Die Hemmung

Die Befolgung des oft missbrauchten Mottos "nur keine Hemmung" hätte auch in einer Uhr katastrophale Auswirkungen. Denn eine Hemmung macht aus einem federgetriebenen Maschinchen erst ein Zeitmessgerät. Dabei ist sie gleichzeitig Treiberin und Getriebene.

Die Hemmung besteht aus Anker und Ankerrad. Der Anker hat seinen Namen, weil er in seiner gebräuchlichsten Form einem Schiffsanker ähnelt, das Ankerrad trägt seine Bezeichnung wegen der Zusammenarbeit mit ihm.

Grob umrissen ist die Funktion der Hemmung, zunächst die Drehbewegung der Uhrwerksräder zu stoppen, zu hemmen. Gleichzeitig ist es ihre Aufgabe, die Drehbewegung des Ankerrades in eine Pendelbewegung des Schwingsysteme (Pendel oder Unruh) umzuwandeln. Das Schwingsystem verhindert umgekehrt, dass die Hemmung zum "Totalblockierer" wird, denn Pendeloder Unruh zwingen die Hemmung dazu, die Drehung des Räderwerkes schrittweise wieder zu gestatten, es "freizugeben".

Im Französischen heißt eine Hemmung deshalb "echappement", die englischen Uhrmacher sprechen vom "escapement". Beides steht für "entkommen", "entrinnen", also letzich "sich befreien". Hier wird man an das volle Glas des Optimisten und das halb leere Glas des Optimisten und das halb leere Glas des Pessimisten erinnert- identischer Sachverhalt, unterschiedliche Sichtweise. In der deutschen Uhr wird angehalten, gehemmt- in angelsächsischen und französischen Zeitmessern wird befreit. Aber um der Wahrheit die Ehre zu geben, auch in Uhren aus England und Frankreich muss zunächst gehemmt werden, und erst dann darf etwas davonlaufen- das Räderwerk nämlich. Und es läuft trotz Hemmung, immer noch rasend schnell.

Viel Kraft für nur kurze Zeit

Ein Uhrwerk ohne Hemmung unterscheidet sich in der Wirkungsweise nicht wesentlich von den heute als Raritäten zu hohen Preisen gehandelten federgetriebenen Spielzeugen, die ja bekanntlich auch alle paar Minuten neu aufgezogen werden müssen.

Da Übersetzungen im Verhältnis 1:1 im Uhrwerk (ausser im zeigerwerk in indirekter Form) nicht vorkommen, ändert sich in jedem Eingriff die Drehzahl. Gleichzeitig verringert sich bekanntlich das Drehmoment. Verglichen mit der Kraft, die beim Ankerrad ankommt, ist das von der Zugfeder an das Federhaus abgegebene Drehmoment gewaltig.

Auch die auf dem Weg vom Ferderhaus zum Ankerrad auftretende Drehzahländerung ist enorm. Wenn sich das behäbige Federhaus erst einmal gedreht hat, kann das gehetzte Ankerrad schon auf hunderte von Runden zurückblicken. Es kann deshalb durchaus passieren, das ein zarter Ankerradzapfen, insebesondere , wenn der ihn umgebende Ölfilm nicht mehr einwandfrei ist, von der eigenen Geschwindigkeit einfach abgerissen wird, wenn das voll aufgezogene Uhrwerk ungebremst abläuft.

Ohne Hemmung, genauer ohne Anker, läuft ein voll aufgezogenes Uhrwerk in kürzester Zeit ab. Bei Kleinuhren dauert dies weniger als eine Minute, bei Großuhren kann darüber schon einmal eine halbe Stunde vergehen. Eine Hemmung dient also einerseits dazu, den unkontrolierten, raschen Ablauf des Räderwerkes zu verhindern (zu hemmen). Andererseits wird die durch das Räderwerk übertragene und dabei stark reduzierte Kraft der Zugfeder umgeformt und auf das Schwingsystem übertragen.

Der unvollkommene Antrieb

Jedes Zahnradgetriebe ist im Grunde ein Zugeständnis der theoretisch-physikalischen Möglichkeiten an das praktisch Machbare. Theoretisch sind zwei kreisrunde Scheiben, die rutschfrei aufeinander abrollen, der Idealfall eines Antriebs. Leider lässt die Theorie dieses Idealantriebs die Widrigkeiten der rauen Praxis unberücksichtigt, wie zum Beispiel verschleiß der aufeinander abrollenden Oberflächen, Schlupf (also das Rutschen der Scheiben aufeinander), ungenaue Lagerung. Unwuchten und vieles mehr. Deshalb hat man sich im Maschinen- und Uhrenbau für die nur zweitbeste, dafür aber praktisch zu verwirklichende Möglichkeit entschieden, die Verzahnung. Während man im Maschinenbau häufig Zahnräder mit dreieckigen Zähnen antrifft, deren Zahnspitzen abgeflacht sind, wird bei der Uhrenherstellung die so genannte (Pseudo) Zykloidenverzahnung verwendet.

Zwei Berechnungssysteme

Uhrwerksträger tragenfür Laien etwas missverständliche Bezeichnungen. So heißt das Minutenrad nicht so , weil es sich in der Minute einmal dreht,sondern weil es demMinutenzeiger trägt. Ebenso ist es mit dem Sekundenrad, auf dessen Zapfen der Sekundenzeiger sitzt, das sich aber einmal in einer Minute dreht. Am Beispiel dieser beiden Räder wird deutlich, dass der Konstrukteur bei der Entwicklung eines Uhrwerkes nicht ganz frei ist. Er hat das Minutenrad und dessen Trieb so zu entwerfen, dass es sich stündlich einmal dreht und das Sekundenrad dabei 60 Umdrehungen vollführt. Wie schnell sich dabei die anderen Räder des Uhrwerkes drehen, welche Zahnzahlen man für Räder und Triebe wählt, wie lang und wie stark die verwendete Zugfeder ist, oder mit wie vielen Halbschwingungen pro Stunde die Unruh arbeitet- all dies ist ist für die Zeitanzeige einer Uhr unwichtig, solange nur die Übersetzungszahlen so gewählt werden,dass Minuten- und Sekundenrad die vorgeschriebene Drehzahl einhalten. Das Stundenrad, das den von vielen Leuten als "kleiner" Zeiger bezeichneten Stundenzeiger trägt, macht seine Runde einmal in zwölf Stunden. Es ist aber nicht mehr Bestandteil des Räderwerkes, sondern gehört zum Zeigerwerk. Diese Konstruktionsmerkmale erlangen erst Bedeutung bei der Überlegung, wie lange eine Uhr nach einmaligem Aufzug gehen soll oder welche Art von Hemmung oder Schwingsystem man verwenden möchte. Denn natürlich dreht sich ein Minutenrad nur ungefähr einmal pro Stunde. Mit der Auswahlund dem Zusammenspiel der übrigen Uhrwerksteile versucht der Uhrmacher das Optimum zu erreichen, dass sich das Minutenrad in genau einer Stunde einmal dreht und der Sekundenzeiger sein kleines Zifferblatt nach einer Stunde genau 60 malmit seinen ruckartigen Schrittchen umrundet hat. Ein voll aufgezogenes Armbanduhrwerk liefe in weniger als einer Minute ab, würde es nicht durch Hemmung und Unruh daran gehindert. Einziges sichtbares Zeichen für deren Arbeit ist die holprige Art, in der der Sekundenzeiger seine Runde dreht.

Die Antriebskraft bei Uhren

Die Feder von heute

Die Entwicklung der heute verwendeten Federn geht auf den Schweizer Ingenieur Max Staumann zurück, der Anfang der fünfziger Jahre unter dem Namen „Nivaflex“ eine Neuentwicklung auf dem Gebiet der Uhrenfedern vorstellte. Staumann hatte in zahlreichen Experimenten eine Legierung aus eisen, Nickel,, Chrom, Kobalt, Beryllium und weiteren Zusatzstoffen zusammengestellt. Federn aus diesem Wirkstoff sind rostfrei, bruchsicher, nicht magnetisierbar und ermüdungsfrei. Eine Nivaflex-Feder kann 10.000 mal aufgezogen werden, ohne ihre Kraft zu verlieren, versieht also, geht man von täglichem Aufzug aus, mehr als 27 Jahre zuverlässig ihren Dienst. Die heute gebräuchlichen Federn sind mit einer speziellen Gleitschicht versehen, die eine Schmierung durch den Uhrmacher überflüsig macht und für eine geringe Reibung der einzelnen Federumgänge aneinander sorgt.

Die Feder von heute

Die Entwicklung der heute verwendeten Federn geht auf den Schweizer Ingenieur Max Staumann zurück, der Anfang der fünfziger Jahre unter dem Namen „Nivaflex“ eine Neuentwicklung auf dem Gebiet der Uhrenfedern vorstellte. Staumann hatte in zahlreichen Experimenten eine Legierung aus eisen, Nickel,, Chrom, Kobalt, Beryllium und weiteren Zusatzstoffen zusammengestellt. Federn aus diesem Wirkstoff sind rostfrei, bruchsicher, nicht magnetisierbar und ermüdungsfrei. Eine Nivaflex-Feder kann 10.000 mal aufgezogen werden, ohne ihre Kraft zu verlieren, versieht also, geht man von täglichem Aufzug aus, mehr als 27 Jahre zuverlässig ihren Dienst. Die heute gebräuchlichen Federn sind mit einer speziellen Gleitschicht versehen, die eine Schmierung durch den Uhrmacher überflüsig macht. Und für eine geringe Reibung der einzelnen Federumgänge aneinander sorgt.

Das Räderwerk

Die teile des Räderwerkes Bekleiden in einer mechanischen Uhr die Rolle eines Industriearbeiters, dessen Leistung für das Gesamtwerk kaum erwähnt wird und doch wichtig und unterlässlig ist. Selten treten die "Mitarbeiter der Abteilung Räderwerk" einer Uhr öffentlich in Erscheinung. Unruh und Anker, Zeiger und Zifferblatt stehen ständig im Rampenlicht. Aber wer weiß schon, was ein Kleinbodenrad ist oder ein Sekundenradtrieb. Diese unbekannten Arbeiter, die dafür sorgen, dass die Kraft der Trieb- bzw, Zugfeder, stark umgewandelt, beim Schwingsystem ankommt, verdienen es, besonders erwähnt zu werden. "Das läuft ja wie ein Uhrwerk", sagt man manchmal, wen man darauf hinweisen möchte, dass etwas ganz besonders gut funktioniert. Tatsächlich ist ein präzise gefertigtes und fehlerfrei funktionierendes Räderwerk eine der Voraussetzungen fürden zufrieden stellenden Gang einer Uhr. Das "Räderwerk" ist für Uhrmacher immer zunächst das Zahnradgetriebe, das beim Zahnkranz des Federhauses beginnt und beim Trieb des Ankerrades aufhört.

Die Feder

Die Zugfeder ist das Energie-Paket, das die Uhr in Gang hält. Ein Federgetriebenes Uhrwerk ist die einzige Maschine, die nach einmaliger Energiezufuhr bis zu 45 und bei modernen Automatikuhren bis weit über 50 Stunden ohne Zufuhr von Kraftstoff, Druckluft oder Dampf ihren Dienst versieht. Keine Turbine läuft ohne kontinuierliche Dampfzufuhr, kein Automotor, ohne ständig Kraftstoff zu verbrennen, und der moderne Haushalt kollabiert ohne elektrischen Strom. Quarzuhr und Auto haben eine Gemeinsamkeit: Ist der Tank (die Knopfzelle) leer, dienen beide nur noch dazu, uns unsere Abhängigkeit non ihnen zu demonstrieren. Die Frage, ob eine Zugfeder nun, im übertragenen Sinn, Kraftstoff oder Motor ist, lässt sich nicht ganz einfach beantworten- sie ist beides. Nun darf man sich eine Uhrfeder nicht wie ein Gummiband vorstellen, das man in die Länge ziehen kann, und das, wieder losgelassen, sich entspannt und anschließend schlaff herunterhängt. Auch die Feder einer abgelaufenen Uhr verfügt noch über eine beträchtliche Restspannung und würde sich noch ein ganzes Stück ausdehnen, wenn sie in der Uhr den Platz dazu hätte plötzlich gebrochen waren, gehörte früher, als noch ausschließlich die heute nicht mehr Zugfedern sind im Sinne des Wortes stahlhart, haben ein stark verdichtetes Molekularsystem und sind entsprechend spröde. Zugfedern zu ersetzen, die ohne einen besonderen Anlass gebräuchlichen Federn aus kalt gewalztem Stahl verwendet wurden, zu den alltäglichen Arbeiten eines Uhrmachers. „Ich habe meine Uhr überdreht“, hört der Fachmann dann von seinen schuldbewussten Kunden. Aber um mit einem weit verbreiteten Irrtum einmal aufzuräumen: Selbst die Trägerin einer Damenuhr müsste eine Zange zu Hilfe nehmen, um die Zugfeder ihres Ührchens zu „überdrehen“. Dies gilt heute mehr denn je, weil die in modernen Uhren verwendeten Federn im normalen Gebrauch unzerbrechlich sind. Ausnahmen bestätigen auch hier die Regel. Die früher so häufig von den Uhrmachern zu erneuernden Zugfedern waren schlichte Flachstahlbänder , die entweder durch Härten und anschließende Wärmebehandlung  eine Materialelastizität oder durch Wälzen in kaltem Zustand eine Eigenspannung erhalten hatten. Diese Federn hatten an beiden Enden ein Loch. Mit dem einen Loch wurde die Feder am Haken des so genannten Federkernes befestigt. Das andere Federende wurde am Haken des Federhauses eingehängt, in das die Feder nun spiralförmig gewunden wurde.Sobald die Aufzugwelle der Uhr gedreht und diese Drehung über Kupplungstrieb, Kupplungsrad und Kronrad auf das Sperrrad  übertragen wird, beginnt auch die Kraftzufuhr für das Uhrwerk. In diesem Moment wird die Zugfeder, die bisher mit ihren Umgängen fest an der Wand des Federhauses anlag, und die mit ihrem Loch an einem am Federkern sitzenden Haken eingehängt ist, zur Federhausmitte gezogen. Mit jeder Kronendehung windet sich die Zugfeder enger um den Federkern. Dabei versucht sie, das Federhaus hinter sich „her zu ziehen“, denn sie möchte sich ja soweit wie irgend möglich wieder entspannen. Das Federhaus beginnt also, sich zu drehen und treibt mit seinem Zahnkranz das Rederwerk der Uhr.

Der Antrieb

Der Antrieb eines Uhrwerkes ist im Prinzip seit Jahrhunderten unverändert: Ein langes, flaches Metallband wird an beiden Enden eingehängt und spiralförmig aufgewunden. Die dabei entstehende,entgegengesetzte Kraft dient dem Uhrenantrieb. Mit dem Bau der ersten tragbaren Uhren musste man sich vom Optimum des Antriebs für Räderwerksuhren verabschieden, dem Gewichtsantrieb. Der Vorteil der Mobilität der Uhren wurde mit dem entscheidenden Nachteil ungleichmäßiger Antriebskraft erkauft. Eine Stand-oder Wanduhr mit Gewichtsantrieb wird mit einem stets gleich bleibenden Drehmoment angetrieben. Verbesserungen der Ganggenauigkeit der Uhr sind nur bei Räderwerk, Hemmung und Schwingsystem (Unruh/Pendel) nötig und möglich. Nicht so bei einer federgetriebennen Uhr. Hier liegt eine der möglichen Ursachen für ungenauen Gang schon im Entspannungsverhalten der Zugfeder, deren Kraftabgabe nicht linear, sondern in einer Kurve verläuft

Das Uhrwerk

Grob gegliedert kann man das Uhrwerk in Antrieb, Räderwerk, Hemmung und Schwingsysteme aufteilen. Bei dieser Gliederung werden aber zwei entscheidende Baugruppen unterschlagen, nämlich das Zeigerwerk, mit dessen Hilfe es erst möglich wird, den kontinuierlichen Lauf eines Uhrwerks mit Zeigern und Zifferblatt in eine praktisch anwendbare Anzeige zu verwandeln, und das, was die Uhrmacher den Aufzug nennen..

Der Aufzug

"Soll ich das Rädchen am meiner Uhr beim Aufziehen in beide Richtungen drehen, oder nur in eine", werden Uhrmacher häufig von Leuten gefragt, die eine mechanische Uhr mit einem Handaufzugwerk tragen. Dem Fachmann ist es meistens zu umständlich, die technischen Einzelheiten zu erklären, und so belässt er es bei der Antwort, dass es gleichgültig ist, ob man beim Aufziehen einer Uhr "das Rädchen"  (die Aufzugskrone) zwischen Daumen und Zeigefinger hin- und herdreht oder ständig nachgreift. Es ist auch tatsächlich gleichgültig, denn aufgezogen wird die Uhr eh nur in eine Richtung, und zwar meistens beim Drehen der Krone im Uhrzeigersinn (von der Mitte der Krone aus gesehen).