Stöße, Temperaturschwankungen & Co.: Störfaktoren für die Gangwerte einer mechanischen Uhr [Teil 1]

Hey ihr lieben Uhrenfreunde! Wir alle wissen mittlerweile, dass das Schwingsystem mit seiner Spirale maßgebend für die Ganggenauigkeit unserer mechanischen Uhren ist. Doch was genau sind die störenden Einflüsse, die wir vermeiden oder eben auch nicht vermeiden können, damit unsere Uhr möglichst immer genau läuft. In welchen Bereichen hat ein Uhrmacher Handlungsspielraum und was kann er gar nicht beeinflussen? Darauf möchte ich heute etwas näher eingehen und euch die Hintergründe hinter dem guten oder auch schlechten Gangverhalten von mechanischen Uhren offenlegen.

[Beitrag von Leon Zihang, Uhrmacher und Kopf hinter ChronoRestore.com]

Grundlagen: Die Frequenz einer mechanischen Uhr

Jeder von euch hat mit Sicherheit schon einmal was von der Frequenz einer Uhr gehört. Diese beschreibt die Schwingungszahl oder Schlagzahl unseres Schwingsystems und wird meist mit „A/h“, also Amplituden pro Stunde, angegeben. Eine Amplitude ist der Weg, den das Schwingsystem zurücklegt, wenn es sich aus der Nullstellung bis zu seinem Umkehrpunkt verdreht. Oft werden diese auch als Halbschwingungen pro Stunde bezeichnet, da eine Halbschwingung den Weg aus der Nulllage bis zum ersten Umkehrpunkt und wieder zurück zur Nulllage beschreibt. Wenn man diese Halbschwingung in die andere Richtung ergänzt, entsteht eine Vollschwingung unseres Schwingsystems (siehe Abbildung 1).

Für diese Schwingung benötigt das Schwingsystem natürlich eine gewisse Zeit. Die Dauer für eine Vollschwingung wird mit Hilfe der Schwingungsdauer T beschrieben. Die Formel, mit der sich die Schwingungsdauer für einen Unruhschwinger mit Spirale ergibt, ist in Abbildung 2 zu erkennen. Diese Schwingungsdauer ist maßgebend für die Ganggenauigkeit unserer Uhren. Bei jedem Nulldurchgang wird nämlich die Hemmung ausgelöst und lässt somit das Räderwerk ein kleines Stück weiterdrehen. Anhand der Übersetzungen des Getriebes im Räderwerk wird also festgelegt mit welcher Schwingungsdauer das Schwingsystem schwingen muss, damit die Uhr die genaue Zeit anzeigen kann. Anhand der Formel aus Abbildung 2 können wir allerdings erkennen, dass die Schwingungsdauer von genau sechs Faktoren abhängt: Der Masse „m“ der Unruh, dem Trägheitsradius „r“ der Unruh, der wirksamen Länge „l“ der Spirale, dem Elastizitätsmodul „E“ der Spirale, der Höhe „h“ der Spirale und der Dicke „e“ der Spirale.

Schwingungsdauer und Reguliermöglichkeiten

Da all die oben genannten Faktoren Einfluss auf die Schwingungsdauer und somit den Gang unserer Uhr haben und man diese kaum so genau fertigen kann, wurden daraus unterschiedliche Reguliermöglichkeiten der Uhr abgeleitet. Bei der meistverwendeten Reglage über den Rücker wird die Schwingungsdauer über die Länge „l“ der Spirale verändert. Mit Hilfe von Regulierschrauben bei der Schraubenunruh (Abbildung 3) oder Regulierscheiben bei der Gyromax Unruh, wie zum Beispiel bei Patek Phillipe (Abbildung 4), wird der Trägheitsradius „r“ der Unruh verändert. Zu guter Letzt kann über Masseschrauben an der Unruh die Masse des Systems verändert werden (ebenfalls Abbildung 3).

Dennoch reichen diese Reguliermöglichkeiten nicht aus, um Ungenauigkeiten bei der Fertigung auszugleichen. Es ist unmöglich, völlig gleiche Spiralen und Unruhen zu fertigen. Schon kleinste Änderungen führen zu großen Gangabweichungen. Aus diesem Grund müssen die Unruhen und Spiralen zueinander passend ausgewählt werden. Hierfür werden die Unruhen nach ihrem Trägheitsmoment und die Spiralen nach ihrem Drehmoment in 20 Klassen eingeteilt und sortiert. Spiralen und Unruhen gleicher Klassen ergeben dann ein regulierbares Schwingsystem.

Mit diesem regulierbaren System ist es allerdings noch nicht getan. Äußere Einflüsse wirken auf diese Faktoren der Schwingungsgleichung und verändern diese. Das größte Problem dabei ist die Isochronismusstörung. Isochronismus bedeutet, dass die Schwingungsdauer immer gleichbleibt, ganz egal, wie groß die Amplitude (die Schwingungsweite) der Unruh ist. Leider ist dies nur der Idealfall und folgende Einflüsse stören den Isochronismus:

• Magnetismus,
• der Rücker,
• Temperaturunterschiede,
• die Hemmung,
• Spiralfederschwerpunkt,
• Stöße und Erschütterungen,
• Schwerpunktfehler der Unruh,
• allgemeine Amplitudenschwankungen durch Reibungsänderung bei Lagenänderung oder
• abnehmender Federkraft der Zugfeder.

Im Folgenden werde ich darauf eingehen, was die einzelnen Umwelteinflüsse mit der Uhr machen und in welchem Maße sie auf den Gang der Uhr wirken.

Umwelteinflüsse: Temperaturschwankungen

Dabei beginne ich mit den Temperaturschwankungen. Die Temperaturänderung beeinflusst tatsächlich alle relevanten Größen der Schwingungsgleichung, außer der Masse „m“ der Unruh. Eine Temperaturerhöhung führt zu einer Ausdehnung der Materialien. Während die Vergrößerung des Radius „r“ der Unruh und die Verlängerung der Spirale „l“ zu einem Nachgang führen, erzeugen die Vergrößerung der Größen „h“ und „e“, also die Höhe und Dicke der Spirale, einen Vorgang.

Diese Größen gleichen sich nach außen mehr oder weniger aus und es bleibt weiterhin bei nahezu stabilen Gangwerten der Uhr. Durch die Temperaturerhöhung verkleinert sich allerdings auch die Elastizität der Spirale. Dies führt zu einem deutlichen Nachgang. Daraus können wir also schließen, dass eine Temperaturerhöhung bei einer mechanischen Uhr zu einem Nachgang führt und eine Temperaturabsenkung zu einem Vorgang.

Der Einfluss der Hemmung

Als nächstes komme ich zu dem Einfluss der Hemmung. Durch den Einbau unserer Hemmung wird das Schwingsystem immer wieder bei jedem Nulldurchgang mit Energie versorgt. Allerdings stört die Hemmung auch den Isochronismus der Schwingung, da das Schwingsystem immer wieder abgebremst und angeschubst wird. Hierfür möchte ich euch einen vollständigen Durchgang durch die Hemmung erklären (Abbildung 5).

Unsere Ausgangsposition ist, dass sich die Unruh in ihrer freien Schwingung befindet und auf die Hemmung zubewegt. An der Unruh ist ein kleiner Rubin, Ellipse oder auch Hebelstein genannt, befestigt. Dieser ist dafür zuständig, den Anker bei jeder Schwingung mit auf die andere Seite der Nulllage zu bewegen, damit sich das Hemmrad und somit das komplette Räderwerk eine kleine Umdrehung weiterdrehen kann. Wenn die Ellipse also aus der freien Schwingung in Richtung Nulllage gegen den Anker schlägt, wird das Schwingsystem abgebremst. Dies ist eine Kraft, die von der Nulllage weg zeigt und führt zu einem Nachgang. Noch vor der Nulllage sorgen das Zusammenspiel aus Hemmrad und Anker dafür, dass der Anker umschlägt und nun die Ellipse angeschubst wird.

Dieser Zustand bleibt so lange erhalten, bis der Anker in seiner Endposition auf der anderen Seite der Nulllage angekommen ist. Wir haben in dieser Phase also eine Kraftzufuhr, die zur Nulllage hin zeigt („Vorgehen“) und eine Kraft, die bis zur Endposition des Ankers von der Nulllage weg zeigt („Nachgehen“). Da die Bereiche, die für einen Nachgang sorgen, länger wirken, als die, die für einen Vorgang sorgen, bewirkt die Hemmung insgesamt einen Nachgang der Uhr. Dies ist aber erst einmal kein Problem, da die Hemmung ja immer vorhanden ist und dieser Nachgang immer wirkt. Dieser Umstand kann „wegreguliert“ werden. Allerdings wird dieser Effekt immer stärker, je kleiner die Amplitude des Schwingsystems wird. Durch Änderung der Reibungsverhältnisse durch Lagenänderung der Uhr oder das Nachlassen der Zugfederkraft, haben wir immer wieder Amplitudenänderungen, welche die Hemmung zu einem Störfaktor der Gangwerte unserer Uhr macht.

Stöße und Erschütterungen

Nun zu den Stößen bzw. Erschütterungen, die beim Tragen einer Uhr unvermeidlich sind und dauerhaft auftreten. Im Wesentlichen ist es wie bei der Hemmung: Alle Kräfte, die zur Nulllage hinzeigen, führen zu einem Vorgang. Alle Kräfte, die von der Nulllage wegzeigen, zu einem Nachgang. Die Größe der Abweichung ist abhängig von der Größe, Richtung und dem Zeitpunkt des Stoßes. Im Allgemeinen heben sie sich gegenseitig auf. Nur wenn der Störungsrhythmus mit der Schwingzahl übereinstimmt, können empfindliche Gangstörungen auftreten.

Und an diesem Punkt kommen wir zu der Frequenz der Uhr zurück: Je kleiner die Frequenz oder Schwingungszahl der Uhr ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir diesen Störungsrhythmus mit unserem trägen menschlichen Verhalten treffen können. Erst wenn dies passiert, kommt es zu einem ungenauen Gang. Je höher also die Frequenz oder Schwingungszahl ist, desto stabiler läuft die Uhr. Dies ist auch der Grund, warum man die Schwingungszahl von den damals in Taschenuhren üblichen 18000 A/h, auf die heute üblichen 28800 A/h angehoben hat und viele Hersteller noch höhere Frequenzen anstreben. Die Wahrscheinlichkeit, dass wir beim Tragen der Uhr den Störungsrhythmus für diese hohen Frequenzen herstellen, ist deutlich geringer als bei kleineren Frequenzen.

Der Einfluss des Rückers

Weiter geht es mit dem Einfluss des Rückers. Wie ich es schon in dem Beitrag zur Reglage erklärt habe, bleibt die wirksame Länge der Spirale während einer Schwingung der Unruh nicht konstant. Dies hat der Rücker zu verantworten, welcher mit zwei Stiften von oben über die Endkurve der Spirale greift. In der Nulllage befindet sich die Spirale mittig zwischen den Rückerstiften und bewegt sich bei den Schwingungen von einem Stift zum anderen (Abbildung 6). Während die Unruh schwingt, liegt die Spirale hauptsächlich an einem dieser Rückerstifte an und ist somit verkürzt. Wenn sie allerdings durch den Nulldurchgang schwingt, wechselt die Spirale von dem einen Rückerstift zum anderen und schwingt kurzzeitig mit der vollen Länge der Spirale. Diese kurzweilig länger wirkende Spirale wirkt als Nachgang der Uhr. Nun könnte man wieder sagen, dass dies kein Problem ist, da der Rücker ja immer wirkt und der Fehler einfach wegreguliert werden kann.

Allerdings führen wieder die Amplitudenänderungen zur Verstärkung oder Minderung dieses Effekts: Je kleiner die Amplitude wird, desto verhältnismäßig größer wird der Bereich, in dem die Unruh mit der vollen Länge der Spirale schwingt und desto größer wird der daraus wirkende Nachgang.

Übrigens: Die oberen erwähnten Regulierschrauben haben den Vorteil, dass es keinen Rücker gibt und somit diese potentielle Isochronismusstörung logischerweise wegfällt.

Magnetfelder als Störfaktor

Wie ihr alle wisst, sollte man mechanische Uhren so gut wie möglich von Magnetfeldern fernhalten. Magnetfelder haben die Eigenschaft, die Elementarmagnete eines ferromagnetischen Stoffes auszurichten, sodass dieses selbst nach außen ein magnetisches Feld abgibt. Heute versucht man immer mehr auf ferromagnetische Stoffe im Bereich des Schwingsystems zu verzichten. Vollständig möglich ist dies allerdings noch nicht.

Die durch das äußere Magnetfeld entstandenen Felder in der Uhr können sämtliche Veränderungen hervorrufen. Sie können die Lage der Spirale verändern oder wieder zusätzliche Kräfte ins Spiel bringen, die alle Auswirkungen auf den Gang haben können. Man weiß leider nie, wo sich die Felder bilden und in welcher Stärke sie auftreten. Deshalb kann man leider auch nicht sagen, wann welche Auswirkungen oder Veränderungen auf den Gang wirken.

Mehr: Experiment: Uhr entmagnetisieren und Auswirkungen von Magnetismus auf Uhren im Alltag

Schwerpunktfehler von Unruh und Spirale

Zu guter Letzt kommen wir zu dem Schwerpunktfehler der Unruh und der Spirale. Bevor die Spirale auf die Unruhwelle aufgesetzt wird, wird die Unruh auf einer Unruhwaage statisch ausgewuchtet. Dies kann man sich vorstellen wie das Auswuchten eines Autoreifens, nur, dass es nicht von einer Maschine, sondern händisch gemacht wird. Es wird kein Gewicht aufgeklebt, sondern Material abgenommen. Danach wird die Spirale auf die Unruh aufgesetzt und in die Uhr eingebaut.

Eine flache Spirale, wie sie in den meisten mechanischen Uhren verbaut ist, hat ihren Schwerpunkt auch dann nicht im Zentrum, wenn sie richtig zentriert ist: Bei mittlerer Stellung liegt dieser immer gegenüber der ersten inneren Halbwindung. Während des Schwingens verlagert sich dieser und bewegt sich auf einer Bahn. Wir haben auf unser ausgewuchtetes System also wieder einen veränderlichen Schwerpunkt aufgesetzt. Ein solcher Schwerpunktfehler hat nur in den vertikalen Lagen der Uhr Einfluss auf den Gang. Dieser beschleunigt oder bremst das System in bestimmten Positionen immer wieder und führt somit, genauso wie die Hemmung oder die Stöße, zu einer Gangabweichung. Liegt die Uhr also flach auf dem Tisch, dann wirkt der Schwerpunktfehler nicht.

Ein Schwerpunktfehler kann folgende Auswirkungen haben:

• Befindet sich der Schwerpunkt einer Unruh oberhalb ihrer Rotationsachse, verlängert sich die Schwingungsdauer bei kleiner Amplitude. Bei einer Amplitude von 220° hat ein Schwerpunktfehler einer Unruh keine Auswirkungen auf die Schwingungsdauer – er ist nicht bemerkbar.
• Bei einer Amplitude von über 220° bewirkt der Schwerpunktfehler oberhalb der Rotationsachse eine Verkürzung der Schwingungsdauer und somit einen Vorgang der Uhr. Diesen Schwerpunktfehler versucht man über das dynamische Auswuchten zu entfernen. Allerdings sorgt das Wandern des Schwerpunkts der Spirale und die unterschiedlichen Amplituden für ungewollte Gangänderungen und stellt damit unseren letzten Störfaktor dar.

Wie ihr erkennen könnt, hängt der Gang einer mechanischen Armbanduhr von unglaublich vielen Faktoren ab. Es handelt sich bei einer ordentlichen Reglage also nicht nur um das einfache Verschieben eines Rückers -hier kommt man schnell an seine Grenzen. Einige dieser Fehler versuchen wir noch heute zu optimieren bzw. zu kompensieren.

Im nächsten Beitrag werde ich euch zeigen, wie sich die damaligen Uhrmacher geniale Mechanismen und Ideen ausgedacht haben, um diese Störfaktoren zu minimieren.

Ich freue mich aufs nächste Mal!

Bis dahin!

Leon von ChronoRestore

[Beitrag von Leon Zihang, Uhrmacher und Kopf hinter ChronoRestore.com]