Unruh (Uhr)

Kompensationsunruh mit Spiralfeder.

Moderner Gangregler einer Armbanduhr.

Die Unruh ist ein Bauteil eines Uhrwerkes. Sie dient als Gangregler für Kleinuhren, also vor allem für Armbanduhren und Taschenuhren, aber z.B. auch für Reiseuhren. Eine Unruh besteht aus einem Unruhreif und einer Unruhspirale. Vorläufer der Unruh war die Unrast.

Die Unruh ist ein präzises, aus Metall gefertigtes Schwungrad, das an den Wellenenden Zapfen zur Lagerung hat. Eine Spiralfeder bildet zusammen mit der Masse des Rades ein schwingungsfähiges System. Die Genauigkeit der Unruhschwingung bestimmt die Ganggenauigkeit der Uhr. Die Idee der Verwendung der Unruh zusammen mit einer Spiralfeder wurde nach einem Vorschlag von Jean de Hautefeuille durch Christiaan Huygens entwickelt, 1675 wurde ihm dafür ein französisches Patent erteilt. Davor wurden tragbare Uhren aus Platzgründen mit Torsionspendeln ausgestattet. Die Erfindung des Torsionspendels als Taktgeber für tragbare Uhren wurde fälschlicherweise Peter Henlein zugeschrieben, da Torsionspendel-Unruhen bereits ab dem frühen 15. Jahrhundert verbaut wurden. Von ihm stammt die älteste erhaltene tragbare Uhr.

Formen der Unruhspirale

Unruhspiralentypen: (1) Flache Spirale, (2) Breguet Endkurve, (3) Chronometer-Helix mit gebogenen Enden in 2 Ansichten, (4) Frühe Unruhspiralen.

Die nach innen gebogene Endkurve wurde von Abraham Louis Breguet erstmals eingesetzt, um eine konzentrische Oszillation der Unruhspirale zu ermöglichen, und wurde unter anderem durch die Berechnungen von Édouard Phillips weiterentwickelt (Phillips-Endkurve).

Periode der Oszillation

Die Periodendauer T der Unruhschwingung hängt vom Trägheitsmoment I der Unruh ab und vom Direktionsmoment D ihrer Spirale:

$T = 2 \pi \sqrt \frac {I}{D} \,.$

Dabei ist vorausgesetzt, dass die Spirale in ihrem linearen Arbeitsbereich bleibt, und die Dämpfung vernachlässigt. Ein (reziprokes) Maß für die Dämpfung ist der Gütefaktor – ein Qualitätsmerkmal des Uhrwerks. Eine geringe Güte bedeutet, dass pro Periode ein beträchtlicher Teil der enthaltenen Energie durch die Hemmung nachgeliefert werden muss. Das macht den Taktgeber empfindlich für Veränderungen der Federspannung. Eine hohe Güte mindert zudem den Einfluss von periodischen Störungen, wenn etwa der Träger der Uhr winkt oder applaudiert.

Bei guten Werken bestehen die Lager der Wellenzapfen aus Korunden, früher aus natürlichen Saphiren und Rubinen, heute aus synthetisch hergestellten, um einen möglichst reibungsarmen Gang zu ermöglichen.

Damit die Lagerzapfen bei Stößen nicht beschädigt werden, verwendet man eine Stoßsicherung, wie z.B. Parechoc oder Incabloc. Der Lagerstein ist dabei in einer Feder beweglich gelagert und kann Stößen ausweichen. Bei der 1976 von George Daniels entwickelten Co-Axial-Hemmung wird die Hemmung und die Energiezufuhr (auch Hebung genannt) räumlich getrennt, sodass der Verschleiß reduziert wird und auf Schmierung verzichtet werden kann.

Reglage

→ Hauptartikel: Reglage

Als Reglage bezeichnet man die Feinregulierung einer Uhr.

Zur Überprüfung der Reglage und damit der Ganggenauigkeit dient dem Uhrmacher eine Zeitwaage, ein Gerät, bei dem mit einem Körperschall-Mikrofon die Schwingung gemessen und grafisch dargestellt wird.

Temperaturkompensation

Kompensationsunruh mit Bimetallreif bei erniedrigter (mitte) oder erhöhter Temperatur (rechts).

Kompensationsunruh mit Bimetallreif: (1) Verändert man die Position gegenübeliegender Schraubenpaare in Richtung der Schlitze, so wird die Temperaturkompensation verstärkt. (2) Das teilweise Herausdrehen gegenüberliegender Schraubenpaare verlangsamt die Frequenz. Wird nur eine Schraube teilweise herausgedreht, verändert sich der Schwerpunkt.

Besitzt der Unruhreif Stellschrauben, spricht man von einer Kompensationsunruh, gelegentlich auch vereinfacht Schraubenunruh. Temperaturänderungen wirken sich durch Materialdehnung auf die Elastizität der Spiralfeder und deren Länge aus und somit auch direkt auf die Frequenz der Schwingung. Diese Fehler können durch die Verwendung von geschlitzten Reifen aus Bimetall ausgeglichen werden, die bei erhöhter Temperatur ihren Durchmesser verkleinern, um durch das verringerte Trägheitsmoment die Verlängerung der Unruhspirale und die damit verbundene verminderte Frequenz auszugleichen. Aufgrund einer geringeren Materialermüdung als bei anderen damals verfügbaren Werkstoffen verwendete John Harrison Spiralfedern aus Federstahl und ab 1753 bimetallische Unruhen in seinen Marinechronometern H4 und H5. Um 1765 entdeckte Pierre Le Roy (1717–1785), dass zur Kompensation von Temperaturschwankungen der Unruhreif mit justierbaren Masseschrauben versehen werden kann.

Die wesentlichen Materialeigenschaften für die Spiralfeder einer Unruh sind eine geringe Materialermüdung, geringe Korrosion und eine Unabhängigkeit von äußeren Einflüssen. Abraham-Louis Breguet verwendete unter anderem eine Spiralfeder aus Gold. Charles-Auguste Paillard verwendete für Spiralfedern eine Palladium-Legierung.

Nach der Entdeckung der negativen Volumenmagnetostriktion durch Charles Édouard Guillaume wurde zunehmend Invar, später auch Elinvar als eines der zwei Metalle oder auch alleine verwendet, was im letzteren Fall als monometallische Unruh bezeichnet wird. Die Elastizität und Temperaturbeständigkeit des Elinvars führte zu einer zunehmenden Verwendung auch für Spiralfedern, bis für Spiralfedern das Elinvar allmählich durch Nivarox oder Silicium ersetzt wurde. Im 20. Jahrhundert wurden temperaturbeständige Unruhreife aus Metalllegierungen (z.B. Glucydur) oder aus Silicium entwickelt, sodass Justierschrauben technisch nicht mehr erforderlich sind. Dennoch werden sie gelegentlich aus gestalterischen Gründen verwendet.

Unruhreife von Chronometern aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, mit unterschiedlichen Temperaturkompensationen

Siehe auch

• Tourbillon, eine Weiterentwicklung der Unruh zum automatischen Ausgleich von Lagefehlern.

Literatur

• George Daniels: Watchmaking. Philip Wilson Publishers, London 2011, ISBN 978-0-85667-704-5.
• Hermann Brinkmann: Die Uhrmacherschule, eine Fachbuchreihe für die Berufsausbildung. Wilhelm Knapp Verlag, Düsseldorf 2005, ISBN 3-87420-010-8.
• Michael Stern: Handbuch für das Uhrmacherhandwerk, Arbeitsfertigkeiten und Werkstoffe, Reprint von 1951, Heel Verlag, 2010, ISBN 978-3868522884.

Weblinks

 Commons: Unruh – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien