Uhrenwissen: Der Aufzugsrotor

Mit Schwung am Werk

Arbeit im Untergrund? Das war einmal. In modernen Uhrwerken wirken Rotoren gut sichtbar unter dem gläsernen Gehäuseboden und verweisen auf ein wichtiges Kapitel der Uhrengeschichte. Rund um den automatischen Aufzug wird diese noch immer fortgeschrieben.
Der Rotor als Gestaltungselement: Bei Glashütte Original wird er mit dem skelettierten Logo und einem Zierschliff dekoriert.
Der Rotor als Gestaltungselement: Bei Glashütte Original wird er mit dem skelettierten Logo und einem Zierschliff dekoriert.

Uhrenliebhaber schätzen Automatikuhren für ihren Komfort: Den ganzen Tag am Handgelenk, entsteht die Energie quasi von allein. Kein lästiges Aufziehen oder Nachstellen der Datumsanzeige – eine Uhr mit automatischem Uhrwerk versorgt sich sozusagen selbst mit Antriebsenergie. Fast wie das legendäre Perpetuum mobile.

Eine Eigenschaft, die auch Uhrmacher und Experten zu schätzen wissen: Durch den ständigen Nachschub an Energie verfügt die Zugfeder über eine gleich bleibende Spannung. Das garantiert ein gleich bleibendes Drehmoment im Kraftfluss und sorgt für stabile Gangwerte.

Physikalische Grundlage für den automatischen Aufzug ist die Erdanziehung. Die Schwungmasse wird durch ihr Gewicht nach unten gezogen, was eine auf dem Werk montierte Schwungmasse – in modernen Werken ist es üblicherweise ein Rotor – in Bewegung versetzt. Das gilt auch für andere Konzepte von Automatikwerken, an denen Generationen von Uhrmachern und Konstrukteuren getüftelt und gearbeitet haben.

Schon bei Taschenuhren realisiert

Abraham Louis Perrelet aus Le Locle hatte um 1770 die Idee, die Zugfeder über eine drehbare Schwungmasse aufzuziehen, und nannte seine Vorrichtung «Perpetual».
Abraham Louis Perrelet aus Le Locle hatte um 1770 die Idee, die Zugfeder über eine drehbare Schwungmasse aufzuziehen, und nannte seine Vorrichtung «Perpetual».

Die Geschichte des automatischen Uhrenaufzugs reicht nämlich weit zurück – bis in die Ära der Taschenuhr, als diese noch durch einen Schlüssel aufgezogen wurde. Das hatte zwei Nachteile: Einerseits gingen die Schlüssel leicht verloren, andererseits führte die Öffnung zum Aufziehen direkt ins Gehäuseinnere, in das somit auch Staub und Feuchtigkeit gelangen konnten.

Auf der Suche nach einem schlüssellosen Aufzugssystem gelang dem Uhrmacher Abraham Louis Perrelet aus Le Locle um 1770 die Konstruktion und Fertigung einer «Erschütterungsuhr». Deren Uhrwerk war mit einem beweglich gelagerten Gewicht versehen, das sich bei Aktivitäten des Trägers auf und ab bewegte und damit die Energie aufzog. In einer Weiterentwicklung nutzte Perrelet anstelle der Wippe eine drehbare Masse, die rotierte und über ein Räderwerk Energie an das Federhaus lieferte – sogar in beiden Drehrichtungen. Perrelet nannte das System «Perpetual» und verfeinerte es noch durch eine Sperre, die den Rotor bei Vollaufzug stoppte und somit das Überspannen und Brechen der Zugfeder verhinderte. Details, die sich heute wieder in modernen Armbanduhren finden lassen.

Auch zahlreiche andere Uhrmacher nahmen sich des Themas an. Entsprechende Taschenuhren aus dem 18. Jahrhundert sind von verschiedenen Persönlichkeiten überliefert, darunter zum Beispiel Jaquet-Droz, Jonas Perret-Jeanneret, Charles Oudin und auch Großmeister Abraham-Louis Breguet. In dessen legendärer Taschenuhr «Marie-Antoinette», 1827 fertiggestellt, realisierte er einen Automatikaufzug durch ein federbelastetes Pendelgewicht.

Trotz diverser Konstruktionen und Ansätze blieb der Erfolg von Automatikmodellen zur Zeit der Taschenuhr aus. Der Grund lag vor allem in der unzureichenden Energiezufuhr: Weil sie bequem in Hosen- oder Westentaschen ruhten, bekamen sie einfach zu wenig Bewegung. Zuletzt aber war es vor allem eine andere Erfindung, die den frühen Erfolg des  Automatikaufzugs verhinderte: die Einführung der Uhrenkrone, die den Aufzug der Zugfeder und das Stellen der Zeiger möglich und den Aufzugsschlüssel überflüssig machte.

Experimente am Handgelenk

Die Zeit für den Automatikaufzug kam erst im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen der Armbanduhr. Nun hatten die Zeitmesser einen Platz, an dem sie regelmäßig und lebhaft bewegt wurden, was der Idee des Automatikaufzugs neuen Auftrieb gab. 1922 vollendete der Pariser Uhrmacher Léon Leroy die weltweit erste Automatik- Armbanduhr. Sie besaß eine spitzovale Pendelschwungmasse, die sich über einem runden Werk bewegte. Ein Schaltklinken- System leitete die Bewegungsenergie an das Federhaus weiter. Allerdings schlug der wippende Aufzugskörper ständig an seinen Endpunkten an, was Beschädigungen auslöste und die Zuverlässigkeit minderte.

Ein weiterer Meilenstein der Geschichte der Automatikuhr kam dann von John Harwood. Sein Ziel war, durch das Abschaffen der Gehäuseöffnungen zum Werk ein wasserdichtes Gehäuse zu fertigen. Um das Aufziehen von Hand überflüssig zu machen, konstruierte er einen Aufzug durch eine pendelnde Schwungmasse, die zentral gelagert war und zwischen zwei Endpunkten hin und her schwang. Um nach Vollaufzug nicht weiter Kräfte auf die Zugfeder wirken zu lassen, entwickelte Harwood eine Rutschkupplung, die den Kraftfluss zwischen Schwungmasse und Aufzugsklinke unterbrach. Die Zeiger wurden durch einen gerippten Glasreif rund um das Gehäuse gestellt. Dafür erhielt Harwood 1924 ein Patent.

Nur der Rotor überzeugte

Das historische Rolex-Kaliber NA 620 «Perpetual» von 1931, das durch einen Rotor auf der Rückseite aufgezogen wurde.
Das historische Rolex-Kaliber NA 620 «Perpetual» von 1931, das durch einen Rotor auf der Rückseite aufgezogen wurde.

1931 stellten in Biel Rolex-Gründer Hans Wilsdorf und der Werkekonstrukteur Emil Borer eine Uhr vor, die an die Erfindung von Perrelet anknüpfte: Ihr Automatikwerk, das Kaliber NA 620 beziehungsweise «Perpetual», besaß eine halbkreisförmige Schwungmasse, die zentral gelagert war und über dem Werk rotierte. Damit erschien Perrelets Rotor wieder auf der Bildfläche. Er zog das Werk in einer Drehrichtung auf, in der anderen lief er leer. Dieser Aufzugsmechanismus ließ sich problemlos in einzelne Baugruppen zerlegen und war auf einer Art Gestell montiert, das auch Teile der Aufzugsvorrichtung trug. Somit war ein neuartiges Automatik-Modul entstanden.

Das Prinzip mit einem zentral gelagerten Rotor setzte sich durch und wurde auch weiterentwickelt. So konstruierte an bei Eterna einen kugelgelagerten Rotor mit besonders reibungsarmem Lauf und erfand auch ein Wechselgetriebe mit federlosen Klinken, um die Energie des Rotors in beiden Drehrichtungen nutzen zu können. Diese Kombination von kugelgelagertem Rotor und Klinkenrädern wurde zum bis heute gültigen Standard. Auf die Kugellager-Automatikwerke von Eterna bauten zum Beispiel die Nachfolgekaliber ETA 2824 und 2892 auf, die heute zu den am weitesten verbreiteten mechanischen Uhrwerken zählen.

Trotz dieser Anerkennung setzten sich automatische Armbanduhren zunächst nicht durch – wohl aufgrund des hohen Preises im Vergleich zu klassischen Handaufzugsmodellen. In den späten 1960er Jahren hatten Automatikuhren einen Marktanteil von lediglich 20 Prozent. Doch es wurde weiter geforscht und getüftelt. Die Automatikwerke wurden flacher, zuverlässiger, preiswerter und schließlich zum Erfolg.

Schwungvoller Antrieb

Wesentliche Komponente bei einem Automatikwerk ist die Schwungmasse beziehungsweise den Rotor. Bei dessen Konstruktion ist ein Detail wichtig: Ein möglichst weit außen liegendes  Trägheitsmoment sorgt für effektives Aufziehen. Doch der Rotor ist es nicht allein, der für Energie sorgt: Die Schwungmasse dreht sich mit einer Welle, auf einer Achse oder in einem Kugellager. Durch einen Zahnkranz, der sich am Lagerpunkt oder am Außenrand der Schwungmasse befindet, wird eine Getriebekette bewegt, welche die Energie zur Zugfeder weiterreicht. Automatik-Armbanduhren mit beidseitig wirkendem Aufzug verfügen hier über ein Wechselgetriebe zur Polarisierung der Rotorbewegung, das auf verschiedenen Systemen mit Exzentern, Zahnrädern oder Schaltklinken basiert.

Das automatische Aufzugssystem benötigt zudem ein Übersetzungsgetriebe, das die schnelle Rotorbewegung in langsamere mit höherem Drehmoment übersetzt. Weiterer wichtiger Bestandteil ist der Gleitzaum im Federhaus, der die Zugfeder vor zu starker Spannung oder gar Bruch schützt, indem er bei voll aufgezogener Zugfeder an der Federhauswand entlangrutscht.

Die Firma Zürcher Frères aus Les Bois stellt Schwungmassen her – hier ein Blick auf die Produkte des Unternehmens.
Die Firma Zürcher Frères aus Les Bois stellt Schwungmassen her – hier ein Blick auf die Produkte des Unternehmens.

Für die Herstellung des Rotors sind Spezialisten wie die Firma Zürcher Frères mit Sitz in Les Bois zuständig, seit 1948 wichtiger Produzent von Schwungmassen für Uhrenhersteller. Da beim Rotor ein hohes spezifisches Gewicht gefragt ist, fertigt Zürcher Frères diese häufig aus Wolframlegierungen. Wolfram ist ein weiß glänzendes, als Pulver mattgraues Schwermetall, dessen spezifisches Gewicht mit 19,3 Gramm pro Kubikzentimeter ebenso hoch ist wie von Gold oder anderen seltenen Metallen. Allerdings eignet sich Wolfram aufgrund seiner Eigenschaften und seines Preises am besten für serienmäßig gefertigte Rotoren. Legierungen der Edelmetalle Platin und Gold werden nur in kleinen Mengen zu Schwungmassen für Luxusmarken verarbeitet, während sich in sehr günstigen Uhrwerken Rotoren aus Kupferlegierungen finden lassen.

Heavy Metal

Wolfram ist seit Anfang der 1950er Jahre bevorzugtes Material für Schwungmassen – seit die Technologie des Sinterns in Hochtemperatur- Vakuumöfen entwickelt wurde. Beim Sintern werden pulverförmige oder feinkörnige Stoffe durch Druck und Hitze verdichtet, damit sich die Oberflächen der einzelnen Körner verbinden. Dazu wird Metallpulver in eine Matrizenform eingebracht und unter extremer Kraft gepresst. Darauf folgt eine thermische Behandlung mit bis zu 1600 Grad in einem Hochvakuumofen, bei der Edelgase zugeführt werden.

Nach dem Sintern werden die Rohlinge durch verschiedene Techniken – spanabhebende Verfahren zum Beispiel durch CNC-Drehautomaten – kalibriert, bearbeitet und veredelt. Um das Werkstück spannungsfrei, korrosionsfest und antimagnetisch zu machen, wird es abschließend nochmals thermisch behandelt und schließlich verschönert – zum Beispiel in galvanischen Bädern.

Obwohl demzufolge sowohl die Herstellung der Komponenten als auch der Mechanismus selbst ausgereift sind, gibt es noch immer den Ehrgeiz, Verbesserungen zu schaffen und neue Wege zu beschreiten. So entwickelte zum Beispiel die Firma MPS Watch aus Biel 2004 ein Rotorlager mit 0,3 Millimeter großen Keramikkugeln, das völlig ohne Schmierung auskommt und beispielsweise in Manufakturwerken von Girard-Perregaux zum Einsatz kommt.

Eine weitere Variante sind Mikrorotoren, die nicht über dem ganzen Werk kreisen, sondern nur einen Teil davon einnehmen. Eine andere Spielart des Rotoraufzugs ist der achslose Ringrotor, der wie ein großer Kugellagerkäfig um das Uhrwerk gelegt ist und seine Bewegung über eine Innenverzahnung an das Aufzugsräderwerk überträgt.

So macht die lange Geschichte der Automatikuhr vor allem eines klar: Ein Ende der Anpassungen und Verbesserungen ist nicht in Sicht – das Thema Automatik bleibt aktuell und interessant.

Text: Iris Wimmer-Olbort

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