Das ABC der Zeit – Alles über die Federn in einer mechanischen Uhr

In einem einfachen mechanischen Uhrwerk gibt es zwei Primärfedern: eine, die die Kraft liefert, und eine andere, die dafür sorgt, dass das Uhrwerk präzise schlägt. Aber andere sind unerlässlich, damit dieser Gesamttanz funktioniert. Sobald Komplikationen hinzukommen, werden noch mehr benötigt und komplexe Teile können Dutzende von Federn haben. Wenn die meisten Leute an eine Feder denken, denken sie an eine lange und zylindrische Metallspule, wie sie in einem Druckkugelschreiber steckt, aber Federn im Inneren einer mechanischen Uhr haben viele verschiedene Formen (obwohl das gleiche allgemeine Konzept gilt). Schauen wir uns die beiden primären und nicht zu vernachlässigenden sekundären Federn an, die als Team in einem grundlegenden mechanischen Uhrwerk zusammenarbeiten.

Die Triebfeder – Stromversorgung

Ein mechanisches Uhrwerk beginnt mit der Triebfeder, die die Energiequelle einer Uhr darstellt. Dabei handelt es sich um ein langes, dünnes, gewickeltes Band aus Stahl oder einer Metalllegierung, das flach in einem Federhaus liegt und sich langsam abwickelt, während es Kraft durch das Räderwerk an die Unruh und Hemmung und natürlich an die Zeiger des Zifferblatts und verschiedene Komplikationen (falls zutreffend) sendet. Moderne Zugfedern bestehen oft aus Nivaflex, einer antimagnetischen Kobalt-Nickel-Legierung mit hoher Zugfestigkeit – 45 % Kobalt, 21 % Nickel und 18 % Chrom (mit geringen Mengen Eisen, Wolfram und anderen Metallen). Die Aufzugsfeder kann manuell oder über einen automatisch gewichteten Rotor, einschließlich integriertem Mikrorotor oder peripherem Rotor, aufgezogen werden. Vor der ersten Quarzuhr im Jahr 1969 ersetzten batteriebetriebene Uhren die Antriebsfeder durch ein elektronisches Äquivalent, wie Hamiltons Ventura im Jahr 1957, mit dem Ziel, das Aufziehen eines ansonsten mechanischen Uhrwerks überflüssig zu machen. Diese frühen Versuche waren launisch und nie in der Lage, physische Triebfedern massenhaft zu ersetzen.

Zu Beginn des 15. Jahrhunderts (fast ein Jahrhundert bevor Kolumbus segelte) ersetzten Aufzugsfedern die herkömmlichen hängenden Gewichte in Uhren, wodurch viel kleinere und sogar tragbare (oder tragbare) Uhren möglich wurden, die keinen großen vertikalen Platz darunter benötigten. Die burgundische Uhr aus der Zeit um 1430 ist die älteste bekannte tragbare Uhr mit Federantrieb. Sie hat ihren Ursprung in der Region Belgien/Nordfrankreich (wie wir sie heute kennen) und ist noch heute im Germanischen Nationalmuseum funktionsfähig. Dem deutschen Schlosser Peter Henlein wird die Erfindung der ersten Taschenuhr zugeschrieben, die von einer Triebfeder angetrieben wird. In Wirklichkeit handelte es sich bei diesen frühen Zeitmessern im Wesentlichen um um den Hals getragene Miniaturuhren, die aber auch den Katalysator für die Weiterentwicklung echter Taschenuhren darstellten. Heutzutage gibt es im Allgemeinen zwei Konfigurationen von Aufzugsfedern – eine, die bei Handaufzugswerken an der Federhauswand befestigt ist, sodass die Krone stoppt, wenn sie vollständig aufgezogen ist, und eine mit einer Haltefeder für Automatikwerke (sogenannte Gleitfeder), bei der das Ende bei vollständigem Aufzug an der Federhauswand entlang gleiten kann, um ein Überdrehen und Schäden durch den Aufzugsrotor zu verhindern. Stellen Sie es sich wie eine Reibungskupplung in einem Auto vor.

Die Sicherung und die Kette

Frühe Metallfedern bestanden nicht aus hochwertigem Nivaflex und litten unter erheblichen Schwankungen im Drehmoment und verloren beim Abwickeln an Kraft. Um dem entgegenzuwirken, wurden oft eine Schnecke und eine Kette verwendet – im Grunde ein Metallkegel, um den eine Kette gewickelt war. Die Kette begann beim vollständigen Aufziehen an der Spitze und bewegte sich beim Abspulen nach unten zur breiten Basis, um die schwächere Kraft der abwickelnden Zugfeder auszugleichen und die Konsistenz im gesamten Räderwerk aufrechtzuerhalten. Es ist ein bisschen wie ein stufenloses Getriebe (CVT) in einer Uhr. Dies wurde bereits im 15. Jahrhundert in Uhren verwendet, gelangte jedoch erst Mitte des 17. Jahrhunderts in Taschenuhren. Moderne Antriebsfedern und bessere Technik haben dazu geführt, dass Schnecke und Kette heute überflüssig sind, aber eine Handvoll High-End-Uhrmacher spielen mit dem Design aus Tradition und der Einzigartigkeit des Aufbaus – A. Lange & Söhne, Breguet, Ferdinand Berthoud, Zenith und mehr. Es ist nicht bekannt, wer genau die Schnecke und die Kette erfunden hat, aber das Konzept und die Zeichnungen gehen auf Leonardo da Vinci zurück.

Double Barrel (und mehr)

Einige Uhren verfügen aus mehreren Gründen über ein Doppelfederhaus (oder mehr … viele weitere). Die drei häufigsten sind jedoch die Erhöhung der Gangreserve, die Bereitstellung einer stabileren Übertragung des Drehmoments an das Regelorgan oder die Bereitstellung einer unabhängigen Energiequelle für leistungshungrige Komplikationen wie Repetitionen/Grande Sonneries oder Chronographen. Im Allgemeinen gibt es drei Konfigurationen: 1. Die Federhäuser arbeiten nacheinander in einer seriellen Anordnung, sodass das zweite Federhaus erst übernimmt, nachdem das erste abgewickelt wurde, was die Gangreserve verdoppelt. 2. Die Federhäuser arbeiten in einer parallelen Anordnung zusammen und sorgen so für eine konstantere Kraft für die Genauigkeit (die Unruh hat eine größere Amplitude). Heutzutage können einige Uhren mit einem Federhaus eine volle Gangreserve von fünf Tagen oder mehr erreichen, daher sind Doppelfederhäuser mit dieser Kapazität weniger verbreitet.

Die Spiralfeder oder Unruhfeder

Die Spiralfeder oder Unruhfeder (die Namen sind synonym) ist eine sehr feine Spiralfeder innerhalb der Unruh, die deren Schwingungen oder den Schlag der Uhr steuert. Zusammen mit der Unruh und der Hemmung (die zusammen das Regulierorgan bilden) erzeugt die Feder den Herzschlag, der die Geschwindigkeit des Räderwerks und damit die Ganggenauigkeit der Uhr reguliert.

Durch das Hin- und Herschwingen der Unruh entsteht die spezifische Schwingungsfrequenz des Uhrwerks – 28.800 Halbschwingungen pro Stunde (4 Hz) oder 21.600 Halbschwingungen pro Stunde (3 Hz) und so weiter. Hz (Hertz) gibt an, wie oft die Unruh pro Sekunde vollständig hin- und herschwingt. Vph (Vibrationen pro Stunde) misst jeweils einen Schwung, sodass 28.800 Vph tatsächlich 14.400 volle Schwingungen sind, da sowohl Tick als auch Tack gezählt werden.

Unruhfedern gibt es aus verschiedenen Materialien, wobei Silizium eine relativ neue und beliebte Wahl ist, da es antimagnetisch, sehr langlebig und leicht ist. Ulysse Nardin war 2001 (im Rahmen der Freak) der erste Hersteller, der Siliziumkomponenten verwendete. Durch eine Kooperationsvereinbarung zwischen Rolex, Patek Philippe und der Swatch Group wurden jedoch Siliziumspiralen mit einem Schutzpatent geschaffen. Diese Spiralfedern sind heute innerhalb der Swatch Group und nach Ablauf des Patents im Jahr 2021 auch außerhalb von Uhrmachern weit verbreitet. Eine weitere gängige Wahl ist die Nivarox-Nickel-Stahl-Legierung, die zudem magnetbeständig und temperaturbeständig ist. Einige Uhrmacher haben ihre eigene Wahl bei den Materialien – Rolex hat eine Legierung aus Niob und Zirkonium namens Parachrom entwickelt, Seiko hat eine weitere proprietäre Legierung namens Spron entwickelt, Powermatic der Swatch Group setzt auf Nivachron und TAG Heuer hat kürzlich TH-Carbonspring vorgestellt, das aus Kohlenstoffnanoröhren besteht (als Alternative zum patentgeschützten Silizium).

Nur sehr wenige Uhrmacher stellen ihre eigenen Spiralfedern her (das gilt jedoch auch für die Aufzugsfeder), daher verwenden die meisten Manufakturwerke in der Regel zugekaufte Spiralfedern. Nivarox, eine Tochtergesellschaft der Swatch Group, ist der größte Schweizer Hersteller von Spiralfedern und liefert den Großteil an Schweizer Marken. Precision Engineering AG ist eine Schwestermarke von H. Moser & Cie und ihrem Zulieferer (beide sind Tochtergesellschaften der MELB Holding, obwohl Precision Engineering AG auch unabhängig agiert). Weitere High-End-Uhrmacher mit eigener Spiralfederproduktion sind Rolex, Patek Philippe, Bovet, Ulysse Nardin, Schwarz Etienne, Raketa und A. Lange & Söhne.

Der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens erfand die Spirale im Jahr 1675, obwohl Robert Hooke die Idee um 1670 hätte entwickeln können (ohne funktionierendes Muster). Es ersetzte frühe Foliot-Mechanismen, revolutionierte die Genauigkeit von Uhren und ist bis heute ein wichtiger Standard der Uhrmacherkunst (zusammen mit der Ankerhemmung sowie dem Schaft und der Krone der Uhr). Eine bedeutende Weiterentwicklung hierzu erfolgte 1795 durch Abraham-Louis Breguet, bei dem die äußere Spule über die ansonsten flache Spule angehoben und dann zur Mitte hin gebogen wurde. Dadurch wurde die einseitige Ausdehnung einer völlig flachen Feder eliminiert und die Isochronität und Genauigkeit verbessert. Das nun symmetrische Federwerk dieser Breguet-Spiralspirale reduzierte auch Positionsfehler (negative Änderungen, wenn die Uhr ihre Ausrichtung ändert) und den Verschleiß der Unruhwelle. Es ist heute ein Standard für viele High-End-Uhrwerke, aber flache Spiralfedern für massenproduzierte Gegenstücke werden mit modernen Materialien deutlich verbessert und erzielen vergleichbare Genauigkeitsergebnisse.

Klicken Sie auf Frühling

Um zu verhindern, dass sich die Hauptfeder abwickelt, werden eine Sperrklinke und eine Klickfeder verwendet, um das Sperrrad zu sichern und es nicht frei drehen zu lassen. Das Sperrrad ist ein Zahnrad oben auf dem Federhaus, sodass die Hauptfeder über die Krone aufgezogen werden kann (diese ist getrennt von den Zähnen am Federhaus selbst, die mit dem Räderwerk kämmen). Die Sperrklinke ist ein kleiner Hebel, der in die Zähne des Sperrrads eingreift, um es zu arretieren, während die Klickfeder die Sperrklinke einfach gegen das Sperrrad drückt. Wenn Sie die Uhr aufziehen, entsteht das Klickgeräusch dadurch, dass die Sperrklinke in jeden Zahn einrastet, während sie von der Klickfeder gedrückt wird, um zu verhindern, dass sie sich löst. Einfach, aber wichtig für das Aufziehen und die ordnungsgemäße Funktion der Uhr.

Die „vogelförmige“ Klickfeder eines Grand Seiko 9SA4-Kalibers (auf der rechten Seite des Laufs)
Die lange, klingenförmige Klickfeder eines Laurent Ferrier Tourbillons

Jumper und Einstellhebelfedern

Bei Uhren mit Datumsfenstern (einschließlich Tag-Datum usw.) ist eine Überbrückungsfeder erforderlich, um einen Hebel in das Datumsrad zu drücken, bis Kraft erzeugt wird, um es zur nächsten Ziffer zu schieben (oder zu springen) (die Feder löst während dieses sofortigen Sprungs die Spannung). Nach dem Sprung halten die Sprungfeder und der Hebel die Position des Rads bis zum nächsten Sprung. Dies gilt auch für ähnliche Konzepte wie Sprungstunden. Für die Krone und den Schaft wird eine Einstellhebelfeder verwendet, die die richtige Position beibehält, wenn Sie die Krone ziehen, um Uhrzeit, Datum einzustellen, die Uhr aufzuziehen usw. (Sie können das Klicken spüren und manchmal hören, wenn die Krone in jede Position gezogen wird).

Das federbasierte System basiert auf einer springenden Sekunde von Habring2

Stoßdämpferfedern

Heutzutage sind die meisten mechanischen Uhrwerke stoßfest, wie Incabloc, Diashock oder Parashock, und Federn spielen eine entscheidende Rolle. Der Stoßschutz konzentriert sich im Allgemeinen auf die Unruh und ihren Stab mittels entsprechender Steine. Diese Juwelen sind mit speziellen Federsystemen gesichert, die es ihnen ermöglichen, sich bei einem harten Schlag oder Stoß etwas zu bewegen und zu biegen, wodurch verhindert wird, dass der Stab bricht und die Juwelen möglicherweise herausfallen – ein Aufhängungssystem. Es gibt einen Standard für die Kennzeichnung einer Uhr als stoßfest – ISO 1413 –, der eine Prüfung auf bestimmte Stöße auf der Glas- und Gehäuseseite erfordert. Vintage-Uhren ohne Stoßschutz waren deutlich anfälliger für gebrochene Unruhstäbe und abgescherte Steine.

Nur das Wesentliche

Dies ist keine erschöpfende Liste der Federn, sie deckt jedoch die Grundlagen einer mechanischen Uhr ab. Sobald Komplikationen wie Chronographen und Repetitionen hinzugefügt werden, kommt eine Fülle von Spezialfedern zum Einsatz. Eine Grand Sonnerie beispielsweise verfügt allein für das Schlagwerk über etwa 22 Blattfedern, während für jedes Zahnrad im Schlagwerk Sprungfedern benötigt werden. Diese Uhrwerke können aus über 1.000 Teilen bestehen, an denen viele kleine Federn beteiligt sind. Ein Chronograph ergänzt das Grundwerk um Dutzende Federn, ebenso wie ein ewiger Kalender. Der König und die Königin sind die Hauptakteure auf einem Schachbrett (nennen wir sie Triebfeder und Spiralfeder), aber ohne die restlichen Figuren, die anderen wichtigen Federn innerhalb eines mechanischen Uhrwerks, kann man kein Spiel spielen. Vielleicht nicht die beste Analogie, aber Sie verstehen, worauf es ankommt. Ohne Federn kehren wir zu den archaischen Uhren mit Rand- und Foliot-Design im 14. Jahrhundert zurück (und einem einfachen Damespiel).