Unruh (Uhr)

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Unruh-Spirale-Schwingsystem
Eingebautes Schwingsystem (zu erkennen sind der Unruhkloben mit Stoßsicherung, Rücker und Spiralklötzchen sowie die Schraubenunruh mit Breguetspirale)

Unruh ist die Kurzbezeichnung für ein Unruh-Spirale-Schwingsystem, wie es in mechanischen Uhrwerken verwendet wird. Das Schwingsystem dient als Gangregler für Kleinuhren, also vor allem für Armbanduhren und Taschenuhren, aber auch für Wecker, Wanduhren, Chronometer usw. Vorläufer der Unruh war die Unrast.

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.

Vorläufer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bis zur Erfindung geeigneter Hemmungs-Systeme hatte einzig die Pendeluhr eine zufriedenstellende Genauigkeit, konnte aber nicht schadlos transportiert werden. Die erstmals im 15. Jahrhundert entwickelten tragbaren Uhren (siehe Nürnberger Ei) waren hingegen aus Platzgründen mit kurzen Torsionspendeln ausgestattet. Diese wurden allerdings von jeder Bewegung des Trägers beeinflusst und hatten Tagesfehler bis zu vielen Minuten. Die Erfindung des Torsionspendels als Taktgeber für tragbare Uhren wurde fälschlicherweise Peter Henlein zugeschrieben, war jedoch schon im frühen 15. Jahrhundert bekannt. Von Henlein stammt die älteste tragbare Uhr.[1][2][3][4][5][6]

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Schwingsystem besteht aus der eigentlichen Unruh oder Balance (Unruhwelle mit Trompeten-Lagerzapfen, Doppelrolle mit Hebelstein, Unruhring, Unruhschenkel) und der Spirale (mit Spiralklötzchen und Spiralrolle)[7]. Als Materialien kommen Stahl, Federstahl, Federbronze, Messing, insbesondere aber Speziallegierungen zum Einsatz, die möglichst unmagnetisch sein sollten (Einfluß äußerer Magnetfelder). In den letzten Umgang der Spirale greifen zwei sogenannte Rückerstifte (Rückerschlüssel) ein, die an einem auf dem Unruhkloben drehbaren Arm befestigt sind. Sie dienen der Regulierung der Schwingungsdauer (siehe unten). Die Lagerung der Unruh erfolgt in zwei jeweils aus Loch- und Deckstein bestehenden Lagern, die sich im Unruhkloben bzw. der Platine befinden. 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. Die (archimedische) Spirale ist vorgeformt und besitzt somit eine spannungsfreie Mittellage. Sie sollte mindestens zehn Windungen aufweisen.

Damit die Lagerzapfen bei Stößen nicht beschädigt werden, verwendet man eine Stoßsicherung, wie z. B. Parechoc oder Incabloc. Die Lagersteine sind dabei mit einer Feder beweglich gelagert und können Stößen ausweichen.

Für einfache Uhren sind sogenannte Körnerlager üblich (kegelförmiger Zapfen in kegelförmiger Lagerpfanne). Auch Sonderlager (z. B. magnetisch entlastet) sind bekannt.

Die Spirale ist innen an der Spiralrolle befestigt, die mit der Unruhwelle (lösbar) verbunden ist. Das äußere Ende ist im Spiralklötzchen verstiftet, das im Unruhkloben bzw. der Unruhbrücke gehaltert wird. Auf der Doppelrolle (Doppelscheibe) befindet sich der Hebelstein (auch als Ellipse bezeichnet, meist aus Rubin gefertigt). Über diesen werden dem Schwingsystem einerseits die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderlichen Antriebsimpulse vermittelt, anderseits schaltet er im Takt der Unruhschwingung die Hemmung. Dies gilt für die in tragbaren Uhren überwiegend eingesetzte Ankerhemmung. Bei weiteren Hemmungen (Spindelhemmung, Zylinderhemmung, Chronometerhemmung, Koaxialhemmung oder Co-Axial-Hemmung u. a.) werden diese beiden Aufgaben in anderer Weise realisiert.

Periode der Oszillation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Balance stellt eine träge Masse (Schwungmasse, Trägheitsmoment) dar. Wenn sie aus der durch die spannungsfreie Spirale bestimmten Mittellage ausgelenkt wird, entsteht durch die nun unter Spannung gesetzte (federnde) Spirale eine rücktreibende Kraft (exakter: ein Drehmoment) als Voraussetzung für die Schwingung. Sofern der Drehmomentverlauf in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel linear (proportional) ist, schwingt das Schwingsystem harmonisch (Reibung vernachlässigt). Schwingungen mit kleinen und großen Amplituden besitzen in diesem Fall die gleiche Schwingungsdauer (Isochronismus). Dies ist ein erstrebenswerter Zustand, denn dem Schwingsystem können wegen des Drehmomentabfalls der die Uhr antreibenden Aufzugsfeder (Energiespeicher) während ihrer Entspannung keine konstant großen Antriebsimpulse zugeführt werden. Das hätte keine Auswirkungen auf die Ganggenauigkeit der Uhr, wenn Isochronismus realisiert werden könnte, was jedoch nur näherungsweise möglich ist. Man hat auch versucht, trotz des Drehmomentabfalls der Antriebsfeder die Antriebsimpulse konstant zu halten (siehe Zwischenaufzug). Das Schwingsystem schwingt dann ständig mit der gleichen Schwingungsweite und der Isochronismusfehler (also die Nichtlinearität) spielt keine Rolle.

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

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.

Prinzipiell gilt: Je höher die Frequenz, desto geringer sind solche Störungen. Standard sind 18000 Halbschwingungen pro Stunde. Schnellschwinger arbeiten mit 36000 Halbschwingungen pro Stunde. Daher bewirkte die Einführung der schnellschwingenden Unruh eine merkliche Verbesserung des Uhrgangs. Auch die möglichst große Schwingungsweite (Standard 220° pro Halbschwingung) trägt dazu bei, dass Störungen (z. B. durch die Hemmung) sich weniger stark auswirken, da die kinetische Energie des Schwingsystems im Bereich seiner Mittellage im Verhältnis zur Störung dann größer ist.

Probleme und Lösungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unruh[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da die Schwingungsdauer wesentlich vom Trägheitsmoment der Unruh und von den Eigenschaften der Spirale abhängt, wirken sich Temperaturänderungen durch Maßänderungen und Änderung der Materialeigenschaften (Elastizitätsmodul der Spirale) auf die Ganggenauigkeit aus. Es wurden deshalb Kompensationsunruhen entwickelt, Diese bestehen aus einem aufgeschnittenen Bimetall-Unruhring. Kompensationsunruhen tragen am Unruhring Stellschrauben (siehe Kompensation). Durch Einsatz spezieller temperaturstabiler Legierungen (Elinvar, Nivarox u.ä.) ist die Notwendigkeit der Kompensation entfallen, so dass heutzutage nur noch monometallische Unruhen (meist Messing) eingesetzt werden.

Bei tragbaren Uhren verändert das Schwingsystem seine Lage. Ein außermittiger Schwerpunkt der Unruh wirkt je nach Lage der Uhr wie ein kleines Pendel und verursacht Gangabweichungen der Uhr. Nur bei senkrechter Lage der Unruhwelle ist das nicht der Fall. Es ist deshalb notwendig, dass die Unruh ausgewuchtet wird. Darunter versteht man die exakte Verlagerung des Schwerpunktes auf die Achse der Unruhwelle. Früher geschah das durch (mehrfachen) manuellen Materialabtrag am Unruhring oder aber (ähnlich wie bei der Kompensationsunruh) durch Verstellen von am Unruhring angeordneten Schrauben (Schraubenunruh). Die Kontrolle erfolgte mit einer Unruhwaage. Das waren mit großem Arbeitsaufwand verbundene Tätigkeiten. In der modernen Uhrenfertigung erfolgt das Auswuchten der Unruh maschinell mit einer einzigen Fräsung. Es werden zwar noch Schraubenunruhen gefertigt. Die Schrauben stellen jedoch nur Zierrat dar und sind funktionell nicht erforderlich.

Spirale[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In tragbaren Uhren werden flache Spiralen verbaut. Bei stationären Uhren (insbesondere Chronometern) kommen Wendelfedern (Helix) zum Einsatz.

Bei den früher für die Spirale verwendeten Werkstoffen spielte die Änderung des Elastizitätsmoduls bei Temperaturänderung eine große Rolle. Für präzise Uhren waren deshalb Kompensationsunruhen erforderlich. Moderne Spiralen bestehen aus Speziallegierungen, die praktisch keine Temperaturabhängigkeit mehr besitzen (neuerdings auch Siliziumwerkstoffe).

Die oben erwähnte wünschenswerte lineare Kennlinie für das rücktreibende Drehmoment M(α ) der Spirale wäre gegeben, wenn sich bei beliebiger Verdrehung der Unruhwelle um α und einer am äußeren Spiralende wirkenden Kraft F(α) eine gleichmäßige Krümmungsänderung der gesamten Spirale ergäbe (gegenüber der Krümmung der spannungsfreien Mittellage).

Die Spirale würde dann konzentrisch schwingen („atmen“). Dazu müsste sich jedoch die Wirkungslinie der Kraft kontinuierlich während der Schwingung verlagern (z. B. von P nach P*, siehe Bild) und sich somit der Radius r(α) ändern. Die Spirale ist jedoch außen durch das Spiralklötzchen in einem festen Punkt P fixiert. Das hat zur Folge, dass keine gleichmäßige Krümmungsänderung möglich ist (wie im Bild zur Verdeutlichung übertrieben gezeigt) und demzufolge das rücktreibende Drehmoment eine nichtlineare Kennlinie aufweist (kein Isochronismus). Ferner verlagert sich dadurch der Schwerpunkt der Spirale, der auch in der Mittellage nicht auf der Achse der Unruhwelle liegt, während der Schwingung. Der exzentrische Spiralenschwerpunkt hat auf den Uhrengang eine ähnliche Wirkung, wie der außermittige Unruhschwerpunkt, da er auch von der Gravitation beeinflusst wird.

Bei Uhren mit normalen Anforderungen ist die durch die Nichtlinearität des rücktreibenden Drehmomentes verursachte Gangabweichung tolerabel, wenn die Spirale zehn oder mehr Windungen aufweist, weil dann die Abweichung von der idealen Krümmungsänderung nicht allzu groß ist (im Bild für eine Halbschwingung von 180° verdeutlicht).

Für präzise Uhren ist das jedoch nicht der Fall.

Breguet hat auf experimentellem Wege eine Möglichkeit gefunden, eine angenähert lineare Kennlinie zu erreichen. Vereinfacht gesagt, hat er die Spirale mit einer Zusatzfeder versehen (siehe Bild). Diese muss so geformt sein, dass

  • sie eine Kraft F(α) auf die Spirale ausübt, die bei beliebigem Verdrehwinkel α genau der Kraft entspricht, die für eine gleichmäßige Krümmungsänderung der Spirale erforderlich ist
  • die Wirkungslinie der Kraft sich bei Verdrehung der Unruhwelle um α genau so verlagert, wie es die gleichmäßige Krümmungsänderung erfordert
  • die Wirkungslinie immer tangential zum Spiralende verläuft

Das Federende der Zusatzfeder stellt dann gleichsam ein bewegliches Spiralklötzchen dar und bewegt sich bei Auslenkung auf dem gleichen Federweg wie das Ende der schwingenden Spirale bei deren gleichmäßiger Krümmungsänderung.

Zweckmäßigerweise hat Breguet die Zusatzfeder durch Verlängerung der Spirale und eine entsprechenden Formung dieser Verlängerung (Endkurve) realisiert. Dazu musste er notgedrungen die Endkurve in eine Ebene über der Spirale anheben, da ja sonst Spirale und Zusatzfeder kollidieren würden. Hierfür sind zwei Knicke anzubringen (siehe Bild). Auch kontinuierliche Verwindung ist möglich. Die Breguetspirale ist handwerklich schwierig zu fertigen. Auch Endkurven für das innere Ende der Spirale sind bekannt, werden aber nicht angewandt. Wendelfedern werden ebenfalls mit Endkurven versehen.

Lange Zeit nach Breguet hat Phillips das Endkurvenproblem theoretisch behandelt [8]. Im Ergebnis hat er drei einfache Regeln aufgestellt:

  • Die Endkurve muss sich tangential an das Spiralende anschließen
  • Der Schwerpunkt der Endkurve muss auf einer durch den Mittelpunkt gehenden Senkrechten zu einer Linie vom Spiralmittelpunkt zum Spiralende liegen
  • Das Produkt aus dem Schwerpunktabstand vom Mittelpunkt und der Spirallänge muss gleich dem Quadrat Abstandes des Spiralendes vom Mittelpunkt sein

Die Regeln gelten für den spannungsfreien Zustand (Mittellage). Nach diesen Regeln wurden Endkurven als Schablonenvorlagen entworfen (Gerstenberger), nach denen die Uhrmacher die Spiralen formen konnten [9]. Dabei sind die theoretischen Kurven nach praktischen Erfahrungen geringfügig abgewandelt. Durch die Phillipskurven wird auch der Spiralenschwerpunkt auf die Achse der Unruhwelle verlagert und verbleibt dort während der Schwingung.

Mit neuzeitlichen Siliziumspiralen sind auch ohne Endkurven ähnliche Ergebnisse erreichbar. Durch die entsprechenden Fertigungsmethoden (Lasern, Ätzen usw.) können solche Spiralen mit über die Länge veränderlichem Querschnitt hergestellt werden, was ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet [10].

Rücker[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Rücker ist eine einfache Möglichkeit, die Schwingungsdauer des Schwingsystems einzustellen. Ansonsten müsste durch mühevolles Aus- und einstiften die Länge der Spirale den Erfordernissen angepasst werden. Durch Verschieben des Rückers wird die effektive (oder auch aktive) Spirallänge und damit die Schwingungsdauer eingestellt. Diese Länge reicht von der Spiralrolle bis zum Rücker. Der Bereich vom Rücker bis zum Klötzchen ist das „tote“ Spiralende, das (aber nur näherungsweise) keinen Einfluß auf die Schwingungsdauer hat. Die Spirale schwingt zwischen beiden Rückerstiften und legt sich an diese wechselweise an. Das bedeutet, dass während einer Schwingung verschiedene effektive Spirallängen wirksam werden. Bei Berührung der Rückerstifte ergibt sich eine verkürzte Länge. Das macht klar, dass durch den Rücker zwar eine einfache Möglichkeit der Regulierung gegeben, andererseits aber eine undefinierte Störquelle vorhanden ist (z. B. liegt bei großen Schwingungsweiten die Spirale länger an den Rückerstiften an als bei kleinen). Der erstrebte Isochronismus wird empfindlich gestört. Das trifft auch auf Breguetspiralen zu, wo der Rücker auf die Endkurve (Zusatzfeder) wirkt.

Kompensation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Caspari und Grossmann haben Möglichkeiten entwickelt, wie Spiralen ohne Endkurven verwendet werden können und dennoch ein angenähert gleichmäßiger Gang der Uhr bei großen und bei kleinen Schwingungsweiten erreicht werden kann. Dazu werden gegensätzlich wirkende Störeinflüsse zur gegenseitigen Kompensation der Wirkungen genutzt. Beispielsweise erzeugt das Spiel der Spirale im Rückerschlüssel ein Nachgehen der Uhr bei kleinen Schwingungsweiten, während eine bestimmte konstruktiv festgelegte Lage des inneren und äußeren Befestigungspunktes der Spirale zueinander in diesem Fall ein Vorgehen zur Folge hat. Näheres siehe [11].

Hochwertige moderne mechanische Uhren werden sowohl mit flachen Spiralen nach Caspari und Grossmann als auch mit Breguetspiralen (Phillips-Endkurven) gefertigt.

Reglage[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Ein Micro-Dynagraph kann zur Aufzeichnung der Schwankungen des Kraftmomentes auf dem Hemmungsrad, der Veränderung der Schwingungsweite der Unruh und der Gangabweichungen der Uhr verwendet werden.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Otto Böckle, Wilhelm Brauns: Lehrbuch für das Uhrmacherhandwerk. Arbeitsfertigkeiten und Werkstoffe. 8.–10. Auflage. Wilhelm Knapp, Halle (Saale) 1951, (Reprint, herausgegeben von Michael Stern. Heel, Königswinter 2010, ISBN 978-3-86852-288-4).
  • Hermann Brinkmann: Einführung in die Uhrenlehre (= Die Uhrmacherschule. Bd. 2). 10. unveränderte Auflage. Wilhelm Knapp, Düsseldorf 2005, ISBN 3-87420-010-8.
  • George Daniels: Watchmaking. Updated 2011 edition. Philip Wilson Publishers, London 2011, ISBN 978-0-85667-704-5.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Unruh – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Milham, Willis I. (1945). Time and Timekeepers. New York: MacMillan. ISBN 0-7808-0008-7., p.121
  2. „Clock“. The New Encyclopaedia Britannica. 4. Univ. of Chicago. 1974. p. 747. ISBN 0-85229-290-2.
  3. Anzovin, Steve; Podell, Janet (2000). Famous First Facts: A record of first happenings, discoveries, and inventions in world history. H. W. Wilson Company. ISBN 0-8242-0958-3., p.440
  4. Usher, Abbot Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. Courier Dover. ISBN 0-486-25593-X., p.305
  5. White, Lynn Jr. (1966). Medieval Technology and Social Change. New York: Oxford Univ. Press. ISBN 0-19-500266-0., p.126-127
  6. Dohrn-van Rossum, Gerhard (1997). History of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders. Univ. of Chicago Press. ISBN 0-226-15510-2., p.121
  7. Krug u.a.: BI Lexikon Uhren und Zeitmessung. Hrsg.: Rudi Koch.
  8. Edouard Phillips: Mémoire sur le spiral réglant des chronomètres et des montres. 1860, abgerufen am 1. April 2017 (französisch).
  9. Phillips-Endkurven. Abgerufen am 16. April 2017.
  10. Schwingsystem für mechanische Uhrwerke. Abgerufen am 16. April 2017.
  11. Martinek Rehor: Mechanische Uhren. VEB Verlag Technik Berlin