Störfaktoren für die Gangwerte einer mechanischen Uhr: die Kompensation [Teil 2]

Hallo liebe Uhrenfreunde, wie versprochen geht es heute mit den Kompensationsmöglichkeiten der einzelnen Isochronismusstörungen bzw. der Gangabweichungen durch äußere Einflüsse in mechanischen Armbanduhren weiter. Unter Kompensation versteht man in der Uhrmacherei spezielle Konstruktionen oder eine bestimmte Materialauswahl zum Ausgleich störender Umwelteinflüsse auf den Gang einer Uhr.

Damit knüpfen wir direkt an das Wissen aus dem letzten Beitrag in der Technik-Ecke an. Wenn du diesen also noch nicht gelesen hast, kannst du das hier nachholen: Stöße, Temperaturschwankungen & Co.: Störfaktoren für die Gangwerte einer mechanischen Uhr [Teil 1]

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

Im letzten Beitrag bin ich dabei auf die äußeren sowie inneren Einflüsse auf Schwingungen der Unruh unserer mechanischen Armbanduhren eingegangen. Hier haben wir gelernt, dass der Isochronismus die Unabhängigkeit der Schwingungsdauer von der Schwingungsweite/Amplitude beschreibt. Außerdem haben wir erfahren, dass der Isochronismus durch viele Faktoren gestört werden kann. Diese sind leider unumgänglich und können bis heute nur minimiert und nicht vollständig verhindert werden. Diese einzelnen Verbesserungs- und Kompensationsmöglichkeiten möchte ich euch heute etwas näherbringen. Vielleicht könnt ihr diese sogar selbst in euren Uhren durch den Glasboden erkennen.

Uhren-Geschichte: Bimetallunruh, Guillaume-Kompensationsunruh & Co.

In den 40er Jahren entwickelte der Schweizer Uhrenhersteller Zenith das Kaliber 135. 1948 wurde es vorgestellt und gewann von 1950 bis 1954 fünf aufeinanderfolgende Chronometer-Preise des Observatoriums in Neuchatel. Es wurde von 1949 bis 1962 produziert. Das Kaliber kam damals mit einer gebläuten Unruhspirale aus Stahl, gepaart mit einer Guillaume-Kompensationsunruh. Lang, lang ist’s her.

Das wohl größte Problem bei älteren Uhren mit einfachen Stahlspiralen (so wie beim Kaliber 135 in den 40er, 50er und 60er Jahren) waren Temperaturänderungen, denen die Uhr ständig ausgeliefert ist.

Die dabei entstehende Änderung der Elastizität der Spirale führte zu starken Gangänderungen. Um diesen Fehler auszugleichen, kam man damals auf die Idee, an einer anderen Größe der Schwingungsgleichung zu schrauben: dem Trägheitsradius der Unruh. Hierfür hat man sich den Unruhreif vorgenommen und daraus eine Bimetallunruh/Kompensationsunruh gemacht. In Abbildung 1 könnt ihr eine selbst gezeichnete Bimetallunruh sehen. Diese sieht im Grunde genommen aus wie ein normaler Unruhreif, der auf zwei Seiten neben dem Schenkel (das ist die Strebe vom Mittelpunkt zum äußeren Ring der Unruh) geöffnet ist.

Die Kompensationsunruh nutzt den Effekt der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von verschiedenen Materialien bei Temperaturänderung. Messing hat zum Beispiel einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als Stahl. Das bedeutet, dass sich Messing bei einer Temperaturerhöhung deutlich stärker ausdehnt als Stahl. Wenn man diese beiden Materialien nun miteinander verbindet, kommt es bei Temperaturänderung zu einer Krümmung des sogenannten Bimetalls.

Der äußere Reif der Unruh besteht im inneren Radius aus Stahl und außen befindet sich Messing. Bei Temperaturerhöhung kommt es dann also zur Ausdehnung beider Materialien. Da sich das außenliegende Messing aber stärker ausdehnt, krümmt sich die geöffnete Stelle des Reifes nach innen zum Zentrum der Unruh. Dadurch, dass die Arme nach innen wandern, wird auch die Masse des Reifes weiter ins Zentrum getragen und der Trägheitsradius der Unruh verkleinert sich. Somit wird die nachlassende Elastizität der Stahlspirale und der damit verbundene Nachgang der Uhr durch die Verkleinerung des Trägheitsradius und dem damit einher gehenden Vorgang der Uhr wieder ausgeglichen. Bei sinkenden Temperaturen verhält sich dieser Effekt genau umgekehrt.

Ein kleiner Exkurs: Wer in Physik aufgepasst hat, erinnert sich vielleicht noch an die sogenannte Bimetallstreifen, die heutzutage in vielen Wärmegeräten zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei der Temperatursteuerung von Bügeleisen, Kaffeemaschinen, Toastern oder Wasserkochern.

Sekundärfehler der Temperaturkompensation

In Abbildung 2 habe ich eine Grafik gezeichnet, die die Gangänderung in Abhängigkeit zur Temperatur zeigt. In Orange kann man sehen, wie mit steigender Temperatur die nachlassende Elastizität der Spirale zu negativen Gangergebnissen führt. Leider ist dies nur der theoretische Verlauf – eigentlich verläuft die Änderung der Elastizität in einer leichten Kurve (grüne Kurve).

Das bedeutet, dass wir ohne eine Bimetallunruh, in Abhängigkeit zur Temperatur, einen Nachgang nach dem Vorbild der grünen Kurve erwarten müssen. Die Bimetallunruh alleine würde über den Temperaturverlauf ein Vorgehen nach dem Vorbild der schwarzen Linie erzeugen. Wenn wir beides miteinander vereinen, also die Stahlspirale auf die Bimetallunruh aufstecken und in die Uhr einbauen, dann gleicht der Vorgang der Bimetallunruh den Nachgang der Spirale aus. Somit entsteht die Rote Kurve.

Wie man sieht ist diese Kompensation nicht ganz perfekt – es zeigt sich zwischen zwei Grenztemperaturen ein leichter Vorgang der Uhr. Diesen Fehler nennen wir den Sekundärfehler der Temperaturkompensation. Ursache hierfür ist die nicht-lineare Änderung der Elastizität bei Temperaturänderung.

In Abbildung 3 und 4 könnt ihr noch weitere Kompensationsunruhen sehen. Die Monometallunruh mit Bimetallstreifen funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Bimetallunruh, nur dass die sich verbiegenden Arme zur Massenverschiebung kürzer sind.

Die Guillaume-Unruh (siehe das alte Zenith-Kaliber 135) ist senkrecht zur Unruhschenkelachse aufgeschnitten und kann durch ihre vier verbiegenden Arme auch den Sekundärfehler mit ausgleichen.

Heute: Kompensation durch Nivarox-Legierung

Heutzutage wird man die beschriebenen Kompensations-Unruhen jedoch nur noch in Vintage-Uhren oder als nicht-funktionale Deko finden. Heute werden keine reinen Stahlspiralen, sondern spezielle Legierungen, zum Beispiel Nivarox, verwendet. Nivarox ist auch der Name der Spirale selbst und heißt so viel wie „nicht variabel und nicht oxidierend“. Diese Spiralen arbeiten bei Temperaturänderung und halten die Elastizität relativ konstant. Die Kompensation findet also in der Spirale statt. Die gleichnamige Firma Nivarox ist heute Teil der Swatch Group.

Isochronismusfehler Spiralfederschwerpunkt und Grossmann-/Caspari-Effekt

Ein weiterer großer Isochronismusfehler ist der Spiralfederschwerpunkt. Die Flache Spirale erzeugt immer einen, bei der Schwingung wandernden, Schwerpunkt. In der damaligen Zeit der Taschenuhren, die sich in den Brusttaschen immer nur in den vertikalen Lagen befanden, konnte man sich diesen Isochronismusfehler zu Nutze machen.

J. Grossmann hat herausgefunden, dass dieser, von der Spirale verursachte, außermittige Schwerpunkt in bestimmten vertikalen Lagen der Uhr zu einer positiven Gangabweichung führt (siehe Abbildung 5). Er sagt also, dass man die Spirale so einbauen sollte, dass sich der erste halbe innere Umgang der Spirale in der meistgenutzten vertikalen Lage der Uhr, oben befindet. Wenn dies der Fall ist, neigt die Uhr zu einem Vorgang und gleicht somit den von der Hemmung und Rücker produzierten Nachgang aus (sogenannter Grossmann-Effekt).

In heutigen Armbanduhren ergibt dieser Effekt naheliegenderweise aber kaum Sinn, da sich diese immer in Bewegung befinden und nie in einer einzigen vertikalen Lage verharren.

Weiterhin sorgen auch die beiden Spiralbefestigungen (innere Spiralbefestigung an der Spiralrolle; äußere Befestigung am Spiralklötzchen im Spiralklötzchenträger) beim Schwingen der Unruh für Zusatzspannungen neben der Grundspannung. Die Wirkung dieser Spannungen hängen von der Anordnung der beiden Befestigungspunkte und der Amplitude des Schwingsystems ab. Dies hat der Uhrmacher Caspari bei Untersuchungen herausgefunden: Idealerweise sollte sich der innere Ansteckpunkt auf einer Linie mit dem Standort des Rückers befinden.

Warum? Nun, in diesem Fall werden bei abnehmender Amplitude die Schwingungen der Unruh immer schneller. Diesen Effekt kann man auch wieder dafür verwenden, dass die Verlangsamung der Schwingung, die von der Hemmung und dem Rücker erzeugt werden, ausgeglichen werden.

Breguet-Endkurve und Straumann-Doppel-Spirale

Bei mechanischen Präzisionsuhren beseitigt man den störenden Einfluss der Spiralbefestigung und damit die Wirkung von außermittigen Schwerpunkten mit aufwändigen Endkurven. Hierbei wäre die Breguet-Endkurve zu nennen: Die Spirale befindet sich hier nicht in einer, sondern in zwei Ebenen. Die Endkurve wurde nicht einfach nach außen von der Spirale weggebogen, sondern mit einem speziellen Biegeverfahren nach oben in eine zweite Ebene. Dies hat den Vorteil, dass der von der Spirale verursachte Schwerpunkt deutlich zentraler liegt und nicht so weit nach außen wandert. Somit hat der Schwerpunkt keine große Einwirkung auf den Gang.

Bei der „Straumann-Doppel-Spirale“ werden zwei Spiralen verdreht übereinandergelegt. Somit wirken beide Spiralen nach außen hin nahezu ohne Schwerpunkt, da sie sich gegenseitig ausgleichen.

In Abbildung 6 könnt ihr alle drei Spiralen im Vergleich sehen und welche Wirkung die Maßnahmen mit der Endkurve oder der zweiten Spirale auf die Wanderung des Schwerpunktes haben: Je weiter der Schwerpunkt aus dem Zentrum der Unruh herauswandert, desto größer ist der Einfluss auf den Gang.

Eine weitere Möglichkeit, um den Schwerpunktfehler der Spirale sowie einen unsauber statisch ausgewuchteten Unruhreif auszugleichen, war der Tourbillon (in Zeiten der Taschenuhren). Auch wenn dieser Beitrag hier etwas kürzer ausgefallen ist, möchte ich den Tourbillon in einem separaten Beitrag ansprechen, da wir den Rahmen sonst sprengen würden.

Ich freue mich weiterhin über eure aufmerksame Lesekraft und weiteren Fragen!

Bis Bald!

Leon von ChronoRestore