Die Zeitwaage – oder, wie wird reguliert

Immer wieder sagen wir, die Uhr muss reguliert werden. Aber was ist das genau und was wird reguliert? Und wie funktioniert so eine Zeitwaage. Ich versuche jetzt mal verständlich darzustellen, damit auch wir nicht Uhrmacher das verstehen.

Immer wieder einmal sehen wir Bilder davon, wie eine Uhr eingemessen wird mittels einer Zeitwaage. Aber was wird da wirklich gemacht und was ist eine Zeitwaage eigentlich? Im Grunde solltet Ihr euch mal alle an den sooo geliebten Physikunterricht zurückerinnern. Viele haben da mal mit einem Oszilloskop gearbeitet und eigentlich ist die Zeitwaage nichts anderes, nur das sie feste Anzeige und Messprogramme hat und sich eben nicht so frei einstellen wie ein Oszilloskop.

Und was zeigt das Ozilloskop? In dem immer ersichtlichen Halter, auf dem die Uhr sitzt, ist ein Mikrofon verbaut! Ja genau ein Micro und das was das Micro mitbekommt, zeigt die Zeitwaage an. Um genau zu sein es geht um das berühmte “TickTack” einer Uhr.

Dieses Geräusch, das die Uhr da macht, ist das Geräusch der Hemmung und genau dieses Geräusch wird mit der Zeitwaage aufgezeichnet und ausgewertet. Aber bevor wir uns mal die Hemmung ansehen, warum braucht es in einer Uhr eigentlich eine Hemmung?

Die Uhr – Das Schwingungssystem

Man muss jetzt mal sehen was eine Uhr eigentlich ist. Es ist auch hier ein bißchen Physik notwendig, denn es ist ein sogenanntes Schwingungssystem. Die Antriebskraft der Uhr liegt in der Zugfeder, die durch das Aufziehen der Uhr gespannt wird. Sie treibt mit ihrer Kraft die Zahnräder der Uhr (normal erst das Großbodenrad) an. Durch die Untersetzung der anderen Zahnräder, die im Grunde wie ein Getriebe wirken, liegt nicht die gesamte Kraft der Zugfeder an der Hemmung an und sie kann bequem ihre Arbeit machen.
Die Unruhe, die ja eine Spiralfeder ist, wird durch die Hemmung in eine Schwingung versetzt, spannt und entspannt sich wieder und nimmt mittels einer Untersetzung die Hemmung wieder mit. Hat die Entspannung ihren Scheitelpunkt erreicht, geht die Bewegung wieder in die andere Richtung. So ist es mal einfach beschrieben. Eine genauere Beschreibung findet man bei Wikipedia unter Unruh. Also die Verbindung aus Unruhe und Hemmung bestimmen die Geschwindigkeit der Uhr.

Urheber: Manfred Goellner (Wikipedia) Creative Commons: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en

Die Hemmung

Die Hemmung (Ankerrad und Anker) ist dazu da den Kraftfluss des Räderwerks zu hemmen, sonst würde dieses einfach durchrasen. Ist die Unruh bei ihrer Schwingung am Zenith angekommen, schwingt diese zurück und nimmt den Anker mit. Hier bei entstehen die notwendigen Geräusche. Ruhe, Hebung, Fall.
Beim Fall, wird die Kraft des Räderwerks wieder an das Schwingsystem weitergegeben. So erhält die Unruh ihre Kraft, sonst würde sie wie jedes des normale Pendel ohne Antrieb, einfach ausschwingen und stehen bleiben.
Nun gibt es ganz viele verschiedene Hemmungen, ob Ankerhemmung, Schweizer Hemmung oder der, von Omega bekannten, CoAxialen Hemmung. Dazu gibt es weitere Hemmungtypen, aber die lassen wir mal beiseite. Die grundlegende Bewegung einer Hemmung seht ihr im nebenstehenden Bild. Es ist hier eine Ankerhemmung abgebildet, wie man sie in Pendeluhren verwendet, aber das Prinzip ist eigentlich bei allen Hemmungen gleich.

Man sieht in der Animation sehr schön, wie die Haken des umgedrehten Ankers bei jeder Schwingung abwechselnd ins Zahnrad greifen. Um das ganze jetzt noch was einfacher zu gestalten, geben wir den beiden Haken mal einen Namen, der Linke heißt “Tick” und der Rechte heißt “Tack”. Denn genau dies sind die Geräusche, die das Mikrofon der Zeitwaage aufnimmt und mißt. Da kommt das “TickTack” her.
Allerdings sieht es bei einer Automatik mechanisch noch ein klein bißchen anders aus, aber auch dafür habe ich noch was schönes gefunden. Schauen wir es uns an.

Urheber: Chetvorno (Wikipedia) Creative Commons CCO https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en

Die Schweizer Ankerhemmung

Dies möchte ich gerne anhand der Schweizer Ankerhemmung machen. Sie ist eine der geläufigsten Hemmung in Armbanduhren. Natürlich gibt es noch viele andere Arten, wie die Coaxiale Hemmung, die Stiftankerhemmung und andere. Wer sich da mal einlesen möchte, kann dies gut bei Wikipedia machen, der link geht hier lang.

Die Schweizer Ankerhemmung zeichnet sich die spezielle Form von Anker und Gangrad aus, wodurch sich der Antrieb auf die Ankersteine (Paletten) und Hebeflächen der Ankerrad-Zähne verteilt und somit die Herstellung hochpräziser Armbanduhren ermöglicht. Sie entwickelte sich Ende des 19. Jhd./Anfang 20. Jhd. in Deutschland aus der Glashütter Ankerhemmung. Die ursprüngliche Bezeichnung war Kolbenzahnhemmung. In der Schweiz wurden Uhren mit dieser Hemmung dann serienmäßig gefertigt, so dass sich der Name Schweizer Ankerhemmung durchsetzte.

Diese Hemmung wird, abgesehen von sehr billigen Uhren, bei den meisten tragbaren mechanischen Uhren (Armbanduhren, Taschenuhren) mit Unruh-Spirale-Schwingsystem eingesetzt.

In ein aus gehärtetem Stahl bestehendes Kolbenzahn-Hemmungsrad HR (siehe Bild), das vom Laufwerk angetrieben wird, greifen wechselweise zwei vorzugsweise aus synthetischem Rubin gefertigte Hemmelemente (Paletten) H ein. Diese besitzen eine Anschlagfläche (Ruhe) RF und eine schiefe Ebene (Hebung) HF. Die Paletten sind an einem Anker A befestigt, der sich um die Drehachse DA bewegen kann. Der Anker besteht meist auch aus Stahl, es kommen jedoch auch andere Werkstoffe zum Einsatz. Die Bewegung des Ankers wird durch zwei Begrenzungsstifte BS begrenzt. Auch andere Begrenzungen sind gelegentlich anzutreffen. Fest verbunden mit der Unruhewelle UW ist eine Doppelscheibe DS, die aus der Hebelscheibe HS und der Sicherheitsscheibe SS (oder Sicherheitsrolle) besteht. An der Hebelscheibe ist der Hebelstein (Ellipse) HST befestigt. Auch dieser besteht meist aus synthetischem Rubin. Bei Bewegung der Unruh um ihre Drehachse kann der Hebelstein in einen Einschnitt GE der Ankergabel eingreifen, so dass die Bewegungen der Unruh und des Ankers sich gegenseitig beeinflussen können. Das Sicherheitsmesser (Sicherheitsstift) SM hat eine die Ruhelage des Ankers sichernde Funktion.

Copyright: Manfred Göllner (Wikipedia) Creative Commons https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en

Ich habe diesen Text oben, zur Erklärung auch von Wikipedia übernommen, weil ich finde, dass man damit die Funktion recht gut verstehen kann. Aber was “hört” jetzt die Zeitwaage?

Das Schlaggeräusch der Schweizer Ankerhemmung

Normalerweise setzt sich das Schlaggeräusch der Schweizer Ankerhemmung aus drei verschiedenen Impulsen zusammen.

Ruhe: Das erste Geräusch entsteht, wenn der Hebelstein der Rolle auf die Gabel des Ankers trifft. Dieses Geräusch ist zeitlich sehr präzise und wird daher für die Diagrammaufzeichnung und für die Berechnung der Gangabweichung sowie des Abfallfehlers (Repère) benutzt.
Hebung: Ein zweites Geräusch entsteht, wenn ein Zahn des Ankerrades auf die Impulsfläche einer Palette trifft und die Ankergabel den Hebelstein berührt. Dieses sehr unregelmässige Geräusch kann für eine Auswertung nicht benutzt werden.
Fall: Das dritte und stärkste Geräusch entsteht, wenn ein Zahn des Ankerrades auf die Ruhefläche der Palette fällt und die Ankerstange an einen Begrenzungsstift schlägt. Dieses Geräusch wird für die Berechnung der Amplitude ausgewertet.

Auswertung des Schlaggeräusches

Für die Auswertung des Schlaggeräusches wird eine Zeitwaage mit einer sehr genauen Referenzfrequenz benötigt. Zudem ist es wichtig, dass der Anfang des ersten Geräuschpaketes sicher erfasst wird. Falls bei einer Uhr dieses erste Geräusch sehr schwach ist, oder falls die Uhr starke Nebengeräusche erzeugt, muss daher die Verstärkung entsprechend korrigiert werden.
Für die Diagrammaufzeichnung wird jeweils die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Uhrenschlägen (Periodendauer) gemessen und mit dem Sollwert für einen exakten Gang verglichen. Falls die gemessene Zeit genau dem Sollwert entspricht, wird der neue Punkt auf dem Diagramm genau neben dem vorhergehenden gesetzt. Wenn der neue Schlag etwas zu früh oder zu spät kommt, wird der neue Punkt, entsprechend der Zeitdifferenz zum Sollwert, gegenüber dem letzten Punkt nach oben oder nach unten verschoben. Die Reihe der Punkte auf der Anzeige bildet daher je nach Gangabweichung eine gerade oder eine nach oben oder unten geneigte Linie.

Gangabweichung

Zur Berechnung der Gangabweichung werden die Differenzen zwischen gemessener Periodendauer und Sollwert jeweils über die eingestellte Messzeit gemittelt, in s/24h umgerechnet und auf dem Bildschirm angezeigt.

Abfallfehler (Repère)

Asymmetrisches Schwingen der Unruh. Die Drehschwingung einer Unruh kann mit Hilfe des Drehwinkels beschrieben werden. Steht die Uhr still, so definiert die Position der Unruh dort ihre Nulllage. Unter einem (stets vorhandenen) “Abfallfehler” versteht man den Sachverhalt, dass die Drehschwingung nicht in allen Prüflagen ganz symmetrisch um die Nulllage herum ausgeführt wird, d. h. die Unruh schwingt in eine Richtung weiter als in die Entgegengesetzte. Diese Asymmetrie kann auf einer Zeitwaage sichtbar gemacht werden. Der Abfallfehler wird in Millisekunden (ms) gemessen. Hochwertige Uhren besitzen
eine besondere Vorrichtung für die Einstellung des Abfalls.

Funktionsprinzip Amplitude-Hebewinkel

Die Winkelgeschwindigkeit des Oszillationssystems (Unruh mit Spiral) beim Durchlaufen des Nullpunkts ist von seiner Amplitude abhängig. Man bestimmt diese Geschwindigkeit mittels Zeitmessung zwischen dem Auslösesignal und dem Fallsignal der Hemmung. Diese Zeit bezeichnet man als Hebezeit der Unruh und der von der Unruh während dieser Periode durchlaufener Winkel heisst Hebewinkel.
Während dem Durchlaufen dieses Winkels bleibt der Hebelstein (Ellipse) in Kontakt mit der Ankergabel. Für die meisten Standard-Uhrwerke liegt der Hebewinkel um die ca. 51°.

Amplitude

Die Amplitude (Schwingungsweite) entspricht dem Winkel von der Gleichgewichtslage (Ruhelage der Unruh) bis zur maximalen Entfernung (Wendepunkt). Die Amplitudenwerte der heute verbreiteten Uhrwerke liegen bei ca. 270° – 310°. Mit zunehmender Alterung der Öle sinkt dieser Wert allmählich ab. Zur Berechnung der Amplitude wird die Zeit zwischen dem ersten Impuls und dem dritten Impuls im Schlaggeräusch gemessen.

Beim Regulieren wird ebenfalls die Spirale, die Ankergabel, Ellipse, Höhenluft und die Schlüsselweite des Etachron, sowie die Eingriffstiefe der Paletten (Anker) überprüft. Aber dies ist jetzt ein weites Thema, das ich hier nicht weiter vertiefen kann.

Soweit jetzt die Theorie. Wer sich das gesamte Schwingungssystem mal in einer Animation ansehen will, für den habe ich die richtige Webadresse. Dort siehst du den kompletten mechanischen Ablauf! Da dieser Inhalt Copyright geschützt ist, kann ich den hier nicht veröffentlichen, sondern nur verlinken. Seht es euch an!!! Dann versteht ihr noch viel mehr von eurer Uhr.

das Schwingungssystem in einer Uhr – hier geht´s lang

So ich hoffe euch das Thema ein bißchen nahe gebracht zu haben. Bei Fragen, löchert am besten die Uhrmacher, ich bin keiner ;-). Und einen ganz herzlichen Dank an Benjamin Welte von Bens Uhren für´s Lektorat und Korrektorat! Bin halt auch kein Praktiker, sondern nur ein Uhrenverrückter ;-).