Die Technik der Uhr  

Die Technik der Uhr

(Quelle: Universität Karlsruhe)
Der folgende Artikel wurde als Information für den interessierten Anfänger geschrieben, um einen ersten Einblick in die Uhrentechnik zu geben. Um wegen der vielen Links nicht zu viel Verwirrung und unnötiges Herumsurfen zu verursachen seien hier ein paar Hinweise zu den Links gegeben:

Als normale Links markierte Wörter (ausser beim Inhaltsverzeichnis) führen zu anderen Seiten, wo man weitere Informationen zu dem beschriebenen Sachverhalt finden kann.

Ein * steht für eine normale Fussnote, die Anmerkungen etc. enthält. Diese Fussnoten sind am Ende jedes Kapitels verzeichnet.

Ein (T) führt zu einer anderen Stelle im Text wo Begriffe oder Sachverhalte  erklärt werden, die bisher noch nicht vorkamen. Man kann an diese Stelle sofort  springen, wird aber beim kontinuierlichen Weiterlesen auch darauf stossen.

Inhalt

Einleitung 

1. Antrieb 

1.1. Elektrischer Antrieb
1.1.1. Direkter Elektrischer Antrieb
1.1.2. Indirekter Elektrischer Antrieb
1.1.3. Energiespeicher
1.2. Mechanischer Antrieb
1.2.1. Antrieb durch eine Zugfeder
1.2.1.1. Vor- und Nachteile des Federantriebes
1.2.1.2. Betätigung des Federantriebes
1.2.1.3. Automatischer Aufzug des Federantriebes
1.2.2. Antrieb durch ein Gewicht
1.2.2.1. Der einfache Kettenantrieb
1.2.2.2. Der Antrieb über Seil und Seiltrommel
1.2.2.3. Der Antrieb nach Huygens

2. Übertragung der Antriebsenergie auf das Zeitmessystem

2.1. Elektrische Antriebe
2.1.1. Direkte elektrische Antriebe
2.1.2. Indirekte elektrische Antriebe
2.2. Mechanische Antriebe
2.2.1. Aufbau der Zahnräder
2.2.2. Übersetzungsverhältnisse
2.2.3. Lagerung der Zahnräder
2.2.4. Zahnformen

3. Zeitmessysteme

3.1. Schwinger
3.2. Elektrische Uhren
3.2.1. Direkt angetriebene Elektrische Uhren
3.2.2. Indirekt angetriebene Elektrische Uhren
3.3. Mechanische Uhren
3.3.1. Die Waag
3.3.2. Das Pendel
3.3.2.1. Die Temperaturkompensation des Pendels
3.3.2.1.1. Das Holzpendel
3.3.2.1.2. Das Harrison'sche Gitterpendel
3.3.2.1.3. Das Quecksilberkompensationspendel
3.3.2.1.4. Das Invarpendel
3.3.2.2. Störungen beim Pendel
3.3.2.3. Pendelaufhängung
3.3.2.3.1. Federaufhängung
3.3.2.3.2. Drahtösenaufhängung
3.3.2.3.3. Fadenaufhängung
3.3.2.3.4. Schneidenaufhängung
3.3.2.3.5. Zapfenlagerung
3.3.2.4. Regulierung des Pendels
3.3.2.4.1. Reguliermutter
3.3.2.4.2. Brocotaufhängung
3.3.2.4.3. Verschiebung der Pendellinse
3.3.2.4.4. Auflagegewichte
3.3.2.5. Pendellängen
3.3.3. Die Unruh
3.3.3.1. Unruhwelle und Lagerung
3.3.3.2. Der Unruhreif
3.3.3.3. Die Spiralfeder
3.3.3.4. Hemmungsteile
3.3.3.5. Die Temperaturkompensation der Unruh
3.3.3.6. Die Regulierung der Unruh
3.3.4. Das Torsionspendel
3.3.5. Das Rotationspendel

4. Hemmungen der mechanischen Uhren

4.1. Grundsätzliche Funktion der Hemmung
4.2. Hemmungen bei Kleinuhren
4.2.1. Unfreie Hemmungen bei Kleinuhren
4.2.2. Freie Hemmungen bei Kleinuhren
4.3. Hemmungen bei Grossuhren
4.3.1. Unfreie Hemmungen bei Grossuhren
 


Einleitung

Wenn man eine Uhr, z.B. einen Quarzwecker oder eine Armbanduhr, die täglich  aufgezogen werden muss, anschaut, kann man folgendes Feststellen:
Jede Uhr muss mit Energie versorgt werden, entweder durch Einlegen einer neuen Batterie, oder durch das Aufziehen der Uhr. Das was 'hinten rauskommt' ist schliesslich eine Anzeige der Zeit (Was ja die  Hauptfunktion der Uhr ist. Bei Armbanduhren wird diese Funktion allerdings  oft durch durch die Funktion 'Steigerung des Selbstbewusstseins' abgelöst).  Die meisten Uhren bieten darüberhinaus noch weitere Funktionen, die man z.B. jeden Morgen auf das schmerzlichste in Form eines Weckers nutzt, oder eine Anzeige des Datums. Man kann sich dann noch denken, dass eine Uhr, die die Zeit anzeigt, wahrscheinlich  noch eine Einrichtung zum Messen der Zeit besitzt, einen Mechanismus oder eine Elektronik, die diese verschiedenen Dinge miteinander verbindet, und einen mechanischen Aufbau, in dem alle Teile gelagert sind.
Jede Uhr, gleichgültig, ob es sich um eine gewichtsangetriebene Turmuhr oder eine 5DM-Digitaluhr handelt, kann also in folgende Baugruppen  unterteilt werden:
 
 
1. ein Antrieb,
2. ein System zur Übertragung der Antriebskraft auf das Zeitmessystem,
3. ein Schwingsystem zur eigentlichen Zeitmessung,
4. eine Zeitanzeige,
5. ein Werkgestell,
6. und in vielen Fällen Zusatzeinrichtungen, wie Datumsanzeige oder  Wecker.
Im folgenden seien diese Baugruppen im einzelnen dargestellt.

1. Antrieb

Beim Antrieb kann unterschieden werden zwischen den elektrischen und  den mechanischen Antrieben.

1. Elektrischer Antrieb

Bei den elektrischen Antrieben gibt es zwei Systeme:
der direkte elektrische Antrieb, wie er bei allen modernen Uhren Standard  ist, und der indirekte Antrieb, wie er bei elektromechanischen Uhren  verwendet wurde.

1.1.1 Direkter elektrischer Antrieb

Der direkte Antrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb des Zeitnormals (Schwinger (T) ) durch elektrischen Strom erfolgt. Auch beim direkten Antrieb kann wieder zwischen den rein elektronischen Uhren (sprich Quarzuhren) und den elektromechanischen Uhren unterschieden  werden.
Der direkte Antrieb regt bei Quarzuhren unter Ausnutzung des  piezoelektrischen Effekts einen Quarzkristall zum Schwingen an. Bei elektromechanischen Uhren mit direktem Antrieb wird der mechanische  Schwinger (Pendel oder Unruh) durch ein magnetisches Feld angetrieben.

1.1.2. Indirekter elektrischer Antrieb

Beim indirekten elektrischen Antrieb dient die Energie des Stroms nur zum regelmässigen Aufzug eines mechanischen Antriebes. Das Uhrwerk ist dabei ein konventionelles mechanisches Uhrwerk, dessen Gewicht oder  Antriebsfeder in regelmässigen Zeitabständen aufgezogen wird.
Der Aufzug erfolgt dabei entweder im Abstand von einigen Minuten durch einen  Elektromagneten (erkenbar an einem lauten Klacken) oder in grösseren  Abständen durch einen Elektromotor (erkennbar an einem Surren).

1.1.3. Energiespeicher

Als Antriebsenergie wird im allgemeinen eine Batterie verwendet, in seltenen Fällen gibt es auch Uhren mit Netzanschluss, wobei allerdings fast immer eine Pufferbatterie mit eingebaut ist, um die Zeitmessung während eines eventuellen Stromausfalls sicherzustellen. Weitere Energiequellen bei elektrischen Uhren wären die Solarzellen, die man bei Armbanduhren häufig findet, und als Einzelfall die Seiko Kinetik, die  ihre Energie aus der Bewegung des Handgelenkes des Trägers bezieht. In beiden Fällen wird die Energie in einem Kondensator gepuffert.
Ein Sonderfall bei den elektrischen Uhren sind die Synchronuhren. Bei diesen Uhren wird die 50Hz-Wechselstromfrequenz des Lichtnetzes als Zeitnormal verwendet. Eine solche Uhr ist allerdings im strengen Sinne keine Uhr, sondern nur ein Zeitanzeigegerät, da die Zeitmessung im Elektrizitätswerk  stattfindet. Bei Schaltuhren ohne digitale Anzeige ist diese Art der  Zeitmessung relativ häufig.

1.2. Mechanischer Antrieb
Bei den mechanischen Antrieben gibt es wiederum zwei Systeme: 

  • der Antrieb durch eine Zugfeder,
  • der Gewichtsantrieb.
Bei der  Zugfeder wird die gespeicherte elastische Energie einer Spiralfeder zum Antrieb der Uhr ausgenutzt, beim Gewichtsantrieb die potentielle Energie einer Masse.
Viele mechanische Grossuhren besitzen neben der reinen Zeitanzeige akustische  Sonderfunktionen, wie einen Wecker oder ein Stundenschlagwerk. Im allgemeinen erfolgt  der Antrieb dieser Zusatzfunktionen auf die gleiche Weise, wie der Uhrwerksantrieb, d.h. ein mechanischer Wecker besitzt Zugfedern  für Uhrwerks- und Weckerantrieb, eine Kuckucksuhr Gewichte für Uhrwerk und  Schlagwerk. Gelegentlich findet man bei moderneren Wanduhren einen Gewichtsantrieb  für das Uhrwerk und einen Federantrieb für das Schlagwerk. Ein technischer  Unterschied zwischen den Antrieben für Schlag- und Uhrwerk besteht im  allgemeinen nicht.

1.2.1 Antrieb durch eine Zugfeder
Die Zugfedern bei Grossuhren und einfachen Kleinuhren bestehen aus Wärmebehandelten Stahl * . Nachteil dieses Materials ist die begrenzte Lebensdauer, da diese Federn nach langer Benutzung brechen können.  Bei hochwertigen modernen Armbanduhren werden fast ausschliesslich Federn aus höchst komplizierten Legierungen verwendet, die weniger leicht brechen und ausserdem Rostfrei sind. Beim mechanischen Antrieb mit Zugfeder gibt es zwei Systeme: 

  • Antrieb mit offener Zugfeder,
  • Antrieb mit umlaufendem Federhaus.
Das Federhaus ist ein Bauteil, dass man in vielen Grossuhren leicht erkennen kann:
ein grosser Messingzylinder, der an einer Stirnfläche verzahnt ist. In diesem  Zylinder ist die Zugfeder spiralförmig aufgewickelt. Die Verzahnung des  Federhauses stellt das erste Zahnrad der Uhr dar. Im Gegensatz dazu steht die offene  Feder, die in den meisten Weckern und einigen sehr billigen grossen Federzuguhren  verwendet wird. In einer solchen Uhr ist die Spiralfeder offen eingebaut und als  aufgewickeltes Stahlband im Uhrwerk zu erkennen.
Alle Armband- und Taschenuhren und alle besseren Grossuhren verwenden das umlaufende Federhaus. In diesem Fall wird die Zugfeder von der Achse des Federhauses aus (am inneren Ende der Feder) aufgezogen, die Kraftabgabe  erfolgt am äusseren Ende der Feder, die am Federhaus eingehängt ist. Das  Federhaus dreht sich also während die Uhr abläuft (daher der Name umlaufendes Federhaus).
Die Achse des Federhauses wird durch die Kraft der Feder zurückgetrieben (entgegen der Kraft des Aufziehenden). Man benötigt also noch ein Sperrad (Klinkenrad), das  eine Bewegung entgegen der Kraft der Feder (d.h. das Aufziehen) erlaubt, aber nach dem  Aufziehen die Achse des Federhauses gegen das Werkgestell abstützt. Das Klinkenrad ist also durch einen Vierkant kraftschlüssig mit der Achse verbunden, während die Klinke am Werkgestell befestigt ist.
Bei der offenen Feder erfolgt An- und Abtrieb der Feder am inneren Ende der Feder. Das  äussere Ende der Feder ist am Werksgestell einghängt, und ist damit fest. Das erste Zahnrad der Uhr, das von der Feder angetrieben wird besteht damit aus zwei  Teilen:
dem eigentlichen Zahnrad und dem Klinkenrad, an dem die Feder befestigt ist. Beim  Aufziehen wird das Klinkenrad bewegt, während das Zahnrad in diesem Moment von der Kraft der Feder befreit ist.

Die beiden Systeme haben folgende Vor- und Nachteile:
Das umlaufende Federhaus erlaubt einen besseren und gleichmässigeren Ablauf der  Feder, die Feder ist vor Umwelteinflüssen geschützt, ebenso ist das Uhrwerk  bei einem eventuellen Federbruch vor der Feder geschützt und als Hauptvorteil,  der Antrieb der Uhr wird während des Aufzuges nicht unterbrochen.
Die offene Zugfeder bietet nur den Vorteil, billiger zu sein. Als Zwischenform gibt es das  feststehende Federhaus, bei dem die offene Zugfeder von einem Federhaus, das fest mit der Werksplatte verbunden ist, umgeben ist. Dieses System ist etwas  einfacher als das umlaufende Federhaus und bietet die gleichen Schutzfunktion von  Feder und Werk. Es wurde allerdings nur sehr selten verwendet.
Die Unterbrechung des Antriebes während des Aufzugs lässt sich leicht  feststellen:
wenn man an einem gewöhnlichen Wecker leicht am Aufzugsschlüssel dreht,  wird das Ticken langsam leiser, nach einigen Sekunden hört es ganz auf. Bei einer  Armbanduhr wird die Uhr immer weiterlaufen.

1.2.1.1. Vor- und Nachteile des Federantriebes:
Vorteil des Federantriebes gegenüber dem Gewichtsantrieb ist die Möglichkeit  kleine und tragbare Uhren zu bauen, da ein Gewichtsantrieb eine Bewegung der Uhr  natürlich nicht zulässt. Der grosse Nachteil des Federantriebes ist die  Veränderlichkeit des Federantriebes während des Ablaufes. Eine Feder hat,  wenn sie voll gespannt ist, wesentlich mehr Kraft, wie wenn sie fast abgelaufen ist.  Da alle Schwingungssysteme in mechanischen Uhren nicht ganz unabhängig von der antreibenden Kraft sind, führt dies zu einem ungleichmässigen Gang der  Uhr.
Es gibt verschiedene Methoden um diese Ungleichheit der Antriebskraft zu reduzieren:
das effektivste Verfahren ist Schnecke und Kette *, da dieses Verfahren im Idealfall zu  einem völligen Ausgleich der Antriebskraft führt. Allerdings ist dieses  System sehr aufwendig. Bei Taschenuhren mit Spindelhemmung war die Verwendung dieses  Systems Standard (bis Anfang des 19. Jhdts.), bei englischen Taschenuhren wurde es  wesentlich länger verwendet, bis zum Ende der Produktion von englischen  Taschenuhren zu Beginn des 20. Jhdts. Fast bis in unsere Tage hat die Schnecke und  Kette sich bei den Marinechronometern erhalten.
Das häufigste und einfachste System zur Verbesserung der Konstanz des  Federantriebes ist die Beschneidung der Gangdauer. Eine Zugfeder hat nach dem  Hookeschen Gesetz in erster Näherung einen linearen Zusammenhang zwischen  Aufzugsweg und Antriebskraft. Baut man nun in eine Uhr, die einen Tag laufen soll,  eine Feder ein, die nach zwei Tagen abgelaufen wäre, zieht diese Uhr aber  trotzdem täglich auf, ändert sich die Federkraft nicht von annähernd  100 % auf 0% Kraft, sondern nur von 100% auf 50% (Diese Zahlenwerte dienen nur der  Darstellung der Verhältnisse. Natürlich geht die Federkraft in einer Uhr nicht auf 0% zurück.) . Ein anderer Effekt in diesem Zusammenhang ist, das Zugfedern die völlig aufgezogen sind, für kurze Zeit eine sehr hohe Kraft liefern (abweichend vom  linearen Zusammenhang). Dieser Bereich kann durch eine Stellung abgeschnitten werden.  Diese Stellung wird bei Armband- und Taschenuhren fast immer verwendet. Erkennbar ist  diese daran, dass sich die Aufzugswelle beim Loslassen ein wenig zurückdreht. Bei  Grossuhren und hochwertigen Taschenuhren wird gelegentlich eine Malteserkreuzstellung  (benannt nach einem Bauteil in diesem System, das ein wenig wie ein Malteserkreuz aussieht) eingebaut. Diese  Stellung verhindert zum einen, dass die Uhr ganz abläuft, zum anderen dass sie  ganz aufgezogen wird.

1.2.1.2. Betätigung des Federantriebes:
 Um den Federantrieb aufzuziehen gibt es zwei Möglichkeiten:
Bei Taschen- und Armbanduhren wird normalerweise der Aufzug über die Krone  verwendet. Diese Krone erlaubt im allgemeinen durch Herausziehen auch noch das Stellen  der Uhr, evtl. auch von Datum etc. Bei manchen älteren Taschenuhren muss zum  Stellen der Uhr auf einen kleinen Knopf gedrückt werden, der sich neben der Krone  befindet.
Bei alten Taschenuhren (teilweise bis Ende des 19 Jhdts. verwendet) und bei allen  Grossuhren erfolgt der Aufzug über einen separaten Schlüssel.

1.2.1.3. Automatischer Aufzug des Federantriebes:
Beim Federantrieb gibt es noch zwei Sonderformen des Antriebs, die ein Aufziehen der Uhr überflüssig machen:
Sehr weit verbreitet ist der automatische Aufzug bei Armbanduhren. Dabei wird  die Bewegung der Uhr am Handgelenk des Trägers ausgenutzt. Ein kleines  Massestück, das exzentrisch auf einer Achse gelagert ist, versucht  ständig 'nach unten zu hängen'. Diese Bewegung zieht über ein Getriebe  die Zugfeder auf.
Ein zweites System zum automatischen Aufzug von Grossuhren verwendet die Atmos von LeCoultre. Hierbei werden Temperaturschwankungen, die es in jedem Raum gibt, zum Antrieb der Uhr genutzt. Da die dabei entstehenden Energien aber ungeheuer gering sind, muss ein spezielles Schwingsystem (Torsionspendel (T) ) verwendet werden.

1.2.2. Antrieb durch ein Gewicht
Bei vielen Grossuhren (bekanntestes Beispiel ist wahrscheinlich die Kuckucksuhr)  erfolgt der Antrieb der Uhr durch ein herabfallendes Gewicht. Beim Gewichtsantrieb gibt es drei Systeme.

1.2.2.1. Der einfache Kettenantrieb
Sehr häufig wird der Kettenantrieb verwendet. Dabei läuft eine Kette über ein Sternrad (d.h. ein Ritzel mit zur Kette passenden Zähnen, ähnlich wie beim Fahrrad). Zum Aufzug der Uhr wird einfach am freien Ende der Kette gezogen. Dieses  System ist sehr einfach, hat aber zum einen den Nachteil, das der Antrieb beim Aufziehen unterbrochen wird, zum anderen ist der Antrieb durch eine Kette immer etwas springend.  Dieses System wird bei den meisten Kuckucksuhren, Schwarzwalduhren, vielen Stand- und  Hausuhren verwendet.

1.2.2.2. Der Antrieb über Seil und Seiltrommel
Das zweite System ist der Antrieb über Gewicht, Seil und Seiltrommel. Bei diesem  System wird ein Seil auf eine Seiltrommel gewickelt. Der Vorteil gegenüber der  Kette ist die gleichmässigere Kraftabgabe des Seils. Dieses System wurde oft bei  Präzisionsuhren verwendet, wobei das Seil oft aus Darm oder dünnen  Metallseilen bestand, ferner bei 8-Tages Schwarzwalduhren, Comtoise-Uhren und vielen  Englischen Standuhren. Der Aufzug erfolgt hier durch einen Schlüssel oder eine  Kurbel. Auch dieses System hat den Nachteil, dass der Antrieb während des Aufzugs  unterbrochen wird. Da das Seil oft bei Präzisionsuhren verwendet wurde, bei denen  einige Sekunden Fehlzeit während des Aufzugs zu grossen Fehlern führen  würden, wurden hier oft Hilfsmittel eingebaut, die den Antrieb während des  Aufzuges erhalten (Gegengesperr).

1.2.2.3. Der Antrieb nach Huygens
Das dritte System ist der Antrieb nach Huygens. Dieses System vermeidet durch eine  raffinierte Kettenführung die Unterbrechung des Antriebes während des Aufzugs. Dieser Antrieb wurde allerdings nur selten verwendet, da er nur mit einer Kette  vernünftig funktioniert, und damit für Präzisionsuhren weniger geeignet  war, für einfache Uhren war der höhere Aufwand gegenüber dem dort nur  geringen Vorteil des unterbrechungsfreien Aufzugs nicht gerechtfertigt. Auch dieses  System wird durch Ziehen an der Kette (von einem freien Ende kann man hier nicht  sprechen, da die Kette bei diesem Aufzug endlos ist) aufgezogen.

2. Übertragung der Antriebsenergie auf das Zeitmessystem

2.1. Elektrische Antriebe

2.1.1. Direkte elektrische Antriebe
Bei den rein elektronischen Quarzuhren findet die Übertragung der Antriebsenergie  auf den Quarzschwinger durch eine elektronische Baugruppe statt, deren Beschreibung  nicht Aufgabe dieses Artikels ist (d.h. ich weiss nicht, wie das genau funktioniert).
Bei den elektromechanischen direkten Antrieben wird die Bewegung des mechanischen  Schwingers durch einen Elektromagneten angeregt, d.h. das Prinzip ist ähnlich wie  bei einem Elektromotor.
Uhren mit direktem Antrieb der Unruh (Unruhmotor) waren in den 50er und 60er Jahren des  20. Jahrhunderts relativ weit verbreitet. Man erkennt sie an der Tatsache, dass eine Batterie zum Betrieb nötig ist, sie aber doch eine Art Ticken von sich geben  (erfolgt das Ticken allerdings genau im 1-Sekunden-Rhythmus handelt es sich um eine  Quarzuhr, ertönt nebem dem Ticken alle paar Minuten ein 'Klack' oder in  grösseren Zeitabständen ein Surren, handelt es sich um eine indirekt  elektrisch angetriebene Uhr).
Bei Uhren mit Unruhmotor ist das Hauptproblem, der Unruh bei jeder Schwingung einen  Antriebsimpuls zu geben. Dies wurde zuerst durch einen kleinen Schalter bewerkstelligt, später mit Hilfe einer sehr einfachen Elektronik.
Natürlich kann auch ein Pendel direkt elektrisch angetrieben werden, wie z.B. bei  der Bulle- oder ATO- Uhr. Diese Uhren sind meistens sehr charakteristisch, durch ein U-förmiges Pendel, das durch einen Elektromagneten hindurchläuft. Auch  diese Uhren wurden bei jeder Schwingung eines Pendels angetrieben.
Eine Sonderform stellt die Hipp-Uhr dar, bei der das Pendel nur dann angetrieben wurde, wenn es in einem gewissen Mass an  Energie verloren hat.

Ein Vorgriff auf ein späteres Kapitel sei gestattet: Das in elektromechanischen  Uhren mit direktem Antrieb enthaltene Räderwerk dient nicht der  Energieübertragung zum Schwinger, sondern nur zur Zeitanzeige (darin unterscheiden sich diese Uhren von den mechanischen Uhren, bei denen das Räderwerk beiden  Zwecken dient.)

2.1.2. Indirekte elektrische Antriebe
Wie bereits oben erwähnt, zieht in einem indirekten elektrischen Antrieb entweder  ein Elektromagnet oder ein Elektromotor einen konventionellen mechanischen Antrieb auf. Der weitere Verlauf der Energieübertragung ist also identisch mit den  mechanischen Antrieben.
Beim Aufzug durch Elektromagneten ist die Konstruktion allerdings oft etwas anders als  bei rein mechanischen Antrieben. Das häufige Aufziehen im Minutenrhythmus erfordert für den Antrieb nur einen sehr kleinen Weg (zum Vergleich: beim konventionellen  Gewichtsantrieb fällt das Gewicht insgesamt oft 2m, bei einem  Magnetaufzug weniger als einen Zentimeter.). Deswegen wird  oft eine Konstruktion verwendet bei der ein kleines Gewicht auf einem Hebel sitzt, der  sich konzentrisch auf der Achse des angetriebenen Rades befindet, und dort über  eine Sperrklinke abstützt. Das Gewicht beschreibt also keinen linearen Weg nach  unten, sondern bewegt sich auf einem Kreisbogen. Dieser Hebel kann ebenso durch eine  Zylinderförmige Feder (im Gegensatz zu Spiralfeder im konventionellen Federantrieb) betätigt werden. Im allgemeinen befindet sich an der unteren Stellung dieses Hebels ein Schalter, der ein erneutes Aufziehen der Uhr veranlasst.

2.2. Mechanische Antriebe
Die Übetragung der Antriebsenergie bei mechanischen Uhren erfolgt über das  altbekannte Räderwerk, also ein System bei dem ein grosses Zahnrad in ein kleines  Ritzel (in der Uhrmacherei als 'Trieb' bezeichnet) eingreift. Die Getriebe bei Uhren  unterscheiden sich stark von Getrieben in normalen Maschinen. Zum einen findet immer  eine Übersetzung ins Schnelle statt, zum anderen sind wegen der hohen  Übersetzungen die Verhältnisse der Anzahl der Zähne zwischen Zahnrad und Trieb (Ritzel) wesentlich höher (oft 10:1). Ein Unterschied zwischen der  Kraftübertragung bei Feder- und Gewichtsantrieb gibt es nicht.

2.2.1. Aufbau der Zahnräder
Zahnräder bei Uhren haben im allgemeinen folgenden Aufbau:
Die Welle ist gemeinsam mit dem Trieb aus einem Stück Rundstahl gedreht, die  Zähne des Triebes werden gefrässt. Eine Sonderform der Triebe bei billigen  Uhren sind die Hohl- oder Laternentriebe. Diese werden auf die Achse aufgepresst und  bestehen aus einer Messingrolle (ähnlich einer Garnrolle). Die beiden Scheiben der Rolle werden mit einer Anzahl von Löchern versehen, entsprechend der  benötigten Anzahl von Zähnen. In diese Löcher werden Stahlstifte  gesteckt, die die Funktion der Triebzähne übernehmen. Diese Hohltriebe  besitzen eine Menge Vorteile: zum einen sind sie billiger als die massiven (aus dem vollen gefrässten) Triebe, ferner lassen sie sich mühelos durch  Auswechseln der Stifte reparieren, die Reibungsverhältnisse sind wegen der guten  Politur des Stahldrahtes recht gut. Da diese Art der Triebe als klassischer Anzeiger  für eine billige Uhr gelten, werden sie in besseren Uhren nie verwendet.  In Kleinuhren wurden sie ebenfalls nicht verwendet.
Die radiale Lagerung der Welle erfolgt über den Zapfen, ein Absatz der Welle, d.h. der Durchmesser des Zapfens ist immer etwas geringer, als der Durchmesser der Welle.  Die Axiale Lagerung erfolgt fast immer über die Schulter des Ansatzes  Zapfen - Welle. In Fällen, bei denen sehr geringe Reibung gewünscht wird (bei Kleinuhren i. A. die Unruhwelle), findet die axiale Lagerung am Ende des Zapfens durch  Deckplättchen (T)  statt.

2.2.2. Übersetzungsverhältnisse
Betrachtet man eine konventionelle Standuhr, so kann man beobachten, dass das erste Rad, also das an der Seiltrommel oder am Kettenrad befestigte Zahnrad, nur 5 - 7 Umdrehungen in der Woche macht. Das letzte Rad in einer solchen Uhr macht oft eine Umdrehung in der Minute (so dass man direkt den Sekundenzeiger daran befestigen kann). Wenn man die  Übersetzung zwischen diesen Zahnrädern berechnet, kommt man auf einen Wert  von 1:2016 (das erste Rad macht 5 Umdrehungen in der Woche, das letzte 10080). Das  Räderwerk in einer mechanischen Uhr dient ab dem Minutenrad (also der Welle, auf  der der Minutenzeiger sitzt) zwei Zwecken: Zum einen wird damit die Antriebskraft  übertragen, zum anderen werden damit die Schwingungen des Zeitnormals gezählt. Dadurch sind die Übersetzungsverhältnisse in diesem Bereich des Getriebes  festgelegt. Bleiben wir bei dem Beispiel einer Standuhr mit Sekundenpendel (T) ,  dessen  Hemmungsrad 1 Umdrehung in der Minute macht, so ist die Übersetzung zwischen  Hemmungsrad und Minutenrad auf 60:1 festgelegt. Der Stundenzeiger ist übrigens bei nahezu allen Uhren nicht Teil des Antriebsstranges, sondern sein Umlauf wird über  das Zeigerwerk vom Minutenrad abgeleitet.
Die kleinste Anzahl Die kleinste Anzahl von Zahnrädern bei Uhren ist 3, das Antriebsrad, das Minutenrad und das Hemmungsrad. In den seltensten Fällen aber nur wird man mit diesen drei  Zahnrädern auskommen. Um die Laufzeit zu vergrössern, wird im allgemeinen  zwischen Antriebsrad und Minutenrad das Grossbodenrad eingefügt, ferner zwischen  Minutenrad und Hemmungsrad das Kleinbodenrad. Bei Uhren mit langer Laufzeit oder hoher Schwingungsfrequenz können es auch noch weitere Räder sein.

2.2.3. Lagerung der Zahnräder
Der wichtigste Punkt beim Räderwerk ist die Vermeidung von Reibung. Zum einen ist  die vorhandene Kraft in Uhren begrenzt, und sollte in möglichst hohem Masse am  Zeitnormal ankommen, zum anderen würde die Einführung sehr starker Federn oder  schwerer Gewichte für einen starken Verschleiss im Räderwerk sorgen.
Die Reibung kann durch eine sorgfältige Lagerung der Zahnräder und durch  eine geschickte Zahnform verringert werden.
Die Zahnräder werden bei Grossuhren und einfachen oder alten Taschenuhren in Löchern der Platinen gelagert. Dabei ist ein möglichst geringer  Durchmesser der Zapfen von Vorteil. Die Reibungskraft wird zwar durch dünnere  Zapfen nicht verringert, das zum Drehen benötigte Drehmoment (auf das es hier  ankommt) verringert sich aber, da die Reibungskraft an einem kleineren Hebel (=Radius  des Zapfens) wirkt. Wie vorher erwähnt, findet die axiale Lagerung der Achsen im  Allgemeinen an den Zapfenschultern statt. Wenn sehr geringe Reibung erwünscht ist, wird die Lagerung mit Deckplättchen angewendet. Dabei werden axiale Kräfte von einer Deckplatte, die das radiale Lager praktisch nach aussen abschliesst,  übernommen. Die Zapfen müssen dabei an der Spitze verrundet sein. Diese Art  der Lagerung hat durch den wesentlich verringerten axialen Lagerradius (Radius bei  Schulterlagerung = Radius der Welle, bei Deckplattenlagerung = punktförmig)  wesentlich weniger Reibung. Dieses Verfahren wird hauptsächlich in Kleinuhren bei  der Lagerung der Unruhwelle, evtl. der Hemmungsradwelle angewendet.
Ein weiteres Verfahren um die Reibung der Zapfen zu verringern, ist die Anwendung von  Steinen (i.A. künstliche Rubine) als Lagerwerkstoff. Die Paarung Rubin/Stahl  weisst eine noch geringere Reibung als Messing/Stahl auf, ferner ist durch die grosse  Härte der Steine die Abnutzung geringer. Die Lagerung in Steinen wird bei  Kleinuhren fast allgemein angewendet (Aufdruck auf Uhren '17 Rubis'), bei Grossuhren  fast nur bei Präzisionsregulatoren und Marinechronometern. Weiter werden Steine  für Paletten, Kugellagerkugeln *  und überflüssige Steine *  verwendet.
Ein weiteres Mittel zur Verringerung der Reibung in Uhren ist das Ölen der Lager.  Früher wurden dazu verschiedene pflanzliche (z.B. gekochtes und gereinigtes  Oliven- oder Leinöl) und tierische (Klauenöl) Öle verwendet, heute auch  mineralische und synthetische Öle. Die Anforderungen an ein Uhrenöl sind  wesentlich von normalen Maschinenölen verschieden. Die Druckfestigkeit muss  höher sein, da sich durch die geringen Umlaufgeschwindigkeiten der  Uhrenräder kein dynamischer Schmierfilm einstellen kann, ferner werden sehr hohe  Anforderungen an die Altersbeständigkeit gestellt, insbesondere da eine  Veränderung der Viskosität des Öls zu einer Veränderung der  Reibungsverhältnisse führt, was den Gang der Uhr beeinflusst. Während in den meisten Maschinen das Öl beliebig herumfliessen kann und soll, muss das Öl in Uhren von selbst an seinem Platz haften (die sogenannte Ölhaltung), was durch die Oberflächenspannung des Öls und die Form der Ölstellen  (z. B. durch Ölsenkungen) erreicht wird.

2.2.4. Zahnformen
In der Technik wird im allgemeinen zwischen der Evolventen- und der Zykloidenverzahnung unterschieden. Diese beiden Zahnformen entstehen durch geometrische Konstruktionen. In  der allgemeinen Getriebetechnik wird die Evolventenverzahnung verwendet, die sich  für Übersetzungen ins Langsame und geringe Unterschiede bei den Zahnanzahlen  gut eignet. In der Uhrentechnik wird die Zykloidenverzahnung verwendet * , aufgrund ihrer Vorteile bei der Übersetzung ins  schnelle und der geringen Anzahl der Zähne bei den Trieben. Andere Zahnformen  finden sich gelegentlich beim Aufzug (Wolfszähne bei den Aufzugsrädern von  Kleinuhren, Evolventenzähne beim Aufzug von Turmuhren), ferner besitzt das  Hemmungsrad eine von der Art der Hemmung abhängige Zahnform.

3. Zeitmessysteme

3.1. Schwinger
Es wurde schon oben erwähnt, dass zur Zeitmessung in Uhren Schwinger (im  physikalischen Sinne) verwendet werden. Wodurch ist dies begründet?
Die ersten von der Sonne unabhängigen Zeitmessgeräte, die sogenannten  Elementaruhren (Kerzenuhren, Wasseruhren* ) verwendeten eine  analoge Grösse als Zeitnormal. Ähnlich entstanden wohl die ersten  Räderuhren aus dem Versuch heraus, den gebremsten (gehemmten, deswegen Hemmung)  Ablauf eines Räderwerkes als Uhr zu verwenden. Ein solches System ist aber in  seiner Geschwindigkeit direkt von der Antriebskraft abhängig, die für  Zeitmesszwecke nie genau genug geregelt werden kann. Deswegen wird in jeder Uhr ein  Schwingkreis als Zeitnormal verwendet, dessen Frequenz in erster Näherung von der  Antriebskraft unabhängig ist. Ein Schwingkreis zeichnet sich dadurch aus, das eine  Energieform in eine andere übergeführt wird (z.B. kinetische in potentielle  Energie beim Pendel oder elektrische Energie in mechanische Energie beim Quarz). Die  Bewegungsgleichung eines einfachen Schwingers kann sehr leicht hergeleitet werden.
Betrachtet wird ein Wagen der Masse m, der sich reibungsfrei auf einer Unterlage  bewegen kann. Er sei über eine Feder mit der Federkonstante k an einer Wand  befestigt, so dass sich der Wagen in Richtung der Feder (Koordinate x) bewegen kann.
Man kann sich nun leicht vorstellen, dass dieser Wagen, wenn er angestossen wird, mit einer ihm eigenen Frequenz in Richtung auf die Wand zu bzw. weg schwingt. Schaut man sich solch ein Modell  genau an, wird man feststellen, dass bei starkem Anstossen zwar sein Weg grösser wird, aber auch seine Geschwindigkeit, so dass insgesamt seine Schwingfrequenz konstant ist.
Die Kräfte, die zu einem beliebigen Zeitpunkt an diesem Wagen angreifen, sind die Federkraft F1 = k * x und die Beschleunigungskraft
F2 = m * dx2/dt2 . Beide  müssen nach dem Kräftegleichgewicht addiert Null ergeben. Setzt man die  Bewegungsgleichung für x mit x = cos (wt) an, ergibt sich für die Frequenz  der Schwingung des Wagens w = Wurzel (k/m), d.h. die Frequenz ist nicht vom Weg, also  der Amplitude der Schwingung, und damit von der Antriebskraft abhängig.  Ähnliche Beziehungen gelten für beliebige andere Schwingungen, elektrischer  oder mechanischer Art, genauso.
Leider ist in der Praxis die Frequenz nicht ganz unabhängig von der Amplitude.  Dies ist z.B. bei Federschwingern durch die nicht absolut lineare Abhängigkeit  von Kraft und Weg bedingt. Diese Effekte werden im ersten Moment klein erscheinen, man  darf dabei aber nicht vergessen, dass ein Fehler von 1% bei einer Uhr schon einer täglichen Abweichung von einer Viertelstunde entspricht.
Ein weiterer grosser Störfaktor bei mechanischen Uhren ist die Tatsache, dass der  Schwinger nicht ungestört schwingen kann, sondern durch die Hemmung angetrieben  werden muss. Dies führt ebenfalls zu Fehlern in der Zeitmessung.

3.2. Elektrische Uhren

3.2.1. Direkt angetriebene elektrische Uhren
Bei Quarzuhren wird als Zeitnormal ein Schwingquarz verwendet, der auf dem  piezoelektrischen Effekt beruht. Bei bestimmten Kristallen führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Kristalls, umgekehrt führt eine  erzwungene Verformung zu einer Spannung im Kristall. Dies ist der piezoelektrische  Effekt. Dieser Effekt wird in vielen Bereichen der Technik ausgenutzt, z.B. für  Mikrofone und Lautsprecher.
In diesen Bereich gehören auch die heute weit verbreiteten Funkuhren.  Diese Uhren empfangen von einem Sender ein codiertes Zeitsignal, dass die aktuelle Uhrzeit  und das Datum enthält. Die Uhrzeit wird dabei von einer Atomuhr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, die die deutsche Normzeit bestimmt, übernommen. Mit diesem Zeitsignal  wird eine eingebaute Quarzuhr synchronisiert, die auch die Zeitmessung bei Senderausfall sicherstellt.

Bei den in den 30er bis 60er Jahren oft gebauten direkt angetriebenen  elektromechanischen Uhren wurden die gleichen Schwingsysteme wie bei mechanischen Uhren, also Pendel und Unruh verwendet. Eine Ausnahme stellt die Bulova Accutron dar, deren Zeitnormal eine  Stimmgabel ist. Diese arbeitet mit wesentlich höheren Frequenzen als normale  mechanische Uhren (Schwingfrequenz einer gewöhnlichen Armbanduhr ist ca. 4 Hz, bei der  Stimmgabeluhr 300 Hz).

3.2.2. Indirekt angetriebene elektrische Uhren
Indirekt angetriebene Uhren unterscheiden sich in ihrem Zeitnormal nicht von rein  mechanischen Uhren, d.h. sie verwenden als Schwinger Pendel oder Unruh in Verbindung mit einer mechanischen Hemmung.

3.3. Mechanische Uhren
Mechanische Uhren verwenden als Zeitnormal ein Pendel, die Unruh, oder  in Einzelfällen ein Drehpendel. Die in sehr frühen Uhren verwendete Waag (Foliot)  stellt im physikalischen Sinn kein Schwingsystem dar, soll aber trotzdem hier kurz  vorgestellt werden.

3.3.1. Die Waag
Die Waag war das erste für mechanische Uhren verwendete Zeitnormal und wurde vermutlich Mitte des 12. Jhdts. zusammen mit der Spindelhemmung erfunden. Meiner Meinung nach entstand die Waag nicht aus dem Bestreben heraus, ein Schwingsystem zur Zeitmessung zu bauen, sondern einfach um den Ablauf des Räderwerks so zu hemmen, dass sich  vernünftige Laufzeiten für die Uhr (damals etwa 12 Stunden) ergaben. Da bei der Bewegung der Waag keine Umwandlung zweier Energieformen stattfindet, ist sie zur  Zeitmessung eigentlich ungeeignet. Die Schwingfrequenz ist in hohem Masse von der  Antriebskraft abhängig. Die erreichte Ganggenauigkeit liegt wohl bei ca. 15 min/Tag.
Zur Regulierung der Waag gab es drei Möglichkeiten:
Bei Grossuhren wurden an der Waag Gewichte aufgehängt, wobei eine Veränderung der Lage der Gewichte eine gewisse Regulierung der 'Schwingfrequenz' der Waag zulässt. Bei Kleinuhren wurde oft die Schweinsborstenregulierung angewendet. Dabei wird der  Rotationswinkel der Waag durch elastische Borsten eingeschränkt. Eine Veränderung  des Rotationswinkels reguliert ebenfalls die Uhr.
Schlieslich war bei federgetriebenen Uhren auch immer eine Regulierung der Antriebskraft möglich, d.h. die Vorspannung der Zugfeder konnte verändert und damit die Schwingfrequenz der Uhr eingstellt werden.

3.3.2. Das Pendel
Das Pendel war für mehrere hundert Jahre das wichtigste Zeitnormal für einfachste wie genaueste Uhren. Erfunden wurde das Pendel zweimal: Zum ersten mal von Galileo Galilei, zum zweiten mal von Christiaan Huygens. Galileo gebührt zwar das Recht der eigentlichen Erfindung, was auch Huygens nie  bestritten hat, allerdings hat letzterer die technische Umsetzung erreicht, d.h. Pendeluhren gab es (von einem Exemplar abgesehen, dass der Sohn von Galileo Galilei, Vincenzo Galilei gebaut hat) erst nach Huygens. Diese zweite Erfindung fand im Jahre 1658 statt. Ab diesem Zeitpunkt konnte schlagartig die Genauigkeit von Uhren von mehreren Minuten am Tag auf unter einer Sekunde gesteigert werden.
Ein 'mathematisches' (also ideales) Pendel besteht aus einer masselosen Pendestange, die an ihrem oberen Ende aufgehängt ist, und einer Masse am unteren Ende der Pendelstange, die Pendellinse. Viele reale Pendel nähern sich diesem Ideal durch eine leichte (oft hölzerne) Pendelstange und einer sehr schweren (gusseisernen oder  bleiernen) Pendellinse an. Bei einfachen Uhren, z.B. Schwarzwalduhren kann allerdings die Masse von Pendelstange und Linse in ähnlichen Dimensionen liegen.
Das Pendel ist ein echter Schwinger im physikalischen Sinne. Es findet ein  Energieaustausch zwischen der kinetischen Energie der Pendelmasse und der potentiellen Energie der Pendelmasse im Umkehrpunkt statt. Bei einem ungestörten Pendel (d.h. ohne Einfluss der Hemmung) gibt es nur drei wesentliche Einflussgrössen, die die  Genauigkeit des Pendels beeinflussen können: 

  • die (i.a. unveränderliche) Schwerkraft,
  • Änderungen des Luftdruckes,
  • die Pendellänge.
Zum ersten Punkt ist zu sagen, das die eingeklammerte Bemerkung nicht scherzhaft gemeint ist. Bei extremen Präzisionsuhren, wie sie bis in die 40er Jahre des 20. Jhdts. (vor der allgemeinen Einführung der Quarzuhr) gebaut wurden, hatten Änderungen der  Schwerkraft durchaus einen Einfluss. Bei Bestellung einer solchen Uhr wurde der  beabsichtigte Aufstellungsort mit angegeben, da zum einen die Schwerkraft an  verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich ist, zum anderen bei Aufstellung in extremen Höhen (man denke an Observatorien der Astronomie, die sich oft auf hohen Bergen  befinden), die Gravitation deutlich anders sein kann, als am Herstellungsort der Uhr. Der Einfluss des Mondes auf die Gravitation wurde meines Wissens nach zwar untersucht, aber nie durch besondere Massnahmen an der Uhr berücksichtigt.
Änderungen des Luftdruckes wirken sich zum einen auf den Luftwiderstand des Pendels beim Schwingen, zum anderen in einer Änderung des Gewichtes der Pendellinse (durch den Auftrieb) aus. Entsprechende Kompensationsvorrichtungen (eine Vorichtung, die ähnlich wie ein Barometer aussieht) finden sich relativ häufig an  Präzisionsuhren. Für normale Uhren ist dieser Einfluss aber vernachlässigbar.
Die wichtigste Einflussgrösse auf die Genauigkeit eines Pendels ist allerdings die  Änderung der Pendellänge, bedingt durch die thermische Ausdehnung des Materials der Pendelstange.

3.3.2.1. Die Temperaturkompensation des Pendels
Zum Ausgleich der Längendehnung des Pendels gab es viele verschiedene Verfahren, von denen vier allgemein verwendet wurden. Alle diese Verfahren beruhen auf dem gleichen Prinzip. Die Temperaturkompensation soll die Verschiebung des Pendelschwerpunktes verhindern. Dabei wird nach folgendem Verfahren vorgegangen:
Die Pendelstange besteht aus einem Material mit relativ geringem  Wärmeausdehnungskoeffizienten *  (z.B. Stahl, Holz, spezielle  Legierungen). Am unteren Ende der Pendelstange wird ein Material mit hohem  Wärmeausdehnungskoeffizienten angebracht, dessen Dehnung der Dehnung der Pendelstange entgegengesetzt ist. Insgesamt soll sich ein Ausgleich der beiden Dehnungen ergeben.

3.3.2.1.1. Das Holzpendel
Das einfachste Verfahren zur Kompensierung von Temperatureinflüssen bei Uhren ist die  Verwendung einer hölzernen Pendelstange. Holz weisst einen sehr geringen  Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich in  Verbindung mit einer metallenen Pendellinse recht gute Zeitmessergebnisse ergeben.  Der Einfluss der Pendellinse ist dabei folgender: Da die Metallscheibe um unteren Ende der Pendelstange aufgehängt ist, dehnt sie sich bei Erwärmung relativ zur Pendelstange  nach oben aus. Die Ausdehnung ist wesentlich stärker als bei der hölzernen Pendelstange, allerdings ist die Scheibe im Durchmesser auch wesentlich kleiner als die Länge der Stange. Insgesamt gleichen sich die Dehnung der Stange nach unten und der Scheibe nach  oben in etwa aus.
Eine hölzerne Pendelstange muss sehr gut imprägniert sein, da auch Änderungen der  Luftfeuchtigkeit zu Längenänderungen führen.
Ein hölzernes Pendel hat natürlich zuallererst den Vorteil sehr billig zu sein. Die damit erreichte Genauigkeit reicht selbst für sehr gute Uhren aus.

3.3.2.1.2. Das Harrison'sche Gitterpendel
Die erste erfolgreiche Methode, thermisch bedingte Dehnungen der Pendelstange gesteuert (also nicht wie beim Holzpendel, mehr oder weniger zufällig) auszuschliesen, war das  Harrison'sche Gitterpendel, erfunden von John Harrison. Prinzipiell funktioniert dieses Verfahren folgendermassen:
Man nehme eine stählerne Pendelstange. Am unteren Ende befindet sich keine Pendellinse, sondern ein Querträger auf dem zu beiden Seiten und parallel zur Stahlstange zwei  Messingstangen (oft auch Zinkstangen, die einen noch höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Messing besitzen) sitzen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl ist etwas geringer als der von Messing, so dass das obere Ende der beiden Messingstangen bei einer Temperaturerhöhung etwas höher liegt, als das Ende der Stahlstange. Am oberen Ende der Messinstangen ist wieder ein Querträger befestigt (der allerdings lose auf der mittleren Stahlstange sitzt). An diesem Querträger sind wieder zwei Stahlstangen befestigt. Diese dehnen sich wieder etwas weniger als das Messing aus, so dass bei sorgfältiger Abstimmung der Längen und Einfügen evtl. weiterer Stangen sich insgesamt eine Nulldehnung am unteren Ende der Stange ergibt.
Diese Vorrichtung funktioniert im Prinzip sehr gut, erfordert aber eine sehr genaue Abstimmung der verschiedenen Stangenlängen* .
Da die Kombination von parallel liegenden Stahl- und Messingstangen sehr dekorativ aussieht, findet sich ein solches Pendel recht häufig auch an einfachen Uhren. In diesem Fall handelt es sich aber immer um eine Imitation dieses Systems, ohne jede Funktion.

3.3.2.1.3. Das Quecksilberkompensationspendel
Am Ende einer stählernen Pendelstange ist ein (in vielen Fällen auch zwei) Behälter aus Glas oder Metall angebracht, in dem sich Quecksilber befindet. Dieser Behälter vertritt die Funktion der Pendellinse. Quecksilber hat einen sehr grossen Ausdehnungskoeffizienten, so dass die Längenänderung der Pendelstange durch Ausdehnung des Quecksilbers kompensiert wird. Auch dieses System findet man relativ häufig als Imitation *  an Uhren, z.B. an Französischen und Amerikanischen Pendulen.

3.3.2.1.4. Das Invarpendel
Das Invarpendel ist eine Erfindung des 20. Jhdts und wurde in den meisten Präzisionsuhren dieser Zeit verwendet. Invar ist eine  spezielle Eisen-Nickel Legierung, die einen extrem geringen  Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt. In diesem Fall reicht ein sehr kurzes Ausgleichsstück, z.B. aus Messing aus, um eine Kompensation zu erreichen.
Das Problem bei diesem an sich recht einfachen und extrem genauen System ist das Material Invar. Es ist zwar nicht allzu teuer, es neigt aber zu spontanen Dehnungen, die eine sehr aufwendige Vorbehandlung des Materials erforderlich machen.

3.3.2.2. Störungen beim Pendel
Ein anderer wesentlicher Fehler beim Pendel ist die (im Gegensatz zum idealen Pendel vorhandene) Amplitudenabhängigkeit. Grund dafür ist die Tatsache, dass die Wirkung der Schwerkraft nicht linear von der Amplitude (Schwingungsbreite) des Pendels abhängig ist, sondern es besteht ein Sinuszusammenhang. In der Herleitung der Bewegungsgleichung wird davon ausgegangen, dass für kleine Winkel der Sinus eines Winkels gleich dem Winkel ist. Bei der in Uhren geforderten Genauigkeit gilt diese in der Mathematik und Physik oft verwendete Näherung aber nicht mehr. Um diesen Fehler zu minimieren gibt es verschiedene Ansätze: 

  • Möglichst gleichmässige Amplitude. Ändert sich die Antriebskraft, und damit  die Schwingungsamplitude nicht, so ist der Amplitudenfehler vernachlässigbar. Diese Forderung kann auf verschiedene Weisen erfüllt werden. Im einfachsten Fall wird ein Gewichtsantrieb genutzt und das Räderwerk möglichst fehlerfrei gebaut. Die nächste Verfeinerung wäre ein Zwischenantrieb, wie er in Turmuhren viel verwendet wird. In diesem System zieht das Hauptantriebssystem ein kleineres Antriebsystem (Gewicht), das näher am Hemmungsrad liegt, in regelmässigen  Zeitabständen auf. Dadurch werden Ungenauigkeiten der Übertragungskette minimiert.

  • Das beste Verfahren zur Amplitudenstabilisierung ist die Verwendung spezieller Hemmungen (Schwerkraft- und Federhemmung) bei der die Antriebskraft in der Hemmung, also am letzten Punkt der Antriebskette noch einmal stabilisiert wird. Diese Hemmungen sind allerdings sehr aufwendig.
  • Verringerung der Amplitude. Die Abweichung zwischen einem Winkel und dem Sinus des  Winkels wird umso geringer, je geringer der Winkel ist. Deswegen wird bei Präzisionsuhren die Schwingungsamplitude weitestmöglich verringert (bis unter 1 Grad). Dabei taucht allerdings das Problem auf, das in diesem Fall eine sehr sorgfältig eingestellte Hemmung vonnöten ist, ferner ist es schwieriger die Uhr störungsfrei laufen zu lassen, da das Pendel sehr wenig überschüssige Energie besitzt, die Störungen Überwinden helfen kann.
  • Zykloidische Aufhängung. Schon bei der Erfindung des Pendels hat Huygens den  Amplitudenfehler erkannt. Sein Vorschlag zu dessen Behebung war die Zykloidische  Aufhängung. Dabei wird das Pendel an einem dünnen Band oder Faden aufgehängt.  Dieser Faden legt sich beim Schwingen des Pendels an eine speziell geformte Kurve an, die die Pendellänge entsprechend den Erfordernissen korrigiert.

  • Dieser Gedanke ist zwar bestechend, allerdings ist die exakte Formung einer solchen Kurve sehr schwierig. Das System wurde nur selten (und noch seltener mit Erfolg) verwendet.
3.3.2.3. Pendelaufhängung
Dem Pendel muss es möglich sein, um seine Drehachse zu schwingen. Die bewegliche Aufhängung, die diese Schwingung ermöglicht, muss möglichst reibungsarm sein, stabil, wegen des oft hohen Pendelgewichtes, und eine genaue Führung des Pendels ermöglichen. Folgende Systeme werden im Allgemeinen verwendet:

3.3.2.3.1. Federaufhängung
Das am meisten verwendete System ist die Aufhängung an einer Pendelfeder. Diese Pendelfeder besteht meistens aus zwei parallel liegenden Blattfedern (Dicke typischerweise 1/10 mm). Diese Aufhängung kann mit Erfolg bei allen Uhrenarten eingesetzt werden.

3.3.2.3.2. Drahtösenaufhängung
Bei diesem System befinden sich am Ende der Pendelstange zwei Ösen. In der Uhr wird ein rechtwinklig gebogener Draht (wie eine Tackerklammer) eingesetzt. Die beiden Ösen werden über den Draht geführt, wobei ihr Durchmesser wesentlich grösser ist als der  Drahtdurchmesser. Dadurch wird erreicht, das die Welle im Lager nicht gleitet (mit der damit verbundenen Reibung), sondern rollt. Dieses System wird oft in Schwarzwalduhren angewandt.

3.3.2.3.3. Fadenaufhängung
Besonders bei älteren französischen Stutzuhren und älteren Comtoise-Uhren (beide vor ca. 1850) findet man die Fadenaufhängung. Bei diesem System ist das Pendel an einer Fadenschlinge aufgehängt. Nachteil dieses Systems ist die Abnutzung des Fadens, der gelegentlich ausgetauscht werden muss, und die Tatsache, dass sich die Länge des Fadens in Abhängigkeit  von der Luftfeuchtigkeit stark ändert, was die Schwingungsfrequenz des Pendels beeinflusst.

3.3.2.3.4. Schneidenaufhängung
Bei Präzisionsuhren wird oft die Messerschneidenaufhängung verwendet. Dabei befindet sich am Pendel eine Art Schneide, meistens aus Achat oder Stahl, die auf einer flachen oder leicht vertieften Pfanne abrollt. Diese Lagerung erlaubt sehr geringe Reibung und hohe Pendelgewichte, ferner eine einfache Einstellbarkeit des Pendeldrehpunktes (bei der Federaufhängung ist der genaue Drehpunkt des Pendels nicht festgelegt). Allerdings ist die Schneidenaufhängung auch sehr aufwendig, sehr empfindlich gegen Bewegung der Uhr  (kann nur bei fest montierten Uhren verwendet werden) und einer gewissen Abnutzung  unterworfen.

3.3.2.3.5. Zapfenlagerung
Eine weitere Möglichkeit ist es, das Pendel wie eine gewöhnliche Achse auf Zapfen zu lagern. Dieses System ist aber mit starker Reibung und Abnutzung verbunden, und wird  allerhöchstens bei ganz einfachen Uhren mit leichten Pendeln und grosser Pendelamplitude verwendet.

3.3.2.4. Regulierung des Pendels
Um die genaue Schwingfrequenz eines Pendels einzustellen* , besitzt jede Uhr eine  Reguliervorrichtung, die es erlaubt den Schwerpunkt des Pendels relativ zum  Drehpunkt (und damit die effektive Pendellänge) zu verändern.

3.3.2.4.1. Reguliermutter
Bei den meisten Uhren wird zur Veränderung der effektiven Pendellänge die Reguliermutter eingesetzt. Bei diesem System ist am Ende der Pendelstange ein Gewinde angebracht. Auf  diesem Gewinde sitzt die Reguliermutter, auf der wiederum die Pendellinse aufliegt. Durch Drehen der Mutter kann die Pendellänge eingestellt werden.

3.3.2.4.2. Brocotaufhängung
Bei vielen französischen Pendulen findet man die Brocotaufhängung. Dieses System erlaubt eine Einstellung der Schwingfrequenz von der Zifferblattseite der Uhr aus. Die Pendelfeder liegt dabei zwischen zwei Messingbacken, die über ein Gewinde nach oben und unten verstellt werden können. Damit verschiebt sich der Drehpunkt des Pendels in der Pendelfeder und damit die Pendellänge. Der Antrieb des Gewindes wird über ein Kronradgetriebe um 90 Grad umglelenkt und kann von der Zifferblattseite aus mit Hilfe eines Vierkants und einem  Schlüssel bedient werden. Dieses System stammt von der Fadenaufhängung ab, bei dem durch den Vierkant einfach der Faden ein Stück auf- oder abgewickelt wurde. Bei allen Pendeln mit diesem System ist aber zur Grobeinstellung ebenfalls eine Reguliermutter  vorhanden.

3.3.2.4.3. Verschiebung der Pendellinse
Bei einfachen Uhren (hauptsächlich Schwarzwalduhren) wird die effektive Pendellänge direkt durch Verschieben der Pendellinse, die mit Reibung auf der Pendelstange sitzt, eingestellt. Dieses System erlaubt nur eine sehr ungenaue Einstellung der Länge.

3.3.2.4.4. Auflagegewichte
Bei Präzisionsuhren wird die Feinregulierung meistens durch Auflagegewichte durchgeführt. Dabei werden auf einen Teller am Pendel Gewichte aufgelegt oder weggenommen, was  den Gesamtschwerpunkt des Pendels verändert. Vorteil dieses Systems ist, das die Gewichte leicht skaliert werden können (d.h. man kann die Gewichte so abstimmen, dass eines  z.B. genau eine Sekunde/Tag vorgehen bewirkt), ferner muss das Pendel zum Regulieren nicht angehalten werden (Dies ist bei Präzisionsuhren von Vorteil, da das Pendel mehrere Stunden bis Tage braucht, bis es Eingeschwungen ist).

3.3.2.5. Pendellängen
Man kann Pendel nach ihrer Länge oder Schwingdauer benennen. Oft erwähnt wird das: 

  • Kurzpendel mit einer Länge von 10 - 30 cm, meistens verbunden mit einer Spindelhemmung und einer sehr grossen Schwingungsamplitude. Andere Namen für diese Pendelart sind Vorderpendel*  (das Pendel schwingt vor dem Zifferblatt und ist ähnlich lang wie das Zifferblatt), Kurzschwengel, Kuhschwanzpendel (wobei dieser Name nicht verwendet werden sollte, da er wohl romantisierend aus dem Kurzschwengel entstanden ist, und dem Benutzer vorwirft, nicht zu wissen, dass eine Kuh mit ihrem Schwanz eher langsam und majestätisch  als schnell und hektisch wedelt).
  • Sekundenpendel. Dieses Pendel mit einer Länge von knapp einem Meter macht in einer Sekunde genau eine Halbschwingung. Dieses Pendel wird in den meisten Standuhren und Präzisionsuhren verwendet. Besitzt das Hemmungsrad 30 Zähne, kann der Sekundenzeiger auf der Hemmungsradwelle befestigt werden.
3.3.3. Die Unruh
Der grosse Nachteil des Pendels ist die Unmöglichkeit damit bewegliche (tragbare) Uhren zu bauen. Die Unruh erlaubt dies. Die Unruh (oder genauer Unruh und Spiralfeder) ist ein Schwingsystem bei dem die  rotatorische kinetische Energie einer sich drehenden Masse umgesetzt wird in die potientelle Energie einer Spiralfeder. Wenn die Unruh genau ausgewuchtet ist, ist die Schwingfrequenz des Systems unhabhängig  von der Lage im Raum. Wenn die Spiralfeder genau dem Hookeschen Gesetz folgt, ist das System auch von  der Schwingungsweite unabhängig (isochrones Schwingen).
Die Unruh ist ein Nachkomme der Waag. Wird an der Waag eine Feder angebracht, die der Drehbewegung entgegenwirkt, erhält man ein Schwingungsfähiges System. Erfunden wurde die Spiralfeder an der Unruh um 1680, relativ gleichzeitig von Huygens und Hooke.
Eingesetzt wird die Unruh bei allen Uhren, die einer Bewegung ausgesetzt sind, d.h. Armband- und Taschenuhren, Schiffschronometern und Schiffsuhren, Borduhren für Fahr- und Flugzeuge,  technische Laufwerke und bei Weckern (die stehen zwar normalerweise auf dem Nachttisch, sie werden aber auch  oft herumgetragen und bewegt), ferner wird die Unruh bei den meisten Grossuhren ab den 60er Jahren eingesetzt. Hierbei vermute ich, dass die Unruh eingesetzt wurde, da sie es erlaubt ein kompaktes geschlossenes Uhrwerk herzustellen, das überall eingebaut werden kann (Ein Pendel ist zwar im Prinzip einfacher herzustellen und damit billiger als Unruh und Spiralfeder, man muss aber immer das Pendel  getrennt transportieren, verpacken, ein- und ausbauen, einstellen etc., so dass es im industriellen  Herstellungsprozess insgesamt wohl teurer ist.).

Das System Unruh und Spiralfeder besteht aus vier Komponenten: 

  • Die Unruhwelle, auf der sich die Unruh dreht,
  • Der Unruhreif, der die sich drehende Masse der Unruh in sich vereint,
  • Die Spiralfeder, die die Gegenkraft zur Schwungkraft des Unruhreifs liefert,
  • Hemmungsteile.
3.3.3.1. Unruhwelle und Lagerung
Die Unruhwelle wird aus Stahl gedreht. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Zapfen, die bei der Unruh im wesentlichen folgenden Anforderungen gerecht werden müssen: 
  • Geringste Reibung
  • Lageunabhängigkeit der Reibung
  • Stabilität
Weit verbreitet sind nur drei Lagerungssysteme für die Unruh: 
  • Die Lagerung mit Trompetenzapfen
  • KörnerlaKörnerlagerung
  • Schwebeunruh
In nahezu allen Taschen- und Armbanduhren, ferner in vielen besseren Grossuhren wird die Lagerung mit Trompetenzapfen in Loch- und Decksteinen (T)   durchgeführt. Dabei wird die Achse radial in Lochsteinen, axial an Decksteinen gelagert. Durch die Lagerung der Achse mit Decksteinen (oder in einfacheren Uhren oft auch stählerne Deckplättchen) ergibt sich neben der geringeren Reibung in axialer Richtung noch ein weiterer Vorteil: Durch die axiale Lagerung an der Spitze der Welle ist die Schulter, d.h. ein scharfkantiger Übergang vom Zapfen auf die Welle nicht nötig. Dadurch kann der kleine Durchmesser des Zapfens kontinuierlich auf die Welle übergeführt werden, was eine Trompetenform des Zapfens bewirkt. Durch die Vermeidung des scharfen Überganges Welle-Zapfen wird dort keine Kerbwirkung hervorgerufen, wass eine  grössere Stabilität des Zapfens ergibt. Er kann also noch dünner gestaltet werden,  was eine geringere Reibung auch in radialer Richtung ergibt. Die dünnen Zapfen (Bei Armbanduhren liegt der Durchmesser unter einem zehntel Millimeter)  der Unruh sind sehr bruchgefährdet, da der Unruhreif relativ schwer ist. Deswegen wird die Lagerung der Unruhwelle in modernen Uhren (ab ca. 1930) immer stossgeschützt ausgeführt. Es gibt verschiedene Stossicherungsysteme, bekannt ist z.B. Incabloc oder Kif.  Diese Stossicherungen funktionieren vereinfacht nach folgendem Prinzip:
Loch- und Deckstein befinden sich gemeinsam in einem etwa kegelförmigen Gehäuse, dass durch eine Feder in ein passendes Loch in der Platine gedrückt wird. Wird die Unruh einem starken Stoss ausgesetzt, kann die Welle mitsamt dem Lager entgegen der Federkraft ausweichen. Der maximale Ausweichweg wird durch stärkere Teile der Unruhwelle vorgegeben, die an eine entsprechende Stelle der Platine anschlagen und den Stoss besser verkraften als die Unruhzapfen. Nach dem Stoss wird das Lager durch die Feder wieder in die Grundstellung gedrückt und die Uhr kann weiterlaufen.Erkennbar ist eine Stossicherung an einem entsprechenden Aufdruck auf der Uhr (oft englisch 'shockproof') oder an einer winzigen goldfarbenen Feder über dem Unruhdeckstein.
Die Stossicherung kann als Datierungshilfe für Armbanduhren dienen, da sie sich um 1930 praktisch schlagartig duchgesetzt hat. Taschenuhren wurden auch danach noch oft ohne Stossicherung gebaut.

Die Körnerlagerung wird bei den meisten Weckern und gelegentlich bei einfachen Taschen- und Armbanduhren (in den 30er-50er Jahren) eingesetzt. Die Unruhwelle ist dabei  kegelförmig angespitzt, die Lager besitzen kegelförmige Vertiefungen, mit etwas grösserem Öffnungswinkel als die Kegel der Welle. Ein solches Lager ist einfacher und billiger als die Lagerung mit Trompetenzapfen, auch recht stabil, allerdings starker Abnutzung unterworfen. Deswegen wurde es nur in einfachen Uhren  eingebaut. Man erkennt es oft daran, dass ein Unruhlager einen Schraubenkopf (Vierkant,  Sechskant, Schlitz) besitzt, mit dem das axiale Spiel des Lagers eingestellt werden kann.

Es wurde schon gesagt, dass Grossuhren der 50er und 60er Jahre oft eine Unruh besitzen, obwohl sie als stationäre Uhren gedacht sind. In diesen Uhren findet man sehr häufig die Schwebeunruh. Die Unruh dreht sich dabei nicht parallel zu den anderen Rädern der Uhr sondern um eine senkrechte Achse.
Der Aufbau ist folgender: Die Unruh besitzt anstatt der Unruhwelle ein dünnes Rohr. Durch dieses Rohr wird ein dünner Stahldraht gezogen, um den die Unruh rotiert. Da dieser Draht senkrecht steht, tritt praktisch keine radiale Reibung auf. Eine feste axiale Lagerung ist nicht vorgesehen. Das Gewicht der Unruh wird von der zylindrischen Spiralfeder aufgefangen, so dass auch keine Reibung in axialer Richtung auftritt. Die Spiralfeder muss eine Doppelwendel sein, da andernfalls sich bei jeder Schwingung der Unruh die gesamte Unruh nach oben oder unten bewegen würde. Es gibt auch Systeme, bei denen das Unruhgewicht von zwei gleichpoligen Magneten aufgefangen wird.
Dieses System hat gegenüber der gewöhnlichen Unruhlagerung den Vorteil der geringeren Reibung, gegenüber dem Pendel ist es weniger lageabhängig (Diese Lagerung verträgt eine Abweichung von ca. 30 Grad gegenüber der senkrechten, während eine Pendeluhr  vollkommen senkrecht stehen muss).

3.3.3.2. Der Unruhreif
Der Unruhreif vereinigt den grössten Teil der rotierenden Masse einer Unruh in sich. Es ist ein metallener Reif, mit zwei bis vier Speichen, die die Verbindung mit der Unruhwelle ermöglichen.
Der wichtigste Punkt am Unruhreif ist die Vermeidung von Unwucht. Eine nicht ausgewuchtete Unruh verusacht den sogenannten Lagefehler, d.h. Abweichungen bei der Zeitmessung,  abhängig von der Lage der Uhr. Dieser Fehler tritt aber nur bei einer stehenden Uhr auf (d.h. bei waagrecht liegender Unruhwelle), da bei einer Uhr die auf dem Gehäuseboden oder dem Zifferblatt liegt, die Unwucht der Unruh keine Rolle spielt.
Es gibt drei Methoden, die Unwucht zu verringern, bzw. unwirksam zu machen: 

  • Bei den meisten alten Uhren findet man die Unruh mit Schrauben. Dabei werden in den Rand des Unruhreifs kleine Schrauben eingesetzt und solange ausgetauscht und  eingestellt, bis die Unruh ausgewuchtet ist.
  • Bei den meisten modernen Uhren (ab ca. 1970) findet man die schraubenlose Unruh. Bei  dieser wird am Unruhreif einfach Material weggebohrt, bis die Unruh ausgewuchtet ist. Dieses System hat weniger Luftwiderstand als die Schrauben, ferner ist die Masse  konzentrierter (d.h. man kann bei gleichem Unruhaussendurchmesser ein höheres  Trägheitsmoment erreichen) und es ist natürlich billiger.
  • Eine ganz andere Methode zur Beseitigung des durch Unwucht verursachten Fehlers  verwendet das Tourbillon.  Es handelt sich dabei um ein Drehgestell, in dem sich Unruh,  Spiralfeder und Hemmungsmechanismus befinden. Dieses Gestell dreht sich i.A. einmal pro Minute. Dabei werden alle Unwuchtfehler der Unruh gegenseitig ausgeglichen. Dieses  System wurde etwa 1800 von Abraham Louis Breguet erfunden. Der Gedanke ist bestechend,  allerdings ist dieses System extrem aufwendig, und steht in keinem Verhältnis zum  Nutzen* .
Auch bei Unruhuhren ist der Störeinfluss von Temperaturänderungen sehr gross. Eine Methode zur Kompensation dieser Einflüsse ist die Verwendung eines Bimetallunruhreifes. Die Funktion  wird unter "Die Temperaturkompensation der Unruh (T) " erklärt.

3.3.3.3. Die Spiralfeder
Die Spiralfeder einer Uhr mit Unruh ist eine Drehfeder, d.h. ihre Hauptbewegungsrichtung ist rotatorisch. Aufgabe der Spiralfeder ist es, gegen die Schwungkraft der Unruh zu wirken,  und damit einen Wechsel zwischen kinetischer Energie der Unruh und potientieller Energie  der Spiralfeder zu ermöglichen.
Es gibt von der Geometrie der Feder her im wesentlichen drei Bauformen: 

  • Die flache Spiralfeder
  • Die aufgebogene Spiralfeder (Breguetspirale)
  • Die zylindrische Feder
Der Werkstoff für Spiralfedern war früher i.A. gebläuter *  Stahl. Bei einfachen Uhren (Wecker) wird oft auch eine Bronze- oder Messingspirale verwendet. Die modernen hochwertigen Armbanduhren besitzen zur Temperaturkompensation (T)   Spiralen aus speziellen, hochlegierten Metallen (Nivarox). Das Material wird zu flachen  Bändern gewalzt und zur Spirale gewickelt.

Die flache Feder ist die allgemein verwendete Bauform. Ihr Vorteil ist der geringe Platzbedarf und die einfache Herstellung. Der Nachteil dieser Federform ist, dass sich die Feder beim Schwingen nicht gleichmässig ausdehnt. Dies bewirkt zum einen eine Schwerpunktverschiebung der Spiralfeder, so dass sich wieder Lagenfehler ergeben können, zum anderen wirken  seitliche Kräfte auf die Unruhwelle, die zusätzlichen Abnutzung der Welle verursachen können. Insbesondere schwingt eine flache Unruh nicht isochron (T).
Diese Fehler können durch Einführung der aufgebogenen oder Breguet-Spirale (nach ihrem Erfinder A. L. Breguet) veringert werden. Dabei wird das äussere Ende der Spiralfeder (befestigt im Spiralklötzchen) aus der Ebene der Spirale aufgebogen und in eine festgelegte (und mathematisch bestimmbare) Form gebogen. Man bezeichnet diese Formkorrektur der Spirale auch als äussere Endkurve.
Bei Marinechronometern und einigen sehr hochwertigen Taschenuhren wird die Zylindrische Spirale verwendet. Die Spirale hat die Form einer gewöhnlichen Feder in der Technik, allerdings werden an beiden Enden Endkurven angebracht, die eine noch gleichmässigere Entfaltung der Spirale zulassen. Nachteil dieser Form ist die grössere Bauhöhe, die eine Verwendung in Armbanduhren nicht zulässt und in Taschenuhren wesentlich erschwert, ein anderer Punkt ist, dass diese Federform nicht mit einem Rücker (T) reguliert werden kann.

Eine ähnliche Form ist die bifilare Spiralfeder in Uhren mit Schwebeunruh. (T)

3.3.3.4. Hemmungsteile
Die Funktion der Hemmungsteile an der Unruh wird unter Hemmungen erklärt.

3.3.3.5. Die Temperaturkompensation der Unruh
Der Einfluss von Temperaturänderungen bei Unruhuhren ist wesentlich komplizierter als bei Pendeluhren. Insgesamt werden drei Grössen beeinflusst: 

  • die Länge der Spiralfeder, damit auch ihre Federeigenschaften,
  • der Durchmesser der Unruh, damit ihr Massenträgheitsmoment,
  • der Elastizitätsmodul der Spiralfeder.
Alle drei Punkte bewirken ein Nachgehen der Uhr bei Erwärmung. Zum letzten Punkt ist zu sagen, dass es eine Eigenschaft der meisten Materialien ist, bei Erwärmung nachgiebiger zu werden. Dieser Einfluss ist so gering, dass er in der gewöhnlichen Technik bei Temperaturen um die Raumtemperatur vernachlässigt werden kann. Bei den Genauigkeiten, die von einer Uhr gefordert werden, ist dieser Einfluss sehr wesentlich. Der durch die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls verursachte Fehler liegt bei 30sec/Tag bei einem Grad Temperaturänderung.
Zur Beseitigung bzw. Verringerung des Temperaturfehlers gibt es drei Methoden: 
  • Beeinflussung der Spiralfederlänge,
  • Beeinflussung des Massenträgheitsmomentes der Unruh,
  • Veränderung der Materialeigenschaften der Spiralfeder.
Die zuerst genannte Methode wurde bei den ersten Uhren mit Temperaturkompensation (um 1700) verwendet. Dabei wird der Rücker (T) auf einen Bimetallstreifen gesetzt, der die Länge der Spiralfeder beeinflusst. Für Präzisionsuhren ist diese Methode weniger geeignet, da jede Veränderung der Spiralfederlänge zu einer Beeinträchtigung des Isochronismus (T) führt. Ein anderer Weg ist  die Beeinflussung des Massenträgheitsmomentes der Unruh, durch Verwendung einer Bimetallunruh. Der  Unruhreif besteht aus zwei fest miteinander verbundenen konzentrischen Ringen, der innere Ring ist aus  Stahl, der äussere aus Messing. Der Unruhreif wird ferner an zwei Stellen in der Nähe der Speichen aufgeschnitten. Wird der Reif erwärmt, dehnt sich das Messing stärker aus als der Stahl, so dass sich der aufgeschnittene Teil der Unruh nach innen krümmt, und damit ein geringeres Massenträgheitsmoment, damit eine höhere Schwingfrequenz ergibt, was die geringere Steifigkeit der Feder wieder ausgleicht. Nachteil an diesem System ist erstens, dass eine korrekte Justage des gesamten Systems sehr aufwendig ist. Zweitens ist der aufgeschnittene Unruhreif relativ instabil und kann sich mit der Zeit verformen, was in hohem Masse die Zeitmessung beeinflusst. Drittens beseitigt diese Massnahme nicht den sogenannten sekundären Fehler. d.h wenn die Uhr bei 0 Grad und 20 Grad Temperaturkompensiert ist, ist sie dies noch lange nicht bei 15 Grad.

Seit den dreissiger Jahren des 20. Jhdts. wird i. A. die Nivarox-Spirale verwendet (Natürlich nur, wenn die Uhr temperaturkompensiert ist). Dieses spezielle, nickelhaltige Material weisst eine sehr geringe Änderung des Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Temperatur auf, ferner lässt sich diese Abhängigkeit so regulieren, dass die Fehler, die durch  Ausdehnung der Unruh entstehen, mitkompensiert werden. Da dieses Mittel recht einfach und relativ preiswert ist, hat es sich mittlerweile fast vollständig durchgesetzt.

3.3.3.6. Die Regulierung der Unruh
Bei der Regulierung *  der Frequenz einer Unruh gibt es zwei Möglichkeiten: 

  • Änderung der Spiralfederlänge,
  • Änderung des Massenträgheitsmomentes der Unruh.
Die erste Möglichkeit findet sich beim allergrössten Teil der Unruhuhren.  Die Länge der Spiralfeder wird mit Hilfe des sogenannten Rückerseingestellt. Der Rücker ist eine Art winziger zweizinkiger Gabel, zwischen deren Zinken die Spiralfeder liegt. Diese Gabel ist auf einem Arm befestigt, der konzentrisch zur Unruhachse drehbar befestigt ist. Durch Drehen dieses Armes wird die wirksame Länge der Spiralfeder verändert, damit die  Schwingungsfrequenz der Unruh. An besseren Uhren findet man oft eine Feinstellung, die eine genaue  Einstellung des Rückers ermöglicht. Hier gibt es z.B. die Schwanenhalsregulierung, bei der der Rücker mit Hilfe einer feinen Schraube eingestellt wird. Diese Schraube drückt auf die eine Seite des Rückers, auf der anderen Seite drückt eine Feder (die rings um den Rücker in Form eines  Schwanenhalses liegt) dagegen, um das Spiel in dieser Anordnung zu beseitigen. Eine andere Bauform ist die Exzenterregulierung, bei der der Rücker durch eine leicht exzentrische Scheibe verstellt wird, bei Grossuhren wird auch häufig ein Zahnrad auf dem Rücker befestigt, dass von einem kleinen Ritzel betätigt wird.

Bei Präzisionsuhren (Schiffschronometer, einige Taschen- und Armbanduhren) wird die Regulierung der Frequenz durch Veränderung der Massenträgheit der Unruh eingestellt, da eine Veränderung der  Spiralfederlänge den Isochronismus der Feder beeinträchtigt. Dazu befinden sich zwei Schrauben im Unruhreif, die zum Schnellerstellen der Uhr hineingedreht werden (und umgekehrt). Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Uhr zum Regulieren jedesmal angehalten werden muss, dass man dabei an der  empfindlichen Unruh herumschrauben muss, und dass die Unruh bei jeder Regulierung wieder ausgewuchtet  werden muss.

Eine ähnliche Technik verwenden die Uhren mit Schwebeunruh (T) , die wegen der zylindrischen Spiralfeder ebenfalls keine Regulierung der Federlänge zulassen. Die Veränderung des Massenträgheitsmoments wird allerdings nicht durch Schrauben durchgeführt. Der Unruhreif besitzt zwei Speichen, wodurch der Reif in zwei Hälften unterteilt wird. Jede Hälfte wird am Innenrand so ausgefräst, dass der Innenradius des Reifes von der einen zur anderen Speiche immer grösser wird. In diesen Unrufreif wird eine Scheibe federnd eingesetzt, auf der zwei Gewichte sitzen, die an den veränderlichen Innenradius angepresst werden. Wird diese Scheibe verdreht, vedrehen sich beide Gewichte gleichförmig, so dass die Unruh nicht unwuchtig wird. Allerdings verändern die Gewichte ihren Radius zur Drehachse, so dass eine Regulierung der Unruh möglich ist. Häufig ist der Drehwinkel skaliert, d.h. es wird angegeben, dass der Gang der Uhr sich um soundsoviel sec./Tag bei Bewegung um einen Teilstrich der Skala ändert.
 
 

3.3.4. Das Torsionspendel
Bei den sogenannten Jahresuhren (400-Tagesuhren) und bei der Atmos (T)  findet man  das Torsionspendel. Jahresuhren laufen mit einem Aufzug ca. 400 Tage, die Atmos wird von Temperaturschwankungen angetrieben. Beiden Uhren ist gemeinsam, dass die zum Antrieb zur Verfügung stehende Energie extrem gering ist. Um bei einer Uhr Energie zu sparen, gibt es zwei Möglichkeiten: Man kann die Reibung im Uhrwerk weitestmöglichst verringern und man kann die Schwingungsfrequenz des Pendels verringern, da die Energie sprungweise bei jedem Fortschreiten des Uhrwerks verbraucht wird. Schwingt das Pendel nur einmal in der Minute anstatt einmal in der Sekunde läuft die Uhr 60mal so lang. Beide Möglichkeiten bietet das Torsionspendel. Es besteht aus einem rotierenden Gewicht das an einem flachen Metallband aufgehängt ist. Durch diese Aufhängung tritt nur die sehr geringe Reibung im Material des Bandes (dieses entspricht der Spiralfeder bei Unruhuhren) und die Luftreibung auf. Das Gewicht rotiert, wobei  das Metallband tordiert wird und eine Gegenkraft zur Drehung des Gewichtes bietet. Da diese Gegenkraft sehr klein gemacht werden kann, ergeben sich bei Jahresuhren Zeiten von einigen Sekunden, bei der Atmos braucht das Pendel eine Minute für eine Halbschwingung. Auch bei diesem System kann die Frequenz nur  über eine Veränderung des Massenträgheitsmoments der drehenden Masse eingestellt werden. Bei den neueren Jahresuhren besteht die Masse i.A. aus vier Kugeln, die über einen Mechanismus weiter oder enger zusammengestellt werden. Bei der Atmos und älteren Jahresuhren besteht die Masse aus einer flachen Scheibe auf der zwei Reguliergewichte sitzen, die über eine Gewindestange nach innen oder aussen gestellt werden. Torsionspendel haben den Nachteil einer recht geringen Ganggenauigkeit.

3.3.5. Das Rotationspendel
Lässt man ein gewöhnliches Pendel nicht auf einer Ebene hinundherschwingen, sondern mit der Spitze des Pendels eine elliptische Bahn beschreiben (so dass sich das Pendel auf einem Kegel bewegt, dessen Spitze die Pendelaufhängung bildet, die Basis die sich bewegende Pendelspitze) erhält man ein Rotationspendel. Die Spitze des Pendels greift in einen Arm der sich um eine Achse drehen kann. An dieser Achse ist ein Trieb befestigt, der in das Räderwerk der Uhr eingreift. Die  Umlaufgeschwindigkeit dieser Achse wird von dem Pendel reguliert, ebenso wird das Pendel von dem Arm angetrieben. Man erspart sich dabei den Hemmungsmechanismus und die Uhr läuft lautlos, allerdings ist die Ganggenauigkeit nicht sehr gut. Solche Uhren wurden nur als Einzelstücke gebaut.

4. Hemmungen der mechanischen Uhren
Die Hemmung gehört zwar eigentlich mit zum Kapitel "Zeitmessysteme", wegen ihrer  grossen Bedeutung für die Zeitmesstechnik wird ihr hier ein eigenes Kapitel gewidmet. Die Erfindung der mechanischen Hemmung ist identisch mit der Erfindung der mechanischen Uhr, da alle anderen Elemente wie Gewichtsantrieb und Räderwerk vorher schon bekannt waren. Der genaue Zeitpunkt dieser Erfindung ist unbekannt, wird aber etwa im 12. Jhdt in Italien vermutet. Erste genauere Hinweise tauchen im 13. Jhdt auf,  vom 14. Jhdt. sind noch einzelne Uhren erhalten.

4.1. Grundsätzliche Funktion der Hemmung
Im Kapitel 3.1. Schwinger  wurde gezeigt, dass das wesentliche Element einer Uhr ein schwingungsfähiges System (z.B. ein Pendel) ist, dessen  Schwingungsfrequenz zumindestens in erster Näherung von der Amplitude unabhängig ist. Nun kann man einen solchen Schwinger nicht einfach in der Hand halten, seine Schwingung anregen, und seine Schwingungen zählen * . Aufgabe der Hemmung ist es, diese beiden Funktionen, also den Antrieb des Schwingers und das Zählen der Schwingungen zu erfüllen.
Diese Funktionen werden bei den meisten konventionellen mechanischen Uhren auf folgende Weise erfüllt:
Das letzte Zahnrad des Uhrwerks ist das Hemmungsrad, dass keine einfache Zykloidenverzahnung wie die sonstigen Zahnräder besitzt, sondern eine von der Hemmungsart abhängige Form. Mit dem Pendel oder Unruh ist in irgendeiner Form ein Anker verbunden, der zwei Zähne (i.A. Paletten genannt) besitzt, die in das Hemmungsrad eingreifen können. Dabei greift bei einem Umkehrpunkt der Schwingung die eine Palette des Ankers in das Zahnrad ein, beim anderen Umkehrpunkt die andere Palette. Die Funktion des Zählens ist damit schon erfüllt: Nehmen wir an, ein Sekundenpendel befinde sich an seinem linken Umkehrpunkt. Eine Palette des Ankers greift in das Hemmungsrad ein, welches damit blockiert ist. Schwingt das Pendel zur anderen Seite, gibt es einen kurzen Moment, in dem die erste Palette das Rad freigibt, die andere aber noch nicht eingreift. Das Hemmungsrad kann sich um einen Zahn weiterbewegen. Besitzt  das Hemmungsrad 30 Zähne, wird es sich in einer Minute einmal umdrehen, so dass der  Sekundenzeiger auf dem Rad befestigt werden kann. So weit, so gut, allerdings wird das Pendel nach einigen Schwingungen durch Reibung an der Luft, den Hemmungsteilen etc. seinen Schwung verloren haben und stehenbleiben. Es fehlt also noch der Antrieb.
Dazu befindet sich an den Hemmungsradzähnen oder an den Paletten (oder an beiden) eine schiefe Ebene. Nehmen wir den einfachsten Fall eines sehr spitzen Hemmungsradzahnes und einer etwa rechteckigen Palette, die etwa parallel zu den Zähnen steht. Während der Bewegung des Pendels vom ersten Umkehrpunkt zur Mittelstellung bewegt sich die eine Seite der Palette entlang der Seite des Zahnes nach oben. Ist die Unterkante der Palette erreicht,  wird der Zahn freigegeben. Liegt diese Unterkante nicht tangential zur Bahn der Zahnspitze, sondern in einer passend gewählten schiefen Ebene dazu, wird, während sich der Zahn weiterdrehen kann, die Palette vom Zahn ein wenig nach oben gedrückt. Diese Kraft wird zum Antrieb des Pendels (bzw. der Unruh) genutzt. Das Pendel wird also bei jeder Halbschwingung gleichzeitig auch angetrieben.
Bei den Präzisionspendeluhren, wie sie Ende des 19. Jhdts und Anfang des 20. entwickelt wurden, gab es auch Verfahren, bei denen Antrieb und Zählung getrennt wurden. Dabei handelt es sich allerdings immer um elektromechnische Uhren. So wird z.B. bei der Hipp-Uhr das Pendel immer nur dann angetrieben, wenn es in einem bestimmten Mass an Energie (und damit Amplitude) verloren hat. Bei  anderen Uhren wurde das Pendel durch einen Elektromagneten angetrieben und die Schwingungen mit Hilfe einer Lichtschranke gezählt.

Einige Begriffe bei der Hemmung:
Das Pendel und Unruh beschreiben einen Kreisbogen, damit ebenso die Paletten. Dieser Bogen von einem Umkehrpunkt zum anderen wird in einige Bereiche unterteilt: 

  • Der Ergänzunsbogen ist der Teil der Bewegung, bei dem die Palette nur auf dem  Hemmungsradzahn reibt und diesen sperrt. Da hierbei Reibung entsteht, ist dieser Bereich  möglichst klein zu halten.
  • Der Teilbogen in dem der Antrieb erfolgt wird Hebung genannt.
  • Der Teilbogen, in dem das Hemmungsrad sich freibewegen kann (bis es von der zweiten Palette gesperrt wird) wird der Fall genannt. Auch dieser Bereich ist möglichst klein zu halten.
Des weiteren unterscheidet man folgende Hemmungsarten: 
  • Bei der rückführenden Hemmung wird das Hemmungsrad während des Ergänzungsbogen in geringem Masse zurückgedreht. Bei der Ruhereibenden Hemmung bleibt das Hemmungsrad in Ruhe. Letzteres ist i. A. vorzuziehen, da die Rückwärtsbewegung Reibung und Störungen in der Bewegung des Pendels verursacht. Es gibt allerdings auch Fälle, bei denen diese Effekte zur Kompensation anderer Störeinflüsse verwendet werden können.
  • Man unterscheidet ferner zwischen freien und unfreien Hemmungen. Bei einer freien Hemmung wird der Ergänzungsbogen dadurch klein gehalten, dass es in diesem Bereich keinen oder wenig Kontakt zwischen Schwinger und Hemmung gibt. Bei der unfreien Hemmung befindet sich Schwinger und Hemmung permanent im Eingriff. Diese Hemmungen sind i.A. einfacher zu bauen, bringen aber mehr Störungen von der Hemmung auf den Schwinger.
4.2. Hemmungen bei Kleinuhren

4.2.1. Unfreie Hemmungen bei Kleinuhren
Unfreie Hemmungen haben wie oben erwähnt die Eigenschaft, dass Unruh und Hemmungsrad permanent  miteinander im Engriff stehen. Das hat nachteilig höhere Reibung und mehr Verschleiss zu Folge, kann aber bei einfachen Uhren auch dazu führen, das das Vorgehen bei voll aufgezogener Uhr durch erhöhte Reibung der Unruh kompensiert wird. Es gibt fast unendlich viele Hemmungssysteme, weswegen  hier nur die vorgestellt werden sollen, denen man in der Praxis häufiger begegnet.
Der heutige Uhrensammler wird bei den unfreien Hemmungen wahrscheinlich zuerst der Zylinderhemmung begegnen. Diese Hemmung wurde xxxx von Thomas Tompion erfunden und ist im Prinzip eine Abwandlung der Grahamhemmung der Grossuhren.  Die Zylinderhemmung war zuerst eine genauere Alternative zur älteren Spindelhemmung, entwickelte sich  aber Mitte des 19.Jhdts zur bevorzugten Hemmung bei billigen Taschenuhren, bis sie um 1910 von der Stiftankerhemmung abgeloest wurde.
Die älteste Hemmung, bei Gross- wie Kleinuhren über Jahrhunderte hinweg eingesetzt, ist die  Spindelhemmung. Dieses System wurde etwa im 13. Jhdt erfunden und bis Mitte des 19. Jhdts eingesetzt. Die Spindelhemmung ist zwar unfrei und im Gegensatz zur Zylinderhemmung rückführend, sie bietet allerdings auch einige Vorteile: 

  • sie ist einfach anzufertigen,
  • sie funktioniert ohne Öl* ,
  • sie funktioniert auch bei relativ schlechter Ausführung noch gut,
Ein weiterer grosser Nachteil der Spindelhemmung ist, dass sie ein Kronrad benötigt, da das Hemmungsrad senkrecht zur Unruhachse und damit auch zu allen anderen Achsen des Räderwerks steht.  Das Kronrad erlaubt eine solche Umlenkung der Kraft um 90 Grad.
Weitere in relativ grossen Mengen hergestellte unfreie Hemmungen bei Kleinuhren sind noch die  Duplexhemmung und die Kommahemmung.

4.2.2. Freie Hemmungen bei Kleinuhren
Die meisten freien Hemmungen bei Kleinuhren funktionieren durch Einführung eines Zwischengliedes, des sogenannten Ankers (Name aufgrund der Form). Bei einer Ankerhemmung sind die Palleten am Anker befestigt, die Unruh wird durch eine am langen Hebel des Ankers angebrachte Gabel, die in einen Stift an der Unruh eingreift, angetrieben. Diese Gabel und der Stift (oft Ellipse genannt) befindet sich nur in einem kleinen Teilbogen der Schwingung in Eingriff, den grössten Teil des Schwingungsbogens kann die Unruh frei schwingen. Man unterscheidet im wesentlichen folgende Typen von Ankerhemmungen: 

  • Schweizer Kolbenzahnhemmung,
  • Englische Spitzzahnhemmung,
  • Stiftankerhemmung.
In den allermeisten Armbanduhren ist die Schweizer Kolbenzahnhemmung eingebaut, in einigen wenigen sehr billigen Uhren die Stiftankerhemmung. Eine sehr ähnliche Form ist die  Glashütte-Hemmung. In den englischen Taschenuhren des 19. Jhdts ist die Englische Spitzzahnhemmung eingbaut.
Die einzige freie Hemmung, die ohne Anker auskommt, ist die Chronometerhemmung. Diese wurde gelegentlich in Taschenuhren eingebaut, führt dort aber zu kaum besseren Ergebnissen als die Ankerhemmungen. Ihre eigentliche Heimat ist die Grossuhr (speziell der Schiffschronometer), wo sie dann  auch genauer beschrieben wird.

4.3. Hemmungen bei Grossuhren
Bei Grossuhren mit Unruhhemmung gibt es gelegentlich Überschneidungen mit den Hemmungen der Kleinuhren. Die meisten einfachen Wecker besitzen eine Stiftankerhemmung, auch die Spendelhemmung wurde bei Grossuhren viel verwendet.

4.3.1. Hemmungen bei Grossuhren mit Unruh
Die meisten Grossuhren mit Unruh besitzen Hemmungen, die von den Kleinuhr-Hemmungen abgeleitet sind. So besitzen die meisten Wecker eine Stiftankerhemmung, ebenso die Uhren mit Schwebeunruh. Viele kleine Zieruhren zum Aufstellen auf  dem Schreibtisch besitzen Taschenuhrwerke mit Schweizer Kolbenzahnhemmung, ebenso wird in  Fahrzeuguhren in Autos und Flugzeugen und bei Schiffsuhren (nicht Schiffschronometer) die  Schweizer Kolbenzahnhemmung verwendet.
Eine Ausnahme stellen die Schiffschronometer dar, die im allgemeinen mit einer Chronometerhemmung versehen sind.
Bei der Chronometerhemmung erfolgt der Antrieb der Unruh ohne ein Zwischenglied wie bei der  Ankerhemmung, d.h. das Hemmungsrad drückt während der Hebung direkt auf einen Stift an der Unruh. Durch einige weitere Hebel und Federn wird das Hemmungsrad während des  Ergänzungsbogens blockiert.
Die Chronometerhemmung besitzt verschiedene Vor- und Nachteile. Vorteilhaft ist im wesentlichen die geringe Reibung, die weitestmögliche Freiheit der Unruhbewegung und die Tatsache, dass die Hemmung ohne Öl*  funktioniert.
Nachteilig ist der komplizierte und schwierige Aufbau der Hemmung, ferner ist die Hemmung nicht  selbstanlaufend und kann leicht stehen bleiben, so dass sie für Uhren die viel bewegt werden  (wie Taschenuhren) kaum geeignet ist.

4.3.2. Unfreie Hemmungen bei Pendeluhren
Die allermeisten Hemmungen bei Pendeluhren sind unfreie Hemmungen. Es gibt eine sehr grosse Anzahl von Hemmungen für Pendeluhren, so dass hier eine weitere Unterscheidung nötig ist. Als erstes Kriterium wird zwischen 

  • rückführender Hemmung und
  • ruhereibender Hemmung
unterschieden. Bei der rückführenden Hemmung wird das Hemmungsrad während des  Ergänzungsbogen in geringem Masse zurückgedreht. Bei der  Ruhereibenden Hemmung bleibt das Hemmungsrad in Ruhe.
Unter den rückführenden Hemmungen gibt es zuersteinmal die schon erwähnte  Spindelhemmung, die älteste Form der Hemmung die bis zur Erfindung der  Ankerhemmungen bei allen Uhren eingesetzt wurde. Die Spindelhemmung wurde  allerdings auch nach Einführung der Ankerhemmungen verwendet, speziell in  Uhren mit kurzem Pendel (häufig in den sogenannten Stutzuhren). Bis zur Mitte des 19. Jhdts wurde die Spindelhemmung in den Comtoise-Uhren in Verbindung mit einem langen Pendel. Hier spielte wohl nur der Unwillen zur Änderung der  gewohnten Arbeitsweise eine Rolle.

Vorläufiges Ende dieser Schrift!

Anmerkungen

* Beim Antrieb mit Schnecke und Kette wird die abnehmende Kraft der Feder auf folgende Weise ausgeglichen: Das Antriebszahnrad sitzt nicht auf dem Federhaus, sondern auf der sogenannten Schnecke. Diese ist ein etwa kegelförmiges Bauteil, wobei in den Kegel spiralförmig eine Nut eingedreht wurde (wie ein Weg der immer rund um einen kegelförmigen Berg auf die Spitze führt). In diese Nut wird die Kette eingelegt (die Kette ist wie eine Fahrradkette gebaut) und um den Kegel gewickelt. Das eine Ende der Kette ist am "Fuss des Berges" eingehängt, das andere am glatten (ohne Zahnrad) Federhaus. Wird die Uhr an der Welle der Schnecke aufgezogen, legt sich die Kette um die Schnecke, bis sie am "Gipfel" angelangt ist. Der Sinn ist folgender: An der Spitze der Schnecke ist der Radius der Schnecke relativ klein, allerdings die Kraft der vollaufgezogenen Feder gross. Ist die Uhr ganz abgelaufen, ist der Radius der Schnecke gross, die Kraft der  Feder klein. Da der Radius der Schnecke als Hebel für die Kraft der Feder wirkt, ist das Drehmoment an der Schneckenwelle (ideale Abstimmung der Schnecke auf die Feder vorrausgesetzt) konstant.

Das System braucht zwei Hilfsmechanismen, um vernünftig zu funktionieren. Das erste ist eine Stellung, die den Aufzug der Uhr blockiert, wenn sie ganz aufgezogen ist. Anderfalls könnte die Kette leicht reissen. Dies wird durch einen Hebel bewerkstelligt, der von der Kette selbst betätigt wird. Ist die Kette an der Spitze der Schnecke angekommen, wird der Hebel von der Kette leicht nach oben gedrückt, wodurch dieser Hebel in eine Stoppscheibe an der Schneckenwelle eingreift, und die Welle blockiert. Zum zweiten braucht eine Uhr mit Schnecke und Kette ein Gegengesperr, das den Antrieb während des Aufzugs aufrechterhält. Schnecke und Kette sind wegen der stark verbesserten Federmaterialien und Formen ausgestorben. Es war ein sehr kompliziertes System, das ausserdem nur Sinn macht, wenn die Form der Schnecke und der Kraftverlauf der Feder sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt sind.

* Kugellager werden relativ häufig bei der Lagerung des Gewichts für den automatischen Aufzug verwendet, ferner gab es eine Armbanduhr (Name?) bei der alle Lager einseitig in Kugellagern gelagert waren, um eine extrem flache Bauweise zu ermöglichen.

* Die Anzahl der Steine gilt oft als Qualitätsmerkmal. Deswegen  wurden gelegentlich in Armbanduhren mehr oder weniger sinnlose Steine eingebaut um  z.B. eine Aufschrift '21 Jewels' zu ermöglichen. Bei Taschenuhren sind 15 Steine absolut genug, bei Armbanduhren eigentlich auch, aber auch 17 Steine sind noch  sinnvoll (und heutzutage Standard). Bei automatischen Uhren werden bei der  Standardkonstruktion 21 Steine verwendet, bei Sonderkonstruktionen (z.B. Kugellager)  können es auch mehr sein.
Ich besitze eine relativ einfache Armbanduhr der Firma 'Kasper', die auf vier Achsen einseitig Decksteine besitzt. Diese Steine besitzen keine praktische Funktion, erlauben aber 21 anstatt 17 Steine.

* Bei sehr alten Uhren (vor dem 18 Jhdt.) waren die Zähne i. A.  handgefeilt, bzw. von einem Zahnstuhl vorgeschnitten und die endgültige Form  gefeilt. Diese Zähne haben natürlich keine strenge geometrische Form.

* Kerzenuhr: die Zeit wird durch das gleichmässige Abrennen  einer (oft skalierten) Kerze gemessen (in ähnlicher Form für beliebige  Verbrennungsvorgänge als Feueruhr bezeichnet).
Wasseruhr (Klepsydra): die Zeit wird durch Aus- oder Einlaufen von Wasser in ein  Gefäss bestimmt.
In eine ähnliche Richtung gehen Sanduhren. Diese Uhren wurden allerdings nicht in der Antike entwickelt, wie oft geglaubt wird (siehe z.B. 'Asterix bei den Schweizern'), sondern parallel zu den mechanischen Uhren, etwa im 15 Jhdt.

* Der Temperaturausdehnungskoeffizient (i.A. mit dem griechischen Buchstaben alpha bezeichnet) beschreibt die Längendehnung eines Materials pro Grad Kelvin. Für Stahl ist alpha ca. 10 * 10-6, d.h. ein Stab von einem Meter Länge, der um 100 Grad erwärmt wird, dehnt sich um etwa einen Millimeter aus.

* Ein solches System einzusetzen würde sich bei einer geforderten  Genauigkeiten von etwa einer Sekunde pro Monat lohnen. Das bedeutet, dass alle Längen auf eine Genauigkeit von etwa 4 * 10-7 einzustellen sind!

* Imitation bedeutet in diesem Fall, dass die Quecksilberbehälter zwar vorhanden sind, die gesamte Anordnung ist aber nicht aufeinander eingestellt, so dass keine nennenswerte  Temperaturkompensation erreicht wird.

* Der Begriff ist hier nicht ganz eindeutig. Vorderpendel bezieht sich auch auf  alle Pendel die vor dem Uhrwerk schwingen. Besonders bei den Comtoise-Uhren nach ca. 1820 findet man ausschliesslich Pendel, die vor dem Uhrwerk, aber hinter dem Zifferblatt schwingen. Dies sind aber immer lange Pendel.

* Armbanduhren mit Tourbillon kosten um die 100.000 DM, weisen aber  in keinster Weise bessere Gangleistungen als andere Uhren auf. Bis vor wenigen Jahren gab es nur ca. 700 Uhren mit Tourbillon, durch den Trend zu mechanischen Superluxusuhren seit den 80er Jahren werden diese nun von verschiedenen Uhrenmarken in Serie (meistens wohl 10-50 Stück) hergestellt, wodurch sich Ihre Anzahl stark erhöht hat. Der Preis ist  geblieben.

* Stahl wird zur Verwendung in Uhren im allgemeinen einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei wird der härtbare Kohlenstoffstahl geglüht und abgeschreckt. Dies führt zu einer (unbrauchbar) hohen Härte des Bauteils. Durch Anlassen kann der Stahl in seiner Härte dem Einsatzweck angepasst werden. Beim Anlassen wird der Stahl auf Temperaturen zwischen 200 und 400 Grad Celsius aufgeheizt und anschliessend abgekühlt. Die Temperatur und damit der Härtegrad des Stahls wird durch die Anlassfarben bestimmt. Bei blauen Stahl wird bei eben dieser Temperatur, bei der der Stahl blau anläufft, der Erhitzungsvorgang abgebrochen. Da diese blaue Farbe auf einer polierten Oberfläche sehr dekorativ aussieht und ferner einen  gewissen Schutz vor Korrosion bietet, wird das Verfahren  oft zur Oberflächenbehandlung eingesetzt (Schrauben, Zeiger).

* Bei vielen Uhren ist die Einstellung der Schwingungsfrequenz am Uhrwerk oder am Pendel gekennzeichnet. Dabei werden folgende Markierungen verwendet: 

  • A und R bzw. Avant und Retard, wobei Avant ein Schnellergehen der Uhr bezeichnet,
  • F und S bzw. Fast und Slow, wobei Fast ein Schnellergehen der Uhr bezeichnet,
  • + und -, wobei + ein Schnellergehen der Uhr bezeichnet.
Deutsche Ausdrücke wie schnell und langsam wurden meines Wissens nur sehr selten verwendet.

* Kann man schon! Anscheinend wurde von Galilei vorgeschlagen den Puls mit Hilfe eines einfachen Fadenpendels zu messen, das vom Arzt frei in der Hand gehalten wird. Inwieweit dies in der Praxis angwendet wurde, entzieht sich leider meiner Kenntnis.

* Die Funktionfähigkeit einer Hemmung ohne Öl ist nicht vorteilhaft, weil man ein wenig Öl sparen kann, sondern von höchster Bedeutung für die Langzeitganggenauigkeit einer Uhr. Da das Öl mit der Zeit eindickt und seine Viskosität verändert, beeinflusst Öl in der Hemmung auch in hohem Masse den Gang der Uhr. Durch bessere Ölsorten lässt sich dieser Effekt verringern, aber am einfachsten wird er durch Weglassen des Öls erreicht. Aus diesem Grunde hatten auch Harrisons Seechronometer teilweise Spindelhemmung.

Erstellt im März 1998 Universität Karlsruhe 

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