\/p>\n\n\n\n Die erste M\u00f6glichkeit findet sich beim allergr\u00f6ssten Teil der Unruhuhren. Die L\u00e4nge der Spiralfeder wird mit Hilfe des sogenannten R\u00fcckers<\/a> eingestellt. Der R\u00fccker ist eine Art winziger zweizinkiger Gabel, zwischen deren Zinken die Spiralfeder liegt. Diese Gabel ist auf einem Arm befestigt, der konzentrisch zur Unruhachse drehbar befestigt ist. Durch Drehen dieses Armes wird die wirksame L\u00e4nge der Spiralfeder ver\u00e4ndert, damit die Schwingungsfrequenz der Unruh. An besseren Uhren findet man oft eine Feinstellung, die eine genaue Einstellung des R\u00fcckers erm\u00f6glicht. Hier gibt es z.B. die Schwanenhalsregulierung, bei der der R\u00fccker mit Hilfe einer feinen Schraube eingestellt wird. Diese Schraube dr\u00fcckt auf die eine Seite des R\u00fcckers, auf der anderen Seite dr\u00fcckt eine Feder (die rings um den R\u00fccker in Form eines Schwanenhalses liegt) dagegen, um das Spiel in dieser Anordnung zu beseitigen. Eine andere Bauform ist die Exzenterregulierung, bei der der R\u00fccker durch eine leicht exzentrische Scheibe verstellt wird, bei Grossuhren wird auch h\u00e4ufig ein Zahnrad auf dem R\u00fccker befestigt, dass von einem kleinen Ritzel bet\u00e4tigt wird.<\/p>\n\n\n\n Bei Pr\u00e4zisionsuhren (Schiffschronometer, einige Taschen- und Armbanduhren) wird die Regulierung der Frequenz durch Ver\u00e4nderung der Massentr\u00e4gheit der Unruh eingestellt, da eine Ver\u00e4nderung der Spiralfederl\u00e4nge den Isochronismus der Feder beeintr\u00e4chtigt. Dazu befinden sich zwei Schrauben im Unruhreif, die zum Schnellerstellen der Uhr hineingedreht werden (und umgekehrt). Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Uhr zum Regulieren jedesmal angehalten werden muss, dass man dabei an der empfindlichen Unruh herumschrauben muss, und dass die Unruh bei jeder Regulierung wieder ausgewuchtet werden muss.<\/p>\n\n\n\n Eine \u00e4hnliche Technik verwenden die Uhren mit Schwebeunruh(T)<\/a> , die wegen der zylindrischen Spiralfeder ebenfalls keine Regulierung der Federl\u00e4nge zulassen. Die Ver\u00e4nderung des Massentr\u00e4gheitsmoments wird allerdings nicht durch Schrauben durchgef\u00fchrt. Der Unruhreif besitzt zwei Speichen, wodurch der Reif in zwei H\u00e4lften unterteilt wird. Jede H\u00e4lfte wird am Innenrand so ausgefr\u00e4st, dass der Innenradius des Reifes von der einen zur anderen Speiche immer gr\u00f6sser wird. In diesen Unrufreif wird eine Scheibe federnd eingesetzt, auf der zwei Gewichte sitzen, die an den ver\u00e4nderlichen Innenradius angepresst werden. Wird diese Scheibe verdreht, vedrehen sich beide Gewichte gleichf\u00f6rmig, so dass die Unruh nicht unwuchtig wird. Allerdings ver\u00e4ndern die Gewichte ihren Radius zur Drehachse, so dass eine Regulierung der Unruh m\u00f6glich ist. H\u00e4ufig ist der Drehwinkel skaliert, d.h. es wird angegeben, dass der Gang der Uhr sich um soundsoviel sec.\/Tag bei Bewegung um einen Teilstrich der Skala \u00e4ndert.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\nEinleitung<\/a> <\/h3>\n\n\n\n
1. Antrieb<\/a> <\/h3>\n\n\n\n
1.1.1. Direkter Elektrischer Antrieb<\/a>
1.1.2. Indirekter Elektrischer Antrieb<\/a>
1.1.3. Energiespeicher<\/a>
1.2. Mechanischer Antrieb<\/a>
1.2.1. Antrieb durch eine Zugfeder<\/a>
1.2.1.1. Vor- und Nachteile des Federantriebes<\/a>
1.2.1.2. Bet\u00e4tigung des Federantriebes<\/a>
1.2.1.3. Automatischer Aufzug des Federantriebes<\/a>
1.2.2. Antrieb durch ein Gewicht<\/a>
1.2.2.1. Der einfache Kettenantrieb<\/a>
1.2.2.2. Der Antrieb \u00fcber Seil und Seiltrommel<\/a>
1.2.2.3. Der Antrieb nach Huygens<\/a> <\/p>\n\n\n\n2. \u00dcbertragung der Antriebsenergie auf das Zeitmessystem<\/a> <\/h3>\n\n\n\n
2.1.1. Direkte elektrische Antriebe<\/a>
2.1.2. Indirekte elektrische Antriebe<\/a>
2.2. Mechanische Antriebe<\/a>
2.2.1. Aufbau der Zahnr\u00e4der<\/a>
2.2.2. \u00dcbersetzungsverh\u00e4ltnisse<\/a>
2.2.3. Lagerung der Zahnr\u00e4der<\/a>
2.2.4. Zahnformen<\/a> <\/p>\n\n\n\n3. Zeitmessysteme<\/a> <\/h3>\n\n\n\n
3.2. Elektrische Uhren<\/a>
3.2.1. Direkt angetriebene Elektrische Uhren<\/a>
3.2.2. Indirekt angetriebene Elektrische Uhren<\/a>
3.3. Mechanische Uhren<\/a>
3.3.1. Die Waag<\/a>
3.3.2. Das Pendel<\/a>
3.3.2.1. Die Temperaturkompensation des Pendels<\/a>
3.3.2.1.1. Das Holzpendel <\/a>
3.3.2.1.2. Das Harrison’sche Gitterpendel<\/a>
3.3.2.1.3. Das Quecksilberkompensationspendel<\/a>
3.3.2.1.4. Das Invarpendel<\/a>
3.3.2.2. St\u00f6rungen beim Pendel<\/a>
3.3.2.3. Pendelaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.3.1. Federaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.3.2. Draht\u00f6senaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.3.3. Fadenaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.3.4. Schneidenaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.3.5. Zapfenlagerung<\/a>
3.3.2.4. Regulierung des Pendels<\/a>
3.3.2.4.1. Reguliermutter<\/a>
3.3.2.4.2. Brocotaufh\u00e4ngung<\/a>
3.3.2.4.3. Verschiebung der Pendellinse<\/a>
3.3.2.4.4. Auflagegewichte<\/a>
3.3.2.5. Pendell\u00e4ngen<\/a>
3.3.3. Die Unruh<\/a>
3.3.3.1. Unruhwelle und Lagerung<\/a>
3.3.3.2. Der Unruhreif<\/a>
3.3.3.3. Die Spiralfeder<\/a>
3.3.3.4. Hemmungsteile<\/a>
3.3.3.5. Die Temperaturkompensation der Unruh<\/a>
3.3.3.6. Die Regulierung der Unruh<\/a>
3.3.4. Das Torsionspendel<\/a>
3.3.5. Das Rotationspendel<\/a> <\/p>\n\n\n\n4. Hemmungen der mechanischen Uhren<\/a> <\/h3>\n\n\n\n
4.2. Hemmungen bei Kleinuhren<\/a>
4.2.1. Unfreie Hemmungen bei Kleinuhren<\/a>
4.2.2. Freie Hemmungen bei Kleinuhren<\/a>
4.3. Hemmungen bei Grossuhren<\/a>
4.3.1. Unfreie Hemmungen bei Grossuhren<\/a>
<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n<\/a>Einleitung<\/h1>\n\n\n\n
Jede Uhr muss mit Energie versorgt werden, entweder durch Einlegen einer neuen Batterie, oder durch das Aufziehen der Uhr. Das was ‘hinten rauskommt’ ist schliesslich eine Anzeige der Zeit (Was ja die Hauptfunktion der Uhr ist. Bei Armbanduhren wird diese Funktion allerdings oft durch durch die Funktion ‘Steigerung des Selbstbewusstseins’ abgel\u00f6st). Die meisten Uhren bieten dar\u00fcberhinaus noch weitere Funktionen, die man z.B. jeden Morgen auf das schmerzlichste in Form eines Weckers nutzt, oder eine Anzeige des Datums. Man kann sich dann noch denken, dass eine Uhr, die die Zeit anzeigt, wahrscheinlich noch eine Einrichtung zum Messen der Zeit besitzt, einen Mechanismus oder eine Elektronik, die diese verschiedenen Dinge miteinander verbindet, und einen mechanischen Aufbau, in dem alle Teile gelagert sind.
Jede Uhr, gleichg\u00fcltig, ob es sich um eine gewichtsangetriebene Turmuhr oder eine 5DM-Digitaluhr handelt, kann also in folgende Baugruppen unterteilt werden:<\/p>\n\n\n\n
1. ein Antrieb,
2. ein System zur \u00dcbertragung der Antriebskraft auf das Zeitmessystem,
3. ein Schwingsystem zur eigentlichen Zeitmessung,
4. eine Zeitanzeige,
5. ein Werkgestell,
6. und in vielen F\u00e4llen Zusatzeinrichtungen, wie Datumsanzeige oder Wecker.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1. Antrieb<\/h1>\n\n\n\n
<\/a>1.1 Elektrischer Antrieb<\/h2>\n\n\n\n
der direkte elektrische Antrieb, wie er bei allen modernen Uhren Standard ist, und der indirekte Antrieb, wie er bei elektromechanischen Uhren verwendet wurde.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.1.1 Direkter elektrischer Antrieb <\/h3>\n\n\n\n
Der direkte Antrieb regt bei Quarzuhren unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts einen Quarzkristall zum Schwingen an. Bei elektromechanischen Uhren mit direktem Antrieb wird der mechanische Schwinger (Pendel oder Unruh) durch ein magnetisches Feld angetrieben.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.1.2. Indirekter elektrischer Antrieb <\/h3>\n\n\n\n
Der Aufzug erfolgt dabei entweder im Abstand von einigen Minuten durch einen Elektromagneten (erkenbar an einem lauten Klacken) oder in gr\u00f6sseren Abst\u00e4nden durch einen Elektromotor (erkennbar an einem Surren).<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.1.3. Energiespeicher <\/h3>\n\n\n\n
Ein Sonderfall bei den elektrischen Uhren sind die Synchronuhren. Bei diesen Uhren wird die 50Hz-Wechselstromfrequenz des Lichtnetzes als Zeitnormal verwendet. Eine solche Uhr ist allerdings im strengen Sinne keine Uhr, sondern nur ein Zeitanzeigeger\u00e4t, da die Zeitmessung im Elektrizit\u00e4tswerk stattfindet. Bei Schaltuhren ohne digitale Anzeige ist diese Art der Zeitmessung relativ h\u00e4ufig.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.2. Mechanischer Antrieb <\/h2>\n\n\n\n
\n
Viele mechanische Grossuhren besitzen neben der reinen Zeitanzeige akustische Sonderfunktionen, wie einen Wecker oder ein Stundenschlagwerk. Im allgemeinen erfolgt der Antrieb dieser Zusatzfunktionen auf die gleiche Weise, wie der Uhrwerksantrieb, d.h. ein mechanischer Wecker besitzt Zugfedern f\u00fcr Uhrwerks- und Weckerantrieb, eine Kuckucksuhr Gewichte f\u00fcr Uhrwerk und Schlagwerk. Gelegentlich findet man bei moderneren Wanduhren einen Gewichtsantrieb f\u00fcr das Uhrwerk und einen Federantrieb f\u00fcr das Schlagwerk. Ein technischer Unterschied zwischen den Antrieben f\u00fcr Schlag- und Uhrwerk besteht im allgemeinen nicht.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.2.1 Antrieb durch eine Zugfeder <\/h3>\n\n\n\n
\n
ein grosser Messingzylinder, der an einer Stirnfl\u00e4che verzahnt ist. In diesem Zylinder ist die Zugfeder spiralf\u00f6rmig aufgewickelt. Die Verzahnung des Federhauses stellt das erste Zahnrad der Uhr dar. Im Gegensatz dazu steht die offene Feder, die in den meisten Weckern und einigen sehr billigen grossen Federzuguhren verwendet wird. In einer solchen Uhr ist die Spiralfeder offen eingebaut und als aufgewickeltes Stahlband im Uhrwerk zu erkennen.
Alle Armband- und Taschenuhren und alle besseren Grossuhren verwenden das umlaufende Federhaus. In diesem Fall wird die Zugfeder von der Achse des Federhauses aus (am inneren Ende der Feder) aufgezogen, die Kraftabgabe erfolgt am \u00e4usseren Ende der Feder, die am Federhaus eingeh\u00e4ngt ist. Das Federhaus dreht sich also w\u00e4hrend die Uhr abl\u00e4uft (daher der Name umlaufendes Federhaus).
Die Achse des Federhauses wird durch die Kraft der Feder zur\u00fcckgetrieben (entgegen der Kraft des Aufziehenden). Man ben\u00f6tigt also noch ein Sperrad (Klinkenrad), das eine Bewegung entgegen der Kraft der Feder (d.h. das Aufziehen) erlaubt, aber nach dem Aufziehen die Achse des Federhauses gegen das Werkgestell abst\u00fctzt. Das Klinkenrad ist also durch einen Vierkant kraftschl\u00fcssig mit der Achse verbunden, w\u00e4hrend die Klinke am Werkgestell befestigt ist.
Bei der offenen Feder erfolgt An- und Abtrieb der Feder am inneren Ende der Feder. Das \u00e4ussere Ende der Feder ist am Werksgestell eingh\u00e4ngt, und ist damit fest. Das erste Zahnrad der Uhr, das von der Feder angetrieben wird besteht damit aus zwei Teilen:
dem eigentlichen Zahnrad und dem Klinkenrad, an dem die Feder befestigt ist. Beim Aufziehen wird das Klinkenrad bewegt, w\u00e4hrend das Zahnrad in diesem Moment von der Kraft der Feder befreit ist.<\/p>\n\n\n\n
Das umlaufende Federhaus erlaubt einen besseren und gleichm\u00e4ssigeren Ablauf der Feder, die Feder ist vor Umwelteinfl\u00fcssen gesch\u00fctzt, ebenso ist das Uhrwerk bei einem eventuellen Federbruch vor der Feder gesch\u00fctzt und als Hauptvorteil, der Antrieb der Uhr wird w\u00e4hrend des Aufzuges nicht unterbrochen.
Die offene Zugfeder bietet nur den Vorteil, billiger zu sein. Als Zwischenform gibt es das feststehende Federhaus, bei dem die offene Zugfeder von einem Federhaus, das fest mit der Werksplatte verbunden ist, umgeben ist. Dieses System ist etwas einfacher als das umlaufende Federhaus und bietet die gleichen Schutzfunktion von Feder und Werk. Es wurde allerdings nur sehr selten verwendet.
Die Unterbrechung des Antriebes w\u00e4hrend des Aufzugs l\u00e4sst sich leicht feststellen:
wenn man an einem gew\u00f6hnlichen Wecker leicht am Aufzugsschl\u00fcssel dreht, wird das Ticken langsam leiser, nach einigen Sekunden h\u00f6rt es ganz auf. Bei einer Armbanduhr wird die Uhr immer weiterlaufen.<\/p>\n\n\n\n
Es gibt verschiedene Methoden um diese Ungleichheit der Antriebskraft zu reduzieren:
das effektivste Verfahren ist Schnecke und Kette*<\/a>, da dieses Verfahren im Idealfall zu einem v\u00f6lligen Ausgleich der Antriebskraft f\u00fchrt. Allerdings ist dieses System sehr aufwendig. Bei Taschenuhren mit Spindelhemmung war die Verwendung dieses Systems Standard (bis Anfang des 19. Jhdts.), bei englischen Taschenuhren wurde es wesentlich l\u00e4nger verwendet, bis zum Ende der Produktion von englischen Taschenuhren zu Beginn des 20. Jhdts. Fast bis in unsere Tage hat die Schnecke und Kette sich bei den Marinechronometern erhalten.
Das h\u00e4ufigste und einfachste System zur Verbesserung der Konstanz des Federantriebes ist die Beschneidung der Gangdauer. Eine Zugfeder hat nach dem Hookeschen Gesetz in erster N\u00e4herung einen linearen Zusammenhang zwischen Aufzugsweg und Antriebskraft. Baut man nun in eine Uhr, die einen Tag laufen soll, eine Feder ein, die nach zwei Tagen abgelaufen w\u00e4re, zieht diese Uhr aber trotzdem t\u00e4glich auf, \u00e4ndert sich die Federkraft nicht von ann\u00e4hernd 100 % auf 0% Kraft, sondern nur von 100% auf 50% (Diese Zahlenwerte dienen nur der Darstellung der Verh\u00e4ltnisse. Nat\u00fcrlich geht die Federkraft in einer Uhr nicht auf 0% zur\u00fcck.) . Ein anderer Effekt in diesem Zusammenhang ist, das Zugfedern die v\u00f6llig aufgezogen sind, f\u00fcr kurze Zeit eine sehr hohe Kraft liefern (abweichend vom linearen Zusammenhang). Dieser Bereich kann durch eine Stellung abgeschnitten werden. Diese Stellung wird bei Armband- und Taschenuhren fast immer verwendet. Erkennbar ist diese daran, dass sich die Aufzugswelle beim Loslassen ein wenig zur\u00fcckdreht. Bei Grossuhren und hochwertigen Taschenuhren wird gelegentlich eine Malteserkreuzstellung (benannt nach einem Bauteil in diesem System, das ein wenig wie ein Malteserkreuz aussieht) eingebaut. Diese Stellung verhindert zum einen, dass die Uhr ganz abl\u00e4uft, zum anderen dass sie ganz aufgezogen wird.<\/p>\n\n\n\n
Bei Taschen- und Armbanduhren wird normalerweise der Aufzug \u00fcber die Krone verwendet. Diese Krone erlaubt im allgemeinen durch Herausziehen auch noch das Stellen der Uhr, evtl. auch von Datum etc. Bei manchen \u00e4lteren Taschenuhren muss zum Stellen der Uhr auf einen kleinen Knopf gedr\u00fcckt werden, der sich neben der Krone befindet.
Bei alten Taschenuhren (teilweise bis Ende des 19 Jhdts. verwendet) und bei allen Grossuhren erfolgt der Aufzug \u00fcber einen separaten Schl\u00fcssel.<\/p>\n\n\n\n
Sehr weit verbreitet ist der automatische Aufzug bei Armbanduhren. Dabei wird die Bewegung der Uhr am Handgelenk des Tr\u00e4gers ausgenutzt. Ein kleines Massest\u00fcck, das exzentrisch auf einer Achse gelagert ist, versucht st\u00e4ndig ‘nach unten zu h\u00e4ngen’. Diese Bewegung zieht \u00fcber ein Getriebe die Zugfeder auf.
Ein zweites System zum automatischen Aufzug von Grossuhren verwendet die Atmos<\/a> von LeCoultre. Hierbei werden Temperaturschwankungen, die es in jedem Raum gibt, zum Antrieb der Uhr genutzt. Da die dabei entstehenden Energien aber ungeheuer gering sind, muss ein spezielles Schwingsystem (Torsionspendel(T)<\/a> ) verwendet werden.<\/p>\n\n\n\n<\/a>1.2.2. Antrieb durch ein Gewicht <\/h3>\n\n\n\n
<\/a>2. \u00dcbertragung der Antriebsenergie auf das Zeitmessystem<\/h1>\n\n\n\n
<\/a>2.1.1. Direkte elektrische Antriebe <\/h3>\n\n\n\n
Bei den elektromechanischen direkten Antrieben wird die Bewegung des mechanischen Schwingers durch einen Elektromagneten angeregt, d.h. das Prinzip ist \u00e4hnlich wie bei einem Elektromotor.
Uhren mit direktem Antrieb der Unruh (Unruhmotor) waren in den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts relativ weit verbreitet. Man erkennt sie an der Tatsache, dass eine Batterie zum Betrieb n\u00f6tig ist, sie aber doch eine Art Ticken von sich geben (erfolgt das Ticken allerdings genau im 1-Sekunden-Rhythmus handelt es sich um eine Quarzuhr, ert\u00f6nt nebem dem Ticken alle paar Minuten ein ‘Klack’ oder in gr\u00f6sseren Zeitabst\u00e4nden ein Surren, handelt es sich um eine indirekt elektrisch angetriebene Uhr).
Bei Uhren mit Unruhmotor ist das Hauptproblem, der Unruh bei jeder Schwingung einen Antriebsimpuls zu geben. Dies wurde zuerst durch einen kleinen Schalter bewerkstelligt, sp\u00e4ter mit Hilfe einer sehr einfachen Elektronik.
Nat\u00fcrlich kann auch ein Pendel direkt elektrisch angetrieben werden, wie z.B. bei der Bulle- oder ATO- Uhr. Diese Uhren sind meistens sehr charakteristisch, durch ein U-f\u00f6rmiges Pendel, das durch einen Elektromagneten hindurchl\u00e4uft. Auch diese Uhren wurden bei jeder Schwingung eines Pendels angetrieben.
Eine Sonderform stellt die Hipp-Uhr dar, bei der das Pendel nur dann angetrieben wurde, wenn es in einem gewissen Mass an Energie verloren hat.<\/p>\n\n\n\n<\/a>2.1.2. Indirekte elektrische Antriebe<\/h3>\n\n\n\n
Beim Aufzug durch Elektromagneten ist die Konstruktion allerdings oft etwas anders als bei rein mechanischen Antrieben. Das h\u00e4ufige Aufziehen im Minutenrhythmus erfordert f\u00fcr den Antrieb nur einen sehr kleinen Weg (zum Vergleich: beim konventionellen Gewichtsantrieb f\u00e4llt das Gewicht insgesamt oft 2m, bei einem Magnetaufzug weniger als einen Zentimeter.). Deswegen wird oft eine Konstruktion verwendet bei der ein kleines Gewicht auf einem Hebel sitzt, der sich konzentrisch auf der Achse des angetriebenen Rades befindet, und dort \u00fcber eine Sperrklinke abst\u00fctzt. Das Gewicht beschreibt also keinen linearen Weg nach unten, sondern bewegt sich auf einem Kreisbogen. Dieser Hebel kann ebenso durch eine Zylinderf\u00f6rmige Feder (im Gegensatz zu Spiralfeder im konventionellen Federantrieb) bet\u00e4tigt werden. Im allgemeinen befindet sich an der unteren Stellung dieses Hebels ein Schalter, der ein erneutes Aufziehen der Uhr veranlasst.<\/p>\n\n\n\n<\/a>2.2. Mechanische Antriebe<\/h2>\n\n\n\n
<\/a>2.2.1. Aufbau der Zahnr\u00e4der <\/h3>\n\n\n\n
Die Welle ist gemeinsam mit dem Trieb aus einem St\u00fcck Rundstahl gedreht, die Z\u00e4hne des Triebes werden gefr\u00e4sst. Eine Sonderform der Triebe bei billigen Uhren sind die Hohl- oder Laternentriebe. Diese werden auf die Achse aufgepresst und bestehen aus einer Messingrolle (\u00e4hnlich einer Garnrolle). Die beiden Scheiben der Rolle werden mit einer Anzahl von L\u00f6chern versehen, entsprechend der ben\u00f6tigten Anzahl von Z\u00e4hnen. In diese L\u00f6cher werden Stahlstifte gesteckt, die die Funktion der Triebz\u00e4hne \u00fcbernehmen. Diese Hohltriebe besitzen eine Menge Vorteile: zum einen sind sie billiger als die massiven (aus dem vollen gefr\u00e4ssten) Triebe, ferner lassen sie sich m\u00fchelos durch Auswechseln der Stifte reparieren, die Reibungsverh\u00e4ltnisse sind wegen der guten Politur des Stahldrahtes recht gut. Da diese Art der Triebe als klassischer Anzeiger f\u00fcr eine billige Uhr gelten, werden sie in besseren Uhren nie verwendet. In Kleinuhren wurden sie ebenfalls nicht verwendet.
Die radiale Lagerung der Welle erfolgt \u00fcber den Zapfen, ein Absatz der Welle, d.h. der Durchmesser des Zapfens ist immer etwas geringer, als der Durchmesser der Welle. Die Axiale Lagerung erfolgt fast immer \u00fcber die Schulter des Ansatzes Zapfen – Welle. In F\u00e4llen, bei denen sehr geringe Reibung gew\u00fcnscht wird (bei Kleinuhren i. A. die Unruhwelle), findet die axiale Lagerung am Ende des Zapfens durch Deckpl\u00e4ttchen (T)<\/a> statt.<\/p>\n\n\n\n<\/a>2.2.2. \u00dcbersetzungsverh\u00e4ltnisse <\/h3>\n\n\n\n
Die kleinste Anzahl von Zahnr\u00e4dern bei Uhren ist 3, das Antriebsrad, das Minutenrad und das Hemmungsrad. In den seltensten F\u00e4llen aber nur wird man mit diesen drei Zahnr\u00e4dern auskommen. Um die Laufzeit zu vergr\u00f6ssern, wird im allgemeinen zwischen Antriebsrad und Minutenrad das Grossbodenrad eingef\u00fcgt, ferner zwischen Minutenrad und Hemmungsrad das Kleinbodenrad. Bei Uhren mit langer Laufzeit oder hoher Schwingungsfrequenz k\u00f6nnen es auch noch weitere R\u00e4der sein.<\/p>\n\n\n\n<\/a>2.2.3. Lagerung der Zahnr\u00e4der <\/h3>\n\n\n\n
Die Reibung kann durch eine sorgf\u00e4ltige Lagerung der Zahnr\u00e4der und durch eine geschickte Zahnform verringert werden.
Die Zahnr\u00e4der werden bei Grossuhren und einfachen oder alten Taschenuhren in L\u00f6chern der Platinen gelagert. Dabei ist ein m\u00f6glichst geringer Durchmesser der Zapfen von Vorteil. Die Reibungskraft wird zwar durch d\u00fcnnere Zapfen nicht verringert, das zum Drehen ben\u00f6tigte Drehmoment (auf das es hier ankommt) verringert sich aber, da die Reibungskraft an einem kleineren Hebel (=Radius des Zapfens) wirkt. Wie vorher erw\u00e4hnt, findet die axiale Lagerung der Achsen im Allgemeinen an den Zapfenschultern statt. Wenn sehr geringe Reibung erw\u00fcnscht ist, wird die Lagerung mit Deckpl\u00e4ttchen angewendet. Dabei werden axiale Kr\u00e4fte von einer Deckplatte, die das radiale Lager praktisch nach aussen abschliesst, \u00fcbernommen. Die Zapfen m\u00fcssen dabei an der Spitze verrundet sein. Diese Art der Lagerung hat durch den wesentlich verringerten axialen Lagerradius (Radius bei Schulterlagerung = Radius der Welle, bei Deckplattenlagerung = punktf\u00f6rmig) wesentlich weniger Reibung. Dieses Verfahren wird haupts\u00e4chlich in Kleinuhren bei der Lagerung der Unruhwelle, evtl. der Hemmungsradwelle angewendet.
Ein weiteres Verfahren um die Reibung der Zapfen zu verringern, ist die Anwendung von Steinen (i.A. k\u00fcnstliche Rubine) als Lagerwerkstoff. Die Paarung Rubin\/Stahl weisst eine noch geringere Reibung als Messing\/Stahl auf, ferner ist durch die grosse H\u00e4rte der Steine die Abnutzung geringer. Die Lagerung in Steinen wird bei Kleinuhren fast allgemein angewendet (Aufdruck auf Uhren ’17 Rubis’), bei Grossuhren fast nur bei Pr\u00e4zisionsregulatoren und Marinechronometern. Weiter werden Steine f\u00fcr Paletten, Kugellagerkugeln*<\/a> und \u00fcberfl\u00fcssige Steine*<\/a> verwendet.
Ein weiteres Mittel zur Verringerung der Reibung in Uhren ist das \u00d6len <\/a>der Lager. Fr\u00fcher wurden dazu verschiedene pflanzliche (z. B. gekochtes und gereinigtes Oliven\u00f6l*) und tierische (Klauen\u00f6l) \u00d6le verwendet, heute auch mineralische und synthetische \u00d6le. Die Anforderungen an ein Uhren\u00f6l sind wesentlich von normalen Maschinen\u00f6len verschieden. Die Druckfestigkeit muss h\u00f6her sein, da sich durch die geringen Umlaufgeschwindigkeiten der Uhrenr\u00e4der kein dynamischer Schmierfilm einstellen kann, ferner werden sehr hohe Anforderungen an die Altersbest\u00e4ndigkeit gestellt, insbesondere da eine Ver\u00e4nderung der Viskosit\u00e4t des \u00d6ls zu einer Ver\u00e4nderung der Reibungsverh\u00e4ltnisse f\u00fchrt, was den Gang der Uhr beeinflusst. W\u00e4hrend in den meisten Maschinen das \u00d6l beliebig herumfliessen kann und soll, muss das \u00d6l in Uhren von selbst an seinem Platz haften (die sogenannte \u00d6lhaltung), was durch die Oberfl\u00e4chenspannung des \u00d6ls und die Form der \u00d6lstellen (z. B. durch \u00d6lsenkungen) erreicht wird.<\/p>\n\n\n\n<\/a>2.2.4. Zahnformen <\/h3>\n\n\n\n
<\/a>3. Zeitmessysteme<\/h1>\n\n\n\n
<\/a>3.1. Schwinger<\/h2>\n\n\n\n
Die ersten von der Sonne unabh\u00e4ngigen Zeitmessger\u00e4te, die sogenannten Elementaruhren (Kerzenuhren, Wasseruhren*<\/a> ) verwendeten eine analoge Gr\u00f6sse als Zeitnormal. \u00c4hnlich entstanden wohl die ersten R\u00e4deruhren aus dem Versuch heraus, den gebremsten (gehemmten, deswegen Hemmung) Ablauf eines R\u00e4derwerkes als Uhr zu verwenden. Ein solches System ist aber in seiner Geschwindigkeit direkt von der Antriebskraft abh\u00e4ngig, die f\u00fcr Zeitmesszwecke nie genau genug geregelt werden kann. Deswegen wird in jeder Uhr ein Schwingkreis als Zeitnormal verwendet, dessen Frequenz in erster N\u00e4herung von der Antriebskraft unabh\u00e4ngig ist. Ein Schwingkreis zeichnet sich dadurch aus, das eine Energieform in eine andere \u00fcbergef\u00fchrt wird (z.B. kinetische in potentielle Energie beim Pendel oder elektrische Energie in mechanische Energie beim Quarz). Die Bewegungsgleichung eines einfachen Schwingers kann sehr leicht hergeleitet werden.
Betrachtet wird ein Wagen der Masse m, der sich reibungsfrei auf einer Unterlage bewegen kann. Er sei \u00fcber eine Feder mit der Federkonstante k an einer Wand befestigt, so dass sich der Wagen in Richtung der Feder (Koordinate x) bewegen kann.
Man kann sich nun leicht vorstellen, dass dieser Wagen, wenn er angestossen wird, mit einer ihm eigenen Frequenz in Richtung auf die Wand zu bzw. weg schwingt. Schaut man sich solch ein Modell genau an, wird man feststellen, dass bei starkem Anstossen zwar sein Weg gr\u00f6sser wird, aber auch seine Geschwindigkeit, so dass insgesamt seine Schwingfrequenz konstant ist.
Die Kr\u00e4fte, die zu einem beliebigen Zeitpunkt an diesem Wagen angreifen, sind die Federkraft F1<\/sub> = k * x und die Beschleunigungskraft
F2<\/sub> = m * dx2<\/sup>\/dt2<\/sup> . Beide m\u00fcssen nach dem Kr\u00e4ftegleichgewicht addiert Null ergeben. Setzt man die Bewegungsgleichung f\u00fcr x mit x = cos (wt) an, ergibt sich f\u00fcr die Frequenz der Schwingung des Wagens w = Wurzel (k\/m), d.h. die Frequenz ist nicht vom Weg, also der Amplitude der Schwingung, und damit von der Antriebskraft abh\u00e4ngig. \u00c4hnliche Beziehungen gelten f\u00fcr beliebige andere Schwingungen, elektrischer oder mechanischer Art, genauso.
Leider ist in der Praxis die Frequenz nicht ganz unabh\u00e4ngig von der Amplitude. Dies ist z.B. bei Federschwingern durch die nicht absolut lineare Abh\u00e4ngigkeit von Kraft und Weg bedingt. Diese Effekte werden im ersten Moment klein erscheinen, man darf dabei aber nicht vergessen, dass ein Fehler von 1% bei einer Uhr schon einer t\u00e4glichen Abweichung von einer Viertelstunde entspricht.
Ein weiterer grosser St\u00f6rfaktor bei mechanischen Uhren ist die Tatsache, dass der Schwinger nicht ungest\u00f6rt schwingen kann, sondern durch die Hemmung angetrieben werden muss. Dies f\u00fchrt ebenfalls zu Fehlern in der Zeitmessung.<\/p>\n\n\n\n<\/a>3.2. Elektrische Uhren<\/h2>\n\n\n\n
<\/a>3.2.1. Direkt angetriebene elektrische Uhren <\/h3>\n\n\n\n
In diesen Bereich geh\u00f6ren auch die heute weit verbreiteten Funkuhren. Diese Uhren empfangen von einem Sender ein codiertes Zeitsignal, dass die aktuelle Uhrzeit und das Datum enth\u00e4lt. Die Uhrzeit wird dabei von einer Atomuhr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, die die deutsche Normzeit bestimmt, \u00fcbernommen. Mit diesem Zeitsignal wird eine eingebaute Quarzuhr synchronisiert, die auch die Zeitmessung bei Senderausfall sicherstellt.<\/p>\n\n\n\n<\/a>3.2.2. Indirekt angetriebene elektrische Uhren<\/h3>\n\n\n\n
<\/a>3.3. Mechanische Uhren<\/h2>\n\n\n\n
<\/a>3.3.1. Die Waag <\/h3>\n\n\n\n
Zur Regulierung der Waag gab es drei M\u00f6glichkeiten:
Bei Grossuhren wurden an der Waag Gewichte aufgeh\u00e4ngt, wobei eine Ver\u00e4nderung der Lage der Gewichte eine gewisse Regulierung der ‘Schwingfrequenz’ der Waag zul\u00e4sst. Bei Kleinuhren wurde oft die Schweinsborstenregulierung angewendet. Dabei wird der Rotationswinkel der Waag durch elastische Borsten eingeschr\u00e4nkt. Eine Ver\u00e4nderung des Rotationswinkels reguliert ebenfalls die Uhr.
Schlieslich war bei federgetriebenen Uhren auch immer eine Regulierung der Antriebskraft m\u00f6glich, d.h. die Vorspannung der Zugfeder konnte ver\u00e4ndert und damit die Schwingfrequenz der Uhr eingstellt werden.<\/p>\n\n\n\n<\/a>3.3.2. Das Pendel <\/h3>\n\n\n\n
Ein ‘mathematisches’ (also ideales) Pendel besteht aus einer masselosen Pendestange, die an ihrem oberen Ende aufgeh\u00e4ngt ist, und einer Masse am unteren Ende der Pendelstange, die Pendellinse. Viele reale Pendel n\u00e4hern sich diesem Ideal durch eine leichte (oft h\u00f6lzerne) Pendelstange und einer sehr schweren (gusseisernen oder bleiernen) Pendellinse an. Bei einfachen Uhren, z.B. Schwarzwalduhren kann allerdings die Masse von Pendelstange und Linse in \u00e4hnlichen Dimensionen liegen.
Das Pendel ist ein echter Schwinger im physikalischen Sinne. Es findet ein Energieaustausch zwischen der kinetischen Energie der Pendelmasse und der potentiellen Energie der Pendelmasse im Umkehrpunkt statt. Bei einem ungest\u00f6rten Pendel (d.h. ohne Einfluss der Hemmung) gibt es nur drei wesentliche Einflussgr\u00f6ssen, die die Genauigkeit des Pendels beeinflussen k\u00f6nnen:<\/p>\n\n\n\n\n
\u00c4nderungen des Luftdruckes wirken sich zum einen auf den Luftwiderstand des Pendels beim Schwingen, zum anderen in einer \u00c4nderung des Gewichtes der Pendellinse (durch den Auftrieb) aus. Entsprechende Kompensationsvorrichtungen (eine Vorichtung, die \u00e4hnlich wie ein Barometer aussieht) finden sich relativ h\u00e4ufig an Pr\u00e4zisionsuhren. F\u00fcr normale Uhren ist dieser Einfluss aber vernachl\u00e4ssigbar.
Die wichtigste Einflussgr\u00f6sse auf die Genauigkeit eines Pendels ist allerdings die \u00c4nderung der Pendell\u00e4nge, bedingt durch die thermische Ausdehnung des Materials der Pendelstange.<\/p>\n\n\n\n
Die Pendelstange besteht aus einem Material mit relativ geringem W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten *<\/a> (z.B. Stahl, Holz, spezielle Legierungen). Am unteren Ende der Pendelstange wird ein Material mit hohem W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten angebracht, dessen Dehnung der Dehnung der Pendelstange entgegengesetzt ist. Insgesamt soll sich ein Ausgleich der beiden Dehnungen ergeben.<\/p>\n\n\n\n
Eine h\u00f6lzerne Pendelstange muss sehr gut impr\u00e4gniert sein, da auch \u00c4nderungen der Luftfeuchtigkeit zu L\u00e4ngen\u00e4nderungen f\u00fchren.
Ein h\u00f6lzernes Pendel hat nat\u00fcrlich zuallererst den Vorteil sehr billig zu sein. Die damit erreichte Genauigkeit reicht selbst f\u00fcr sehr gute Uhren aus.<\/p>\n\n\n\n
Man nehme eine st\u00e4hlerne Pendelstange. Am unteren Ende befindet sich keine Pendellinse, sondern ein Quertr\u00e4ger auf dem zu beiden Seiten und parallel zur Stahlstange zwei Messingstangen (oft auch Zinkstangen, die einen noch h\u00f6heren W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten als Messing besitzen) sitzen. Der W\u00e4rmeausdehnungskoeffizient von Stahl ist etwas geringer als der von Messing, so dass das obere Ende der beiden Messingstangen bei einer Temperaturerh\u00f6hung etwas h\u00f6her liegt, als das Ende der Stahlstange. Am oberen Ende der Messinstangen ist wieder ein Quertr\u00e4ger befestigt (der allerdings lose auf der mittleren Stahlstange sitzt). An diesem Quertr\u00e4ger sind wieder zwei Stahlstangen befestigt. Diese dehnen sich wieder etwas weniger als das Messing aus, so dass bei sorgf\u00e4ltiger Abstimmung der L\u00e4ngen und Einf\u00fcgen evtl. weiterer Stangen sich insgesamt eine Nulldehnung am unteren Ende der Stange ergibt.
Diese Vorrichtung funktioniert im Prinzip sehr gut, erfordert aber eine sehr genaue Abstimmung der verschiedenen Stangenl\u00e4ngen *<\/a> .
Da die Kombination von parallel liegenden Stahl- und Messingstangen sehr dekorativ aussieht, findet sich ein solches Pendel recht h\u00e4ufig auch an einfachen Uhren. In diesem Fall handelt es sich aber immer um eine Imitation dieses Systems, ohne jede Funktion.<\/p>\n\n\n\n
Das Problem bei diesem an sich recht einfachen und extrem genauen System ist das Material Invar. Es ist zwar nicht allzu teuer, es neigt aber zu spontanen Dehnungen, die eine sehr aufwendige Vorbehandlung des Materials erforderlich machen.<\/p>\n\n\n\n\n
Das beste Verfahren zur Amplitudenstabilisierung ist die Verwendung spezieller Hemmungen (Schwerkraft- und Federhemmung) bei der die Antriebskraft in der Hemmung, also am letzten Punkt der Antriebskette noch einmal stabilisiert wird. Diese Hemmungen sind allerdings sehr aufwendig.<\/li>\n\n\n\n
Dieser Gedanke ist zwar bestechend, allerdings ist die exakte Formung einer solchen Kurve sehr schwierig. Das System wurde nur selten (und noch seltener mit Erfolg) verwendet.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n\n
<\/a>3.3.3. Die Unruh <\/h3>\n\n\n\n
Die Unruh ist ein Nachkomme der Waag. Wird an der Waag eine Feder angebracht, die der Drehbewegung entgegenwirkt, erh\u00e4lt man ein Schwingungsf\u00e4higes System. Erfunden wurde die Spiralfeder an der Unruh um 1680, relativ gleichzeitig von Huygens und Hooke.
Eingesetzt wird die Unruh bei allen Uhren, die einer Bewegung ausgesetzt sind, d.h. Armband- und Taschenuhren, Schiffschronometern und Schiffsuhren, Borduhren f\u00fcr Fahr- und Flugzeuge, technische Laufwerke und bei Weckern (die stehen zwar normalerweise auf dem Nachttisch, sie werden aber auch oft herumgetragen und bewegt), ferner wird die Unruh bei den meisten Grossuhren ab den 60er Jahren eingesetzt. Hierbei vermute ich, dass die Unruh eingesetzt wurde, da sie es erlaubt ein kompaktes geschlossenes Uhrwerk herzustellen, das \u00fcberall eingebaut werden kann (Ein Pendel ist zwar im Prinzip einfacher herzustellen und damit billiger als Unruh und Spiralfeder, man muss aber immer das Pendel getrennt transportieren, verpacken, ein- und ausbauen, einstellen etc., so dass es im industriellen Herstellungsprozess insgesamt wohl teurer ist.).<\/p>\n\n\n\n\n
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Loch- und Deckstein befinden sich gemeinsam in einem etwa kegelf\u00f6rmigen Geh\u00e4use, dass durch eine Feder in ein passendes Loch in der Platine gedr\u00fcckt wird. Wird die Unruh einem starken Stoss ausgesetzt, kann die Welle mitsamt dem Lager entgegen der Federkraft ausweichen. Der maximale Ausweichweg wird durch st\u00e4rkere Teile der Unruhwelle vorgegeben, die an eine entsprechende Stelle der Platine anschlagen und den Stoss besser verkraften als die Unruhzapfen. Nach dem Stoss wird das Lager durch die Feder wieder in die Grundstellung gedr\u00fcckt und die Uhr kann weiterlaufen.
Erkennbar ist eine Stossicherung an einem entsprechenden Aufdruck auf der Uhr (oft englisch ‘shockproof’) oder an einer winzigen goldfarbenen Feder \u00fcber dem Unruhdeckstein.
Die Stossicherung kann als Datierungshilfe f\u00fcr Armbanduhren dienen, da sie sich um 1930 praktisch schlagartig duchgesetzt hat. Taschenuhren wurden auch danach noch oft ohne Stossicherung gebaut.<\/p>\n\n\n\n
Der Aufbau ist folgender: Die Unruh besitzt anstatt der Unruhwelle ein d\u00fcnnes Rohr. Durch dieses Rohr wird ein d\u00fcnner Stahldraht gezogen, um den die Unruh rotiert. Da dieser Draht senkrecht steht, tritt praktisch keine radiale Reibung auf. Eine feste axiale Lagerung ist nicht vorgesehen. Das Gewicht der Unruh wird von der zylindrischen Spiralfeder aufgefangen, so dass auch keine Reibung in axialer Richtung auftritt. Die Spiralfeder muss eine Doppelwendel sein, da andernfalls sich bei jeder Schwingung der Unruh die gesamte Unruh nach oben oder unten bewegen w\u00fcrde. Es gibt auch Systeme, bei denen das Unruhgewicht von zwei gleichpoligen Magneten aufgefangen wird.
Dieses System hat gegen\u00fcber der gew\u00f6hnlichen Unruhlagerung den Vorteil der geringeren Reibung, gegen\u00fcber dem Pendel ist es weniger lageabh\u00e4ngig (Diese Lagerung vertr\u00e4gt eine Abweichung von ca. 30 Grad gegen\u00fcber der senkrechten, w\u00e4hrend eine Pendeluhr vollkommen senkrecht stehen muss).<\/p>\n\n\n\n
Der wichtigste Punkt am Unruhreif ist die Vermeidung von Unwucht. Eine nicht ausgewuchtete Unruh verusacht den sogenannten Lagefehler, d.h. Abweichungen bei der Zeitmessung, abh\u00e4ngig von der Lage der Uhr. Dieser Fehler tritt aber nur bei einer stehenden Uhr auf (d.h. bei waagrecht liegender Unruhwelle), da bei einer Uhr die auf dem Geh\u00e4useboden oder dem Zifferblatt liegt, die Unwucht der Unruh keine Rolle spielt.
Es gibt drei Methoden, die Unwucht zu verringern, bzw. unwirksam zu machen:<\/p>\n\n\n\n\n
Es gibt von der Geometrie der Feder her im wesentlichen drei Bauformen:<\/p>\n\n\n\n\n
Diese Fehler k\u00f6nnen durch Einf\u00fchrung der aufgebogenen oder Breguet-Spirale (nach ihrem Erfinder A. L. Breguet) veringert werden. Dabei wird das \u00e4ussere Ende der Spiralfeder (befestigt im Spiralkl\u00f6tzchen) aus der Ebene der Spirale aufgebogen und in eine festgelegte (und mathematisch bestimmbare) Form gebogen. Man bezeichnet diese Formkorrektur der Spirale auch als \u00e4ussere Endkurve.
Bei Marinechronometern und einigen sehr hochwertigen Taschenuhren wird die Zylindrische Spirale verwendet. Die Spirale hat die Form einer gew\u00f6hnlichen Feder in der Technik, allerdings werden an beiden Enden Endkurven angebracht, die eine noch gleichm\u00e4ssigere Entfaltung der Spirale zulassen. Nachteil dieser Form ist die gr\u00f6ssere Bauh\u00f6he, die eine Verwendung in Armbanduhren nicht zul\u00e4sst und in Taschenuhren wesentlich erschwert, ein anderer Punkt ist, dass diese Federform nicht mit einem R\u00fccker (T) <\/a>reguliert werden kann.<\/p>\n\n\n\n\n
Zur Beseitigung bzw. Verringerung des Temperaturfehlers gibt es drei Methoden:<\/p>\n\n\n\n\n
\n
<\/a>3.3.4. Das Torsionspendel<\/strong> <\/h3>\n\n\n\n