Inhalte auf dieser Seite
Spirale
Die Erfindung des Unruhschwingsystems geht auf Christiaan Huygens zurück, der im Jahre 1675 sein Prinzip der Sociötö Royale präsentierte.
„Das Geheimnis der Erfindung liegt in einer Feder, die in Form einer Spirale gewunden ist und die an ihrem inneren Ende mit der Achse einer ausgewuchteten Unruh verbunden ist. Die Unruh ist in ihren Lagern drehbar gelagert. Das äußere Ende der Spiralfeder wird von einem Kloben, der an der Platine befestigt ist, gehalten.R. Straumann- Nivarox u. Nivaflex Erfinder
Die letzte Behauptung stimmt nicht ganz, und den nachfolgenden Uhrmachergenerationen wurden damit erhebliche Probleme aufgegeben. Huygens beruft sich auf das nach Hooke benannte Elastizitätsgesetz – was nahe lag, da Hooke sich ebenfalls mit der Konstruktion eines aus Unruh und Feder bestehenden Schwingsystems befasst hat.
Im Gegensatz zu Huygens verwendete Hooke eine gestreckte Feder. Er erreichte damit allerdings weit weniger gute Ergebnisse als Huygens, ein Beweis dafür, dass es auf die Form der Feder maßgebend ankommt.
An einem aus Unruh und Spiralfeder bestehenden Schwingsystem tritt das Problem des lsochronismus in ähnlicher Weise auf wie bei Pendel – die Schwingungszahl ist abhängig von der Amplitude. Gegenüber dem Pendel unterscheidet sich das Unruhsystem auf zweifache Weise: während beim Pendel die Gravitation als rückstellende Kraft dient, erfüllt beim Unruhsystem die elastische Deformationsenergie des Federmaterials die Aufgabe. Beim Pendel betragen die Amplituden wenige Winkelgrade, bei der Unruh 270 bis 300 Grad.
In der Frage der Ganggenauigkeit von Uhren muss man sich vor Augen halten, dass die genaue Zeitanzeige einzig und allein von der Konstanz der Schwingfrequenz des gangregulierenden Systems abhängt. Gelingt es, diese unbeeinflusst von Störungen zu gewährleisten, so hat man eine genau gehende Uhr. Da der mangelhafte Isochronismus die Hauptfehlerquelle ist, sind die vielen Bemühungen zu seiner Verbesserung verständlich.
Für den Anisochronismus des Schwingsystems Unruh – Spiralfeder gibt es eine ganze Reihe von Ursachen. Sie sind nicht so leicht zu beherrschen wie beim Pendel, da sie einerseits mit der Form der Feder und mit der Konstruktion des Uhrwerks, andererseits mit den Eigenschaften des Federmaterials zusammenhängen. Teilweise verstärken sich die Einflüsse, teilweise heben sie sich gegenseitig auf. Ein absolut isochrones Schwingsystem Unruh – Spiralfeder gibt es bis heute nicht.
Folgende Ursachen sind für den Anisochronismus verantwortlich:
Die Spiralfeder ist an ihrem inneren und äußeren Ende fest eingespannt, die Deformation erfolgt also nicht frei. Dadurch bleiben bei der Schwingung die einzelnen Spiralbögen nicht konzentrisch zum Drehmittelpunkt, sondern verformen sich einseitig in Abhängigkeit von dem Winkel, den die Einspannstellen miteinander bilden. Diesen bezeichnet man als „Ansteckwinkel“.
Während der Schwingung verlagert sich der Schwerpunkt der Spiralfeder aus der Mitte. Bei waagrechter Lage der Unruhachse entsteht dadurch ein zusätzliches Drehmoment.
Bei der Drehbewegung werden die Spiralfederwindungen durch die Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen getrieben. Der Einfluss ist um so stärker, je größer die Amplitude und damit die Winkelgeschwindigkeit ist.
Das Spiel zwischen den Rückerstiften bewirkt einen Nachgang bei kleinen Amplituden. Je größer das Spiel, um so größer der Nachgang.
Weil die Schwingung der Unruh nicht völlig frei ist, sondern über einen bestimmten Winkel durch die Hemmung mit dem Räderwerk verbunden ist, entsteht Nachgang bei kleinen Amplituden.
Die Reibung in den Unruhlagern und die Luftreibung sind abhängig von der Geschwindigkeit und damit von der Amplitude.
Das Hookesche Gesetz gilt für Stahl, Eisen Nickel – Legierungen oder andere ferromagnetische Materialien nicht exakt. Es entsteht Vorgang bei kleinen Schwingungen, weil bei geringer elastischer Deformation der Elastizitätsmodul ansteigt.
Den Uhrmachern des 19. Jahrhunderts waren diese Ursachen des Anisochronismus nicht so gut in allen Einzelheiten bekannt wie den Technikern heute. Trotzdem gelang es Abraham-Louis Breguet um 1800 durch praktische Versuche und dem französischen Mathematiker Edouard Philipps 1861 durch theoretische Berechnungen, die Hauptfehlerquellen des Anisochronismus zu beseitigen. Sie gaben der äußersten Windung der Spiralfeder eine besondere Form, die sogenannte Endkurve.
Im Jahre 1900 fand Caspari, dass unter gewissen Bedingungen eine Spiralfeder auch ohne Endkurve isochron schwingt:
„Vorausgesetzt, die Anzahl der Windungen ist genügend groß (mindestens 10), so gibt es in jeder einzelnen Windung zwei diametral entgegengesetzte Punkte, die mit dem Befestigungspunkt der Spiralfeder einen Winkel von 90 Grad bilden, welche Isochronismus gewährleisten, wenn man sie als Ansteckpunkt an der Rolle wählt“.
Einen grundsätzlich anderen Weg gibt es, um die unter 1. und 2. genannten Störungen zu beheben: Statt einer Flachspirale verwendet man, wie es John Arnold (1736 bis 1799) in Marinechronometern tat, eine Zylinderspirale. Bei dieser Art von Feder bleibt der Schwerpunkt während der Schwingung immer auf der Unruhachse. Eine solche Feder erfordert allerdings eine größere Bauhöhe des Werks, so dass man sie heute außer in Marinechronometern nur gelegentlich in Großuhren findet.
Noch mehr Scharfsinn und Erfindungsgeist als an das Schwingsystem wendeten die Uhrentechniker an die Konstruktion der Hemmung.
Die Hemmung hat nicht nur, wie ihr Name sagt, die Aufgabe, das Ablaufen des Räderwerks zu hemmen, indem sie dieses nur schrittweise vorrücken lässt, sondern sie ist auch für den Antrieb des Schwingsystems zuständig. Damit dieses möglichst ungestört in seiner Eigenfrequenz schwingen kann, sind folgende Bedingungen zu erfüllen:
- Konstanz der Antriebskraft: Die Obertragung der Antriebskraft auf das Schwingsystem soll nach Möglichkeit gleichmäßig erfolgen. Setzt man voraus, dass die auf das Schwingsystem wirkenden Reibungskräfte, wie Reibung in den Unruhlagern, Luftreibung, innere Reibung des Spiralfedermaterials, sich nicht ändern, so erreicht man damit eine konstante Amplitude des Schwingsystems. Fehler im Isochronismus würden dann nicht stören.
- Antrieb über einen möglichst kleinen Winkel: Da über die Dauer des Antriebs des Schwingsystems dessen Eigenfrequenz gestört wird, soll der Antrieb über einen möglichst kleinen Schwingungsbogen erfolgen. Während der übrigen Schwingung soll die Unruh völlig frei sein.
- Antrieb im Nulldurchgang: Theoretisch ergibt sich keine Störung der Eigenfrequenz des Schwingsystems, wenn der Antrieb der Unruh ganz exakt immer dann erfolgt, wenn sie ihre größte Drehgeschwindigkeit erreicht hat. In diesem Zustand ist die Spiralfeder völlig entspannt. Da dies der Gleichgewichtslage bei Stillstand der Unruh entspricht, nennt man diesen Punkt den „Nulldurchgang“. Erfolgt der Antrieb vor dem Nulldurchgang der Unruh, so erhält man Vorgang der Uhr. Umgekehrt geht die Uhr nach, wenn der Antrieb später als der Nulldurchgang erfolgt.
Was Werkteile betrifft, so ist die Fabrikation der Spirale besonders interessant. Handelt es sich doch um ein Element, an das bei seiner Kleinheit die höchsten Ansprüche gestellt werden müssen. Das Ausgangsmaterial bilden Speziallegierungen auf Eisen – Nickel Basis, die im Vakuumguss hergestellt werden. Durch Strangpressen, Warm- und Kaltwalzen entsteht daraus Draht von etwa 1 mm2 Querschnitt.
Der Draht wird auf Maschinen mit Diamantziehsteinen auf die erforderlichen Abmessungen heruntergezogen. Das Verhältnis der Querschnittabnahme der Durchmesser des gezogenen Drahtes und die Form des Querschnitts werden laufend kontrolliert, da die Qualität des Endproduktes wesentlich von der Sorgfalt abhängt, die jedem Herstellungsschritt zugewandt wird. Für die letzte Ziehoption wird ein besonders polierter Schlussstein verwendet, der den Durchmesser des Drahtes auf 1/10 Mikron genau bestimmt.
Der Draht wird dann mittels Hartmetallwalzen zu einem Band von genau vorgegebener Dicke und Breite flachgewalzt. Die Anforderungen an Genauigkeit und Gleichmäßigkeit sind extrem, Herstellung und Kontrolle des Bandes erfolgen in klimatisierten Räumen, die Abmessungen unterliegen einer fortlaufenden strengen Prüfung.
Das gewalzte Band von einigen Zehntelmillimeter Breite und einigen Hundertstelmillimeter Dicke wird auf Länge geschnitten, und die einzelnen Abschnitte werden zu dritt, viert, fünft oder sechst um einen Dorn in ein Gehäuse gewickelt. In diesem Gehäuse erfolgt die Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen von etwa 700 Grad C. Durch die Wärmebehandlung wird zweierlei erreicht: die Federn nehmen die gewünschte Spiralform an, und gleichzeitig findet ein Ausscheidungsvorgang in der Legierung statt, durch den außer der erforderlichen Härte auch der angestrebte thermoelastische Koeffizient eingestellt wird.
Die Vorschrift der Wärmebehandlung muss streng eingehalten werden, da die Handelsqualität der Spiralfeder nach dem Temperaturkoeffizienten bemessen wird. So gilt für die höchste Qualitätsstufe, dass der Gang der Uhr nicht mehr als 0,6 Sekunden pro Tag und Grad Celsius variieren darf. In der Praxis werden Werte erreicht, die bei 0,1 Sekunden pro Tag und Grad Celsius und darunter liegen.
Ebenfalls muss der „Sekundärfehler“, d. h. die Größe der Nichtlinearität der Gangabweichung in Funktion der Temperatur, möglichst klein gehalten werden. Besondere Anforderungen an die Feder werden zusätzlich durch den Großserienbau von Uhren gestellt. So muss die Federkraft äußerst exakt eingehalten werden, damit der geforderte Ansteckpunkt ohne nachträgliche Korrektur erreicht wird. Um diese Bedingung zu erfüllen, ist es nötig, dass die Dickentoleranz auf 0,1 bis 0,2 Mikron eingeengt wird, ein Wert, der unterhalb der Lichtwellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt.
Die Befestigung der Spiralfeder an ihren beiden Enden ist ein Problem für sich. Dies zeigt schon die stattliche Zahl von über 400 Patenten, die in teils recht phantasievoller Weise eine Lösung dieser Aufgabe vorschlagen. Das innere Ende der Feder wird in der Regel an einer Rolle aus Messing befestigt, die auf die Achse der Unruh gesteckt wird. Die Verbindung von Feder und Rolle geschieht durch Verstiften, Nieten, Kleben oder Schweißen. Durch die Verwendung einer Rolle ist die Möglichkeit gegeben, die Spiralfeder auf der Unruhachse zu verdrehen und damit die Null-Lage genau einzustellen.
Das Hauptproblem liegt in der Kleinheit der zu verbindenden Teile, der Labilität und Empfindlichkeit der Spiralfeder bei der Handhabung, der Forderung nach Rund und Flachlauf und nach dauerhafter Festigkeit der Verbindung. So würde die Änderung der wirksamen Spiralfederlänge um nur 1/1o mm den Gang einer Armbanduhr schon um 20 Sekunden pro Tag ändern. Eine sorgfältige Kontrolle ist daher unerlässlich.
Massenträgheitsmoment der Unruh und Richtmoment der Spiralfeder haben beide gewisse Fabrikationstoleranzen. Das kann dazu führen, dass beispielsweise bei der Kombination einer leichten Unruh mit einer Feder mit etwas höherem Richtmoment die Frequenz des Systems so hoch wird, dass der Ansteckpunkt außerhalb des Sollwerts liegt oder die Uhr sich überhaupt nicht mehr regulieren lässt.
Eine industrielle Lösung wird durch Auswahl und geeignete Paarung von Unruh und Spiralfeder bewerkstelligt. Dazu werden die Unruhen und die Spiralfedern einzeln gemessen und nach ihrem Trägheitsmoment bzw. Richtmoment in Gruppen sortiert. Der Unterschied von Gruppe zu Gruppe beträgt in Gangdifferenz ausgedruckt 120 Sekunden pro Tag. Durch Kombination der zusammengehörenden Gruppen wird die gewünschte Frequenz bei gleichbleibendem Ansteckpunkt erreicht.
Formen der Spirale im Detail
Die flache Spirale: Sie wird in der einfachen Uhr verwandt, weil sie leicht herzustellen und leicht zu ersetzen ist. Ihr Nachteil besteht darin, dass sie sich beim Schwingen des Systems, Unruh – Spiralfeder nicht gleichmäßig entwickelt, wir sagen auch, nicht gleichmäßig atmet. Dadurch bringt sie unerwünschte Spannungen und Zapfenreibungen sowie außermittige Schwerpunkte, in das System. Diese Mängel bleiben meist innerhalb der Grenze von 5 Sekunden täglich und haben daher für einfache Uhren keine Bedeutung.
Die aufgebogene Spirale: Sie wurde zur Minderung dieser Mängel um das Jahr 1800 von Breguet erfunden. Durch Aufbiegung des letzten Umgangs kann diese flache Spiralfeder freier atmen. In feinsten Uhren ist ihre Anwendung daher erforderlich. Sie gestattet außerdem die Anbringung einer Endkurve, die bei feinen Uhren ebenfalls erforderlich ist.
Die zylindrische Spirale: Diese wird zumeist in Chronometern verwandt. Sie erfordert eine größere Höhe des Werks. Ihr Vorteil besteht darin, dass man das Atmen leichter beeinflussen kann und durch Anbringung zweier Endkurven leichter isochrone Schwingungen erreicht. Für die Verwendung in Taschen und Armbanduhren ist sie nicht geeignet, weil die erforderliche Höhe nicht vorhanden ist.
Größen der Spirale
Der Durchmesser der abgezählten Spiralfeder soll nicht kleiner als 1/2 und nicht größer als 2/3 des Unruhdurchmessers sein, gemessen über die Schrauben. Am besten nur etwas über 1/2. Eine zu große Spiralfeder verlagert ihre außermittigen Schwerpunkte zu weit nach außen und bringt daher größere Lagenfehler. Die Anzahl der Umgänge soll 13 bis 14 betragen.
Eigenschaften der Spirale
Sie soll möglichst elastisch, Temperatur unabhängig, unmagnetisch und oxydfest sein. Diese Anforderungen werden am besten von der „Nivarox“-Spirale erfüllt.
Störungen der Spirale
Die Störungen, denen Unruh und Spiralfeder als Gangregler ausgesetzt sind, lassen sich unterscheiden in äußere, d. h. von außen kommende Störungen, und innere, aus der Spiralfeder und der Hemmung entstehende Störungen. Es können auftreten:
- Störungen durch äußere Erschütterungen,
- Störungen durch Temperaturänderungen (Wärmefehler),
- Störungen durch die verschiedenen Lagen, in der die Uhr getragen wird (Lagenfehler),
- Störungen durch Änderung des Luftdrucks,
- Störungen des Isochronismus.
Die Nivarox-Spirale im Detail
Erst Dr. R. Straumann (Bild oben) gelang nach langer mühevoller Arbeit die Herstellung einer Spirale, die er als nicht variabel und oxydfest (Nivarox) bezeichnete. Sie ist aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 30 bis 40’/o Nickel und gewissen Zusätzen, die die elastischen Eigenschaften verbessern, hergestellt. Der Effekt der Thermokompensation, der auch als Selbstkompensation bezeichnet wird, ist abhängig vom Zustand des Stoffes, und zwar erstens vom elastischen Zustand und zweitens vom Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Eisen-Nickel-Legierung.
Letzterer ist so klein, dass er weder nach außen wirksam wird noch, bei üblichem Gebrauch, von außen beeinflussbar ist. Im Zusammenwirken dieser beiden kann bei richtiger Wahl der Legierungszusätze sowie durch entsprechende Kaltverformung und durch die Wahl einer geeigneten Wärmebehandlung der thermoelastische Koeffizient auf 0 gebracht werden. Der Vorgang ist sehr kompliziert. Seine Beschreibung geht über den Rahmen der Aufgabe dieser Home Page hinaus. (Interessenten seien die Berichtshefte der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie empfohlen.)
Wichtig für den Uhrmacher ist aber das Wissen über die Eigenschaften und die Behandlung dieser Spiralen in Uhren. Hier sei daher zunächst die Zusammenstellung der Leistungen, aufgegeben vom Hersteller Carl Haas, wiedergegeben.
Diese Spiralen werden mit einmetallischer, geschlossener Unruh verwendet. Bei Kenntnis des Temperaturfehlers der Unruh kann dieser mit eingeschlossen werden, womit dann die Spirale auch der Unruh angepasst ist.
Eine weitere wichtige Eigenschaft besteht darin, dass die Nivarox-Spirale isochrone Schwingungen schafft. Der Elastizitätsmodul wird durch Kaltverformung und Wärmebehandlung sowie durch geeignete Wahl der Abmessungen der Spirallänge und der Klingenstärke so beeinflusst, dass er das durch die Hemmung hervorgerufene „Nachgehen in kleinen Schwingungen, durch ein Nachgehen in großen Schwingungen“ zu isochronen Schwingungen ergänzt.
Die dritte Eigenschaft besteht in der Sicherung der beiden vorgenannten Eigenschaften durch eine Stabilisierung. Bei Präzisionsuhren ist es nämlich wichtig, dass sich die elastischen Spannungen und damit der elastische Koeffizient auch über Jahre hinaus nicht verändert. Die Spiralen machen daher am Ende ihrer Fabrikation einen 24stündigen Wärmezyklus durch, in welchem alle atomaren Vorgänge, die ohne diese Behandlung in den nächsten Jahren, ablaufen würden, vorweggenommen werden. Die so fixierten Spannungen dürfen dann durch Biegen an der Spirale nicht wieder zerstört werden. Ein sekundärer Fehler, wie ihn die Stahlspiralen haben, ist bei den Nivarox-Spiralen praktisch nicht mehr vorhanden. Die Dämpfung ist sehr gering und nicht größer als bei den Stahlspiralen.
Blick in die Fertigung einer Spirale
Die Uhrenindustrie hat für eine Reihe von Ländern eine wirtschaftliche Bedeutung ersten Ranges. In Westeuropa sind dies die Schweiz, Deutschland, Frankreich, im Ostblock Russland, in Amerika die Vereinigten Staaten und im Fernen Osten Japan.
Die Konzentration der Uhrenindustrie in diesen Ländern steht in engem Zusammenhang mit der Art der Fertigung, die ein Musterbeispiel für Großserienproduktion darstellt. So werden vorgefertigte Uhrwerke, die sogenannten Rohwerke, in großer Stückzahl hergestellt, in anderen Betrieben mit Zifferblättern und Zeigern versehen und in die unterschiedlichsten Gehäuse eingebaut. Die Rohwerkfabriken weisen einen außerordentlich hohen Grad der Automatisierung auf und sind in der Lage, die Werke sehr preisgünstig herzustellen. Die Erzeugnisse zeichnen sich durch hohe technische Perfektion aus und sind qualitativ hochwertig – auch dies eine Folge der automatischen Fertigung.
Dazu muss man sich vor Augen halten, dass die erheblichen Investitionen, die eine automatische Fertigung erfordert, sich nur lohnen, wenn das hergestellte Produkt technisch einwandfrei durchkonstruiert ist und über viele Jahre unverändert gebaut werden kann. Außerdem verlangt die automatische Fertigung die Einhaltung besonders enger Toleranzen, da Nacharbeiten bei der Montage in der Regel nicht durchführbar sind. Die engen Toleranzen führen zu einem sehr gleichmäßigen Produkt von hoher Qualität.
Neben Betrieben der geschilderten Art gibt es auch einige Großunternehmen, die die komplette Uhr, vom Rohwerk bis zum verkaufsfähigen Erzeugnis, selbst herstellen. Zugekauft werden nur ganz bestimmte Teile, wie Triebfedern, Spiralfedern, Hemmungsteile und Lagersteine, ferner modisch bedingtes Zubehör, wie Zeiger, Zifferblätter und Gehäuse, für deren Produktion Spezialfabriken zuständig sind. Charakteristisch für den Aufbau einer solchen Uhrenfabrik ist die Zweiteilung der Fertigung.
Die Herstellung der Einzelteile, wie Räder, Triebe, Wellen, Unruhen, erfolgt auf einer großen Zahl automatisch arbeitender Maschinen, die oft zu Hunderten in ausgedehnten Hallen stehen und von nur wenigen Spezialisten betreut werden. In diesen Automatensälen wird in Zeiten guter Konjunktur in drei Schichten, also 24 Stunden am Tag, gearbeitet.
Die Automaten arbeiten außerordentlich schnell, von gewissen Teilen stellen sie stündlich 1000 Stück und mehr her, es geht geräuschvoll zu, eine sorgfältige Arbeitsvorbereitung und eine durchdachte Organisation sind notwendig. Nur so kann gewährleistet werden, dass die erforderlichen Einzelteile in der benötigten Stückzahl zur richtigen Zeit bei der Montage zur Verfügung stehen.
Ganz anders ist die Atmosphäre im zweiten Teil der Fertigung, der Montage und der Kontrolle. Hier sitzen die Arbeiter und Arbeiterinnen in langen Reihen an ihren individuellen Arbeitsplätzen und fügen aus den angelieferten Einzelteilen das Uhrwerk zusammen. Hier herrscht eine erholsame Ruhe. Das Fließband, das in der Montage von Automobilen eine so bedeutende Rolle spielt, fehlt in der Uhrenfabrik oft ganz.
Dafür sind die Arbeitsplätze so eingerichtet, dass der Tagesbedarf der zu montierenden Teile in Magazinen bereitsteht, wodurch jeder Arbeiter die Möglichkeit hat, die für ihn optimale Arbeitsgeschwindigkeit einzuhalten. Im Gegensatz zur Maschinen Automobilindustrie, besteht in der Uhrenfertigung kein Transportproblem für die Einzelteile: Diese sind leicht und einfach zu transportieren, die Transportwege sind kurz.
