Chronometer

Gewaltenteilung

Die Hemmung einer Uhr hat zwei elementare Aufgaben: Sie hindert das Räderwerk am unkontrollierten Ablaufen und versorgt das Regulierorgan (Unruh) kontinuierlich mit Energie. Bei Armbanduhren ist die Schweizer Ankerhemmung die gängige Lösung. Sie mag nach 200 Jahren Entwicklung ausgereift und zuverlässig sein und die Anforderungen für die Vergabe des Titels «Chronometer» erfüllen, doch sind die Standards der COSC ja letztlich auf die begrenzte Leistungsfähigkeit der Schweizer Ankerhemmung maßgeschneidert.
Uhrwerkhemmung
Uhrwerk eines historischen Krusenstern-Marinechronometers (Bild: Urban Jürgensen).

Beschleunigen und schwingen

Die konventionelle Ankerhemmung ist aufgrund der von ihr selbst benötigten Energie nicht die effektivste Lösung, und die systembedingte Reibung zwischen Ankerradzähnen und Ankerpaletten lässt sich bestenfalls minimieren, aber nicht völlig vermeiden. Überdies hat der Anker unter der «Doppelbelastung» als Impulsgeber für die Unruh und gleichzeitige Bremse für das Räderwerk schwer zu leiden.

Die Unruh mit ihrer Spiralfeder ist ohne äußere Einflüsse ein ideales Frequenznormal. Ihr Schwingungsverhalten ist isochron, d. h. unabhängig von der Amplitude ist die Schwingzeit immer gleich. Um dieses Schwingverhalten aufrechtzuerhalten, muss dem System jedoch Energie in Form eines Impulses zugeführt werden. Dies erfolgt in definierten Abständen über die Hemmung, doch dabei kommt es natürlich zu störenden Einflüssen auf das Schwingungsverhalten.

Dabei gibt es zunächst einmal ein grundsätzliches Problem: Während die Unruh in Bewegung ist, kommt der Impuls von einem still stehenden Element. Die Hemmung muss bei der Auslösung im Bereich einer Millisekunde so stark beschleunigt werden, dass ihre Bewegung schneller ist als die der Unruh. Gleichzeitig muss die Bewegung energiereicher sein, damit überhaupt ein Impuls übertragen wird, um dem Schwingsystem neue Energie zuzuführen. Beschleunigung und Abbremsen bis zum Stillstand erfolgen bei einer üblichen Schwingfrequenz von 28.800 A/h acht Mal pro Sekunde, nämlich bei jeder Halbschwingung.

Das Problem ist, dass die Impulsübertragung mit Reibung verbunden ist. Kurz vor jeder Auslösung gilt es, den Zugwinkel des Ankers zu überwinden, der die Unruh zunächst abbremst. Dazu streift der Ankerradzahn über die Impulsfläche der Ankerpalette. Die Wirksamkeit dieser reibenden Kraftübertragung ist dabei stark von den jeweiligen Reibungseigenschaften abhängig. Um diese zu reduzieren, werden Rubine mit polierten Flächen versehen und geschmiert. Dennoch gehen bei der Schweizer Ankerhemmung ca. 60 % der zugeführten Energie bei der Impulsübertragung verloren.

Die Chronometerhemmung

In Bereichen, in denen es auf die absolute Präzision ankam, wurden Hemmungen entwickelt, die wir heute unter dem Begriff der Chronometerhemmung zusammenfassen. Dabei handelt es sich um sogenannte Direktimpuls-Hemmungen. Die Grundlage ist der direkte Kontakt des Hemmungsrades mit der Unruhwelle, meist als reine Hebelübertragung in einem klar definierten Moment, vergleichbar mit der Übertragung eines Zahnradeingriffs direkt auf einen auf der Unruhwelle sitzenden Übertragungsstein. Dabei erfolgt die Hebelübertragung nur in einer Drehrichtung der Unruh. Dadurch wird bei der Rückschwingung eine störungsfreie Amplitude gewonnen, da keine erneute Schwingungsstörung durch Energieübertragung stattfindet. Dies kommt dem Isochronismus und somit der Präzision zugute.

Durch die direkte Übertragung wird ein sehr hoher Wirkungsgrad mit geringen Energieverlusten erreicht, und überdies sind die Reibungsverluste im Vergleich zur Ankerhemmung wesentlich geringer: Man kann davon ausgehen, dass die Chronometerhemmung nur etwa 30 % der ihr zugeführten Energie selbst verbraucht.

Auch bei der Chronometerhemmung muss das unkontrollierte Ablaufen des Räderwerks durch ein Sperren des Hemmungsrades verhindert werden. Dies geschieht durch einen Ruhestein auf der Auslösefeder (bzw. der Chronometerwippe), die auch den Auslösestein trägt. Auch wenn die Funktion der Wippe der eines Ankers ähnelt, handelt es sich dabei aber nicht um eine zwangsgesteuerte Funktion wie bei Ellipse und Ankergabel. Als Folge können bei der Chronometerhemmung bei starken Beschleunigungen und Erschütterungen unkontrolliert Impulse («Galoppieren») ausgelöst werden.

Prinzipiell ginge es also erheblich genauer als «plus/minus vier Sekunden am Tag», aber die Ankerhemmung ist nach wie vor ein guter Kompromiss zwischen Energieverbrauch, Einfluss auf das Schwingungsverhalten und Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen. Die Verbesserung der Chronometer- bzw. Direktimpuls-Hemmung ist daher ein beliebtes Betätigungsfeld für ambitionierte Uhrmacher und Manufakturen.

Neue Lösungswege

Chronometerheummug
Die Audemars-Piguet-Hemmung ist im Grunde eine perfektionierte Robin-Hemmung mit denselben Vorzügen wie die Chronometerhemmung, ergänzt um Stoßsicherheit und Hochfrequenzfähigkeit (Bild: Audemars Piguet).

Unter dem Begriff «Echappement naturelle» versteht man Hemmungen, bei denen anstelle eines Hemmungsrades zwei miteinander verbundene, zumeist gegenläufige Hemmungsräder eingesetzt werden. Damit ist es möglich, in beiden Schwingungsrichtungen einen Impuls auf die Unruh zu übertragen, wobei eine Ruhewippe abwechselnd eines der beiden Hemmungsräder sperrt und das unkontrollierte Ablaufen des Räderwerks verhindert. Durch die Zwangssteuerung kann immer nur das dem Ablauf entsprechende Rad ausgelöst werden. Ein Beispiel für ein modernes Echappement naturelle wurde von Ulysse Nardin mittels sehr leichter, komplex geformter Silizium-Komponenten realisiert. Zu den Vertretern der klassischen Bauart zählen manche Uhren von Kari Voutilainen.

Abgeleitet vom Echappement naturelle entwickelte George Daniels eine kompakt gebaute Koaxial-Hemmung, bei der beide Hemmungsräder übereinander auf einer Achse («koaxial») liegen. In der von Omega industrialisierten Co-Axial-Hemmung ist die Funktionssicherheit der Ankerhemmung durch eine Zwangsführung mit dem geringen Reibungsverlust des Direktimpulses kombiniert.

Auch die 1791 präsentierte Robin-Hemmung ist im Grunde eine Chronometerhemmung, die mit einer ankerförmigen Ruhewippe kombiniert ist. Allerdings erfolgt die Impulsübertragung nur in einer Richtung direkt vom Hemmungsrad auf den Impulsstein der Unruhwelle. Als Weiterentwicklung der Robin-Hemmung stellte Audemars Piguet 2006 eine eigene Hemmung vor. Mit einem tangential angeordneten Sicherheitsstift gelang es, die Stoßsicherheit so zu verbessern, dass die Direktimpuls-Hemmung auch in einer Armbanduhr zuverlässig funktioniert. Dank des hohen Wirkungsgrads und des Verzichts auf Schmiermittel war es sogar möglich, eine Unruhfrequenz von 6 Hz (43.200 A/h) zu verwenden.

Text: Michael Ph. Horlbeck

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