Der Aufbau eines mechanischen Uhrwerks
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Aufbau eines mechanischen Uhrwerks
Ein mechanisches Uhrwerk ist komplex und ein wahres Wunderwerk der Technik. Die Feinmechanik in einem Uhrwerk muss nicht nur präzise, sondern auch langlebig sein. Dabei ist der grundsätzliche Aufbau in einem kleinen Automatikwerk, wie es in einer Rolex etwa zum Einsatz kommt, nicht anders als bei einer Großuhr. Lediglich das Schlagwerk findet man bei Armbanduhren selten (diese Komplikation gehört zu den teuersten und aufwändigsten Komplikationen überhaupt).
Vom Räderwerk über das Antriebswerk und den Gangregler bis hin zur Hemmung: In diesem Beitrag zeigt unsere Redaktion den grundsätzlichen Aufbau eines mechanischen Uhrwerks. Gerade für Wand- und Standuhren ist dieser Aufbau typisch, aber auch kleine Uhrwerke für Armbanduhren funktionieren mehr oder weniger nach genau diesem Aufbau.
Eine Uhr, egal ob Taschenuhr, Standuhr oder Armbanduhr besteht in der heute bekannten Form aus 4 wesentlichen Teilen:
- das Räderwerk
- das Antriebswerk
- dem Gangregler
- der Hemmung
- das Schlagwerk
Das Räderwerk
Es handelt sich dabei um das Rad, an welchen die Antriebskraft wirkt. Je nach Uhrentyp hat dieses Rad unterschiedlichen Bezeichnungen. Bei Gewichtsuhren heißt es Walzenrad, bei Federuhren mit freiliegender Feder heißt es Federrad, bei Federuhren mit umlaufendem Federhaus wird dieses Federrad durch den Zahnkranz am Federhaus ersetzt. Dieses Federrad greift bei Uhren mit kurzer Gangdauer in den Antrieb der Welle, die für die Bewegung des Minutenzeigers verantwortlich ist, ein. Deshalb wird dieser Antrieb auch Minutentrieb genannt – das entsprechende Rad heißt logischerweise Minutenrad.
Bei Uhren mit langer Gangdauer befindet sich zwischen Walzenrad (oder Federhaus) und dem Minutenantrieb ein sogenannter Zwischenantrieb, der Beisatztrieb mit dem Beisatzrad. Vom Minutentrieb wird die Bewegung auf den Bodentrieb und Bodenrad übertragen, das das letzte Rad in dieser Reihe, das Steigrad, antreibt. Dieses letzte Rad hat mit der Zeitanzeige nichts zu tun, es dient zur Gangregulierung. Möchte man noch eine Sekundenanzeige, setzt man zwischen Bodenrad und Steigtrieb noch einen Sekundentrieb mit Sekundenrad.
Das Antriebswerk
Das Antriebswerk einer Uhr ist beispielsweise bei Standuhren ein Gewicht oder eine Feder bei Taschenuhren und Armbanduhren.
Bei Gewicht als Antrieb hängt das Gewicht (bei Standuhren) an einer Kette oder Schnur. Dieses Kette oder Schnur ist an einer Walze befestigt. Diese Walze ist über ein Zahnrad mit dem übrigen Räderwerk verbunden. Bedingt durch das Gewicht wird die Walze angetrieben und setzt dadurch auch das gesamte Räderwerk in Bewegung. Das Aufziehen einer solchen Standuhr ist ganz einfach, es muss lediglich das Gewicht hochgehoben werden. Diese Antriebsart ist nur bei ortsgebundenen und grossen Standuhren möglich wo auch ein entsprechender „Fallraum“ vorhanden ist.
Für kleiner Uhren, tragbare Uhren verwendet man eine spiralförmig aufgewickelte Feder aus Stahl, die sog. Triebfeder oder Zugfeder. Normalerweise ist diese Feder in einer Trommel (auch Federhaus genannt) aufbewahrt; aber sie kann auch manchmal „offen“ in der Uhr liegen. Das innere Ende dieser Zugfeder ist mit einem Stift, dem sog. Federstift verbunden. Mit dem äußeren Ende ist sie mit dem Federhaus verbunden. Aufziehen läßt sich diese Feder ganz einfach mit einem Schlüssel von Aussen durch Drehen dieses Schlüssels in Uhrzeigerrichtung. Damit die Feder nicht selbstständig entspannt, ist ein Sperrwerk (Sperrrad und Sperrklinke) vorgeschaltet. Beim Lauf der Uhr entspannt sich die Feder und die Trommel wird gedreht.
An dieser Trommel befindet sich ein Zahnkranz, der das übrige Räderwerk in Bewegung setzt. Bei der Version mit freiliegender Feder ist das befindet sich auf der Achse ein Zahnrad, das sog. Federrad. Bei Entspannung der Feder wird dieses Federrad in Bewegung gesetzt. Mit zunehmender Entspannung nimmt logischerweise auch die Kraft der Feder ab. Diese Unlinearität der Spannung der Feder wird bei vielen Uhren durch die sog. Stellung, jedoch bei sehr exakt laufenden, hochwertigen Uhren durch die Schnecke ausgeglichen.
Der Gangregler
Der Gangregler oder Regulator ist eines der wichtigsten Elemente eines Uhrwerks. Um eine genaue Zeitmessung durchführen zu können benötigt man den Gangregler (auch Regulator genannt), diese Vorrichtung läuft in einer ganz bestimmten Zeit ab und wirkt regulierend auf den Gang des Antriebs- und Räderwerks. Diese Vorrichtung hat bereits 1656 Hungens erkannt, das physikalische Pendel. Einfach dargestellt besteht dieses Pendel aus einer Stange die am oberen Teil mit einer elastischen Feder als Schwingungsmittelpunkt verbunden ist und im unteren Teil einen schweren, linienförmigen Körper (die „Pendellinie“) trägt.
Diese „Pendellinie“ ist verstellbar und man kann dadurch die Schwingungsdauer sehr genau regeln. Das Pendel ist sehr empfindlich gegenüber Temperatur und den dadurch bedingten Ausdehnungen. Bei exakt laufenden Uhren verwendet man aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften sogenannte „Kompensationspendel“. Diese Kompensationspendel bestehen aus mehreren Stahl- und Zinkstäben, diese sind mit Hilfe von Querstücken zu einem beweglichen Komplex verbunden.
Durch Temperaturschwankungen dehnen sich diese unterschiedlichen Materialien auch unterschiedlich aus und gleichen somit die Schwankungen aus. Es gibt auch noch das Quecksilberpendel (mit einem Glasgefäß , das Quecksilber enthält, als Pendellinie), ferner gibt es auch noch das Rieslerpendel, bestehend aus einer Nickelstahllegierung, welches einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten hat.
Bei tragbaren Uhren (wie z.B. Taschenuhren oder Armbanduhren) ist eine solche Lösung nicht möglich. Bei diesen Uhrentypen verwendet man die sogenannte Unruh. Einfach dargestellt handelt es sich bei der Unruh um einen beweglichen, radförmigen Ring welcher sich schnell hin und her bewegt. Als Ersatz für die Schwerkraft verwendet man bei diesem System ein feine Spiralfeder. Steht die Unruh still, ist die Spiralfeder absolut entspannt.
Wenn man aber diese Feder ein wenig dreht, so wird die Spiralfeder gespannt. Wenn man nun die Unruh los lässt, schwingt sie wieder bis zur Ruhlage. Es handelt sich hier um genau den selben Bewegungsvorgang wie beim Pendelsystem. Dabei hängt die Schwingungsdauer vom Durchmesser des Ringes und der Elastizität der Feder ab. Die Unruh ist so gelagert, dass ihr Schwerpunkt genau in Ihre Achse fällt. Dies ist wichtig, dass die Unruh in jeder Lager der Uhr im Gleichgewicht steht. Wie beim Autoreifen wird dieses Gleichgewicht durch Aufbringen kleiner, verschiebbaren Gewichte erreicht.
Die Hemmung
Unruh und Pendel sind nur ein Teil des Räderwerks, der für den regelmäßigen Ablauf des Gangwerkes verantwortlich ist. In dieses Gefüge wird ein Zwischenglied, das die Bewegung der Unruh und des Pendels auf das Räderwerk überträgt eingebaut, die Hemmung. Die Hemmung bewirkt, dass der durch das Pendel vorgegebene Lauf des Räderwerks unterbrochen und wieder freigegeben wird.
Die Hemmung gibt auch nach jeder Unterbrechung einen Kraftimpuls an das Pendel ab. Dies ist wichtig, da das Pendel oder die Unruh aufgrund der Reibung früher oder später zum Stehen käme.
Die Ankerhemmung hat die die Form eines Doppelbügels (bei Anker) dieser ist mit dem Pendel verbunden und macht dessen Schwingungen mit. Der Anker greift mit Klauen in das oberste Rad des Räderwerks (Steigrad oder Hemmungsrad). Abhängig von der Schwingung des Pendels greifen die Klauen des Ankers wechselweise in die Zähne des Steigrades und halten dabei das Räderwerk kurz an, geben das Steigrad wieder frei, dadurch kann das Räderwerk und auch der Zeiger wieder ein Stück „voranschreiten“ = Ticken des Sekundenzeigers.
Das heißt, dass eine tickende Uhr nichts anderes ist als ein ständiges Sperren und Laufenlassen des Räderwerks. Das Pendel wird bei Anhebung des Ankers über die Hemmung vorangetrieben, so dass das Pendel dadurch dauernd in Bewegung ist.
Das Schlagwerk
Schlagwerke von Uhren sind dafür verantwortlich, dass man Viertel-, halbe, und volle Stunden hören kann. Verursacht werden diese Töne durch kleine Hämmerchen, die entweder gegen Glocken oder kleine Tonstäbe schlagen. Gehoben werden diese Hämmerchen durch eine Scheibe mit Einkerbungen, die durch das Räderwerk des Schlagwerkes in Drehung versetzt wird.
Regeln läßt sich die Geschwindigkeit durch sogenannte Flügelräder, welche kurz vor Heben der Hämmerchen in schnelle Bewegung versetzt werden. Diese werden durch die Luft wieder gebremst und dadurch einen schnelleren Ablauf des Antriebsrades Verhindern.
Bei sehr teuren und speziellen Armbanduhren, werden tatsächlich kleinste Glöckchen mit dazugehörigen Hämmerchen in das Werk integriert. Bei ganz bekannten Armbanduhren werden dann sogar noch bewegliche Figuren auf dem Zifferblatt integriert, die im Takt des „Glockenschlages“ auch gegen Glocken mit Hämmern schlagen.
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