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 der 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 Ergänzungsbogen 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 frei bewegen kann (bis es von der zweiten Palette gesperrt wird) wird 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 Ergänzungsbogens 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 befinden 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 abgelöst 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 Oel

• 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 Palletten am Anker befestigt, die Unruh wird durch eine am Schaft 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 eingebaut.
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 Ueberschneidungen 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 Oel 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 zuerst einmal 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. Jahrhunderts wurde die Spindelhemmung in den Comtoise-Uhren in Verbindung mit einem langen Pendel verwendet. 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. Dies 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 Federhaus (ohne Zahnrad). 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 vorausgesetzt - 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. Andernfalls 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 aufrecht erhält. 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 anläuft, 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.

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

Erstellt im März 1998 Universität Karlsruhe