Das mechanische Uhrwerk

Wie das mechanische Uhrwerk funktioniert und welche Innovationen entscheidend waren

Als Kaliber oder Uhrwerk bezeichnet man den Mechanismus, der im Inneren einer Uhr für den Antrieb und die Zeitanzeige zuständig ist. Wie das mechanische Uhrwerk von Handaufzugs- oder Automatikuhren funktioniert und welche die entscheidenden Schritte in seiner Entwicklung waren, erläutert der folgende Artikel.

Mechanisches Uhrwerk von IWC, Kaliber Jones 1870

Mechanisches Uhrwerk von IWC, Kaliber Jones 1870

Vorab das Wichtigste zur Funktion eines Mechanikkalibers: Das mechanische Uhrwerk reicht vom Energiespeicher über mehrere Zahnrad-Getriebestufen, das sogenannte Räderwerk, und eine Hemmung bis zum Gangregler, der Unruh genannt wird. Vom Räderwerk führt ein Zweig zu den sich außerhalb befindenden Zeigern ab. Dieses sogenannte Zeigerwerk liegt mit Ausnahme der Zeiger auch im Innern einer Uhr, wird aber oft − wie die Aufzugsgewichte auch − nicht zum Uhrwerk gezählt. Eine detaillierte Beschreibung der Funktion finden Sie hier auf der Seite 2 des Artikels.

Ein Pionier für das mechanische Uhrwerk

Besonders angenehm war das Jahr 1717 für etliche Mitglieder der Uhrmacherzunft vermutlich nicht. Damals erschien das Buch „Règle artificielle du temps”, welches der englische Mathematiker und Uhrmacher Henry Sully in Versailles geschrieben hatte. Heftig führte er in den Kapiteln VII und VIII Klage über eine Reihe seiner Berufskollegen. Diese seien so boshaft, schlecht und unverschämt, auf ihre Erzeugnisse die Namen der besten Künstler Europas zu setzen, nur um dadurch einen guten Absatz zu haben. Was sich in den folgenden Jahrhunderten auf dem Gebiet der Fälschungen und Nachahmungen noch abspielen würde, ahnte Sully vermutlich noch nicht einmal im Traum.

Glashütter Uhrwerk, ca. 1871

Glashütter Uhrwerk, ca. 1871

Freilich erschöpfen sich Sullys Leistungen für die Welt der Uhrmacherei bei weitem nicht in seinem literarischen Wirken. Viele handfeste Erfindungen, darunter die Ölsenkung, haben entscheidend zur Fortentwicklung der Uhrmacherkunst beigetragen. Auch die erstmalige Verwendung des Begriffs Kaliber für das Uhwerk geht wohl auf Henry Sully zurück. Schon 1715 bezeichnete er damit die Anordnung und die Abmessung der verschiedenen Teile des Werks (Säulen, Räder, Federhaus etc.). Form, Größe und Eigenart des Werks ließen Rückschlüsse auf die Herkunft einer Uhr oder den Namen ihres Erbauers zu, ermöglichten also letztlich die exakte Identifikation. Die bekannten Kaliber „Jones” (IWC), „Jürgensen” oder „Glashütte” sind typische Beispiele hierfür.

Uhrwerk von Jules Jürgensen, 1867

Uhrwerk von Jules Jürgensen, 1867

Prinzipiell hat sich an der Kategorisierung und Klassifizierung der Uhrwerke bis zum heutigen Tage nicht viel geändert. Immer noch stehen die Namen des Herstellers im Vordergrund. Allerdings reicht dieser alleine längst nicht mehr aus, um ein bestimmtes Kaliber unmissverständlich zu definieren. Deshalb steht hinter dem Namen zumeist eine Nummer, Buchstabenkombination oder die Kombination aus beidem. Anhand einer solchen Kaliberbezeichnung (z.B. Eta 2892-A2, Sellita SW500, oder Patek Philippe CHR 29-535 PS Q) ist es möglich, Ersatzteile zu bestellen. Heute kann man absolut sicher sein, dass sie exakt passen und lediglich eingebaut werden müssen. Gelegentliche Anpassungsarbeiten waren früher an der Tagesordnung.

Wie die mechanischen Uhrwerke zu ihren Namen kommen

In engem Zusammenhang mit den Kalibern steht deren Größe. Sie bezeichnet den Gehäusepassungs-Durchmesser, welcher beispielsweise bei der Neuentwicklung von Mechanikuhren entscheidende Bedeutung hat. Die Werksgrößen werden von der Schweizer Uhrenindustrie seit geraumer Zeit in metrischen Maßen (mm) dargestellt. Größenangaben runder Uhrwerke beziehen sich auf deren Durchmesser, bei Formwerken werden Länge und Breite genannt. Sie alleine sind mittlerweile ausschlaggebend für das exakte Maß eines Uhrwerks. Daran ändert auch die Tatsache nichts, dass im traditionellen Uhrmacherhandwerk immer noch die Linie (“‘) gebräuchlich ist. Diese alte Uhren-Maßeinheit, abgeleitet vom „Pied du Roi”, dem königlichen Fuß, entspricht 2,2558 mm.

Mechanik muss nicht rund sein

Bei den Kaliberformen ist die runde mit Sicherheit die meist verwendete. Davon zu unterscheiden sind die so genannten Formkaliber, welche alle anderen Arten (oval, rechteckig, stabförmig, tonnenförmig …) umfassen. Entsprechend der Gestalt und Anordnung der Brücken und Kloben unterscheidet man in der Uhrmacherei zwischen Brückenkalibern, bei denen jedes Organ des Uhrwerks unter einer eigenen Brücke oder einem eigenen Kloben gelagert ist. Ob die Brücken gerade oder geschwungen gestaltet sind, ist letztlich nur eine ästhetische Frage. Die Funktion wird dadurch nicht beeinflusst.

Dreiviertelplatine von Mühle-Glashütte

Dreiviertelplatine von Mühle-Glashütte

Bei Kalibern mit Dreiviertel-Brücke, beispielsweise bei Glashütter Uhrwerken, sind alle Organe mit Ausnahme des Ankerrads und der Unruh unter einer Brücke angeordnet, die etwa ¾ der Werksoberfläche überdeckt.

Französische Mechanik für die Taschenuhr und für die Armbanduhr

Die Brückenkaliber gehen zurück auf den französischen Uhrmacher Jean Antoine Lépine (1720-1814). Er ersetzte dadurch die seinerzeit gebräuchlichen Uhrwerke mit zwei, von Pfeilern gehaltenen Platinen. Brückenkaliber wurden ab 1789 in Genf serienmäßig hergestellt. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entstanden fast alle hochwertigen Taschenuhr-Werke in der neuen Brückenbauweise.

Als Lépine-Kaliber werden in der Uhrenindustrie aber auch Werke bezeichnet, bei denen das Sekundenrad in einer Linie mit der Aufzugswelle angeordnet ist. Diese Bauweise findet man zumeist bei Werken für die „offene” Taschenuhr mit Krone bei der Zwölf und kleiner Sekunde bei der Sechs. Gelegentlich gab und gibt es auch für die Armbanduhr Lépine-Kaliber. Bei ihnen befindet sich die kleine Sekunde bei der Neun oder die Krone bei der Zwölf.

Das Lépine-Uhrwerk Unitas 6497 in einer Panerai Luminor

Das Lépine-Uhrwerk Unitas 6497 in einer Panerai Luminor

Bei Savonnette-Kalibern steht das Sekundenrad in einem 90-Grad-Winkel steht zur Aufzugswelle. Diese Anordnung war und ist gebräuchlich bei Uhrwerken für Sprungdeckel-Taschenuhren oder Armbanduhren mit kleiner Sekunde bei der Sechs.

Skizze eines Savonnette-Kalibers

Skizze eines Savonnette-Kalibers

Ein mechanisches Uhrwerk kann erst dann zu ticken beginnen, wenn es sorgfältig zusammengefügt und hinsichtlich seiner Funktion gewissenhaft überprüft wurde. Bei sehr feinen Uhren zeichnet häufig ein Uhrmacher für das ganze Oeuvre verantwortlich. Die Serienfertigung von Standard-Uhrwerken erfolgt hingegen vorwiegend an Bändern. Dabei addieren die Arbeiterinnen und Arbeiter jeweils nur ein Teil oder einige Komponenten. Das Finale obliegt qualifizierten Handwerkern.

Die Energie für den Antrieb, die zum Laufen der Räder benötigt wird, liefert das Federhaus. Zieht man die Uhr über die Krone auf, wird über Aufzugswelle (1) und Aufzugsräder (2) das Sperrrad (3) bewegt. Es dreht den Federkern (4) und zieht so die Zugfeder im Federhaus (5) auf. Die Feder gibt die gespeicherte Energie über das außen verzahnte Federhaus (5) an Minutenrad (6), Kleinbodenrad (7) und Sekundenrad (8) weiter.

So funktionieren Mechanikuhren

Dabei steigert sich die Geschwindigkeit: Das Minutenrad (6) dreht sich einmal in der Stunde. Es trägt den Minutenzeiger und treibt über eine Untersetzung den Stundenzeiger an. Das Sekundenrad (8) dreht sich einmal in der Minute und treibt den Sekundenzeiger an. Die nun folgenden Teile gehören zur Hemmung. Sie sorgen dafür, dass das Räderwerk in der richtigen Geschwindigkeit abläuft. Das Sekundenrad (8) treibt das Ankerrad (9) an; es gibt dem Anker (10) einen Impuls, den dieser an die Unruh (11) weiterleitet. Danach blockiert der Anker, der sich wie eine Wippe hin und her bewegt, das Ankerrad. Die Unruh dreht sich, wird dann aber von der Spiralfeder (12) wieder zurückgezogen. Dabei bewegt sie den Anker zurück, der nun das Ankerrad wieder ein kleines Stück freigibt, das dem Anker mit seiner Drehung den nächsten Impuls gibt. Wegen des ruckartigen Bremsens und Beschleunigens des Ankerrads bewegt sich auch der Sekundenzeiger einer mechanischen Uhr schrittweise.

Demgemäß entspricht eine Sekunde dem 86.400-sten Teil eines mittleren Sonnentags oder, nach aktueller Definition, 9.192.631.770 Schwingungen in der Elektronenhülle einem Atom des Elements Cäsium 133.

Was genau ist das – die Zugfeder?

Die Zugfeder ist eigentlich nicht mehr als ein elastisches Band. Ihr Material muss hart, zäh und elastisch sein, es darf sich auch bei Vollaufzug nicht verformen. Dafür sorgen moderne Metalllegierungen wie Chromnickelstahl (Inox) oder Nivaflex (Kobalt, Nickel und Chrom). Die heutigen Materialien lassen den Wechsel zwischen Spannen und Entspannen 10.000- bis 20.000-mal ohne Verschleiß zu. Darüber hinaus ermöglichen sie eine wesentlich gleichmäßigere Kraftentladung als frühere Stahlfedern.

Zugfeder in Federhaus

Ungewöhnlicher Anblick: Die Zugfeder, eingelegt im Federhaus, bevor der Deckel aufgesetzt wird.

Zu sehen bekommt man die Zugfeder jedoch nicht: Sie verbirgt sich im Federhaus, einem flachen Gehäuse mit Zahnkranz, das auf der Federwelle lagert. Diese ist durch einen Haken mit der Zugfeder verbunden und überträgt so die Aufzugsenergie an die Feder. Beim Entspannen legt sich die Zugfeder an die Wandung des Federhauses, wodurch dieses in Bewegung versetzt wird, was sich durch den Zahnkranz auf das Räderwerk überträgt.

Um ein Überspannen der Zugfeder zu vermeiden, stattet man sie mit einer Sicherung aus, die sich von Automatik- zu Handaufzugsuhren unterscheidet. Bei Automatikuhren ist das Ende der Zugfeder mit einem besonders starken Edelstahlstück (sogenannte Rutschkupplung) ausgestattet, das es bei Vollaufzug einfach durch das Federhaus rutschen lässt ohne die Zugfeder weiter zu spannen. Bei Handaufzugsuhren hängt sich das Federende dank eines Hakens in die Federhauswandung ein und erzwingt so den Stillstand.

Wie kommt die Zeit vom Uhrwerk aufs Zifferblatt?

Zunächst einmal über den vorderen langen Zapfen der Minutenradwelle. Er dreht sich innerhalb von 60 Minuten einmal um die eigene Achse, vermag also, mit einem Zeiger versehen, den Ablauf einer Stunde anzuzeigen. Dieses Zeitintervall ist allerdings für die Praxis zu kurz, da der Benutzer einer Uhr zusätzlich wissen möchte, um welche Stunde des Tages es sich gerade handelt. Erforderlich ist demnach ein Zählwerk, das die abgelaufenen Stunden addiert. Diese Funktion übernimmt das Zeigerwerk. Es reduziert die Umdrehungszahl des Minutenrads in der Regel auf 1/12, führt also zu einer Umdrehung des Stundenzeigers innerhalb von 12 Stunden. Natürlich gibt es auch Zeigerwerke, beispielsweise für Zeitzonen-Uhren, welche den Stundenzeiger innerhalb von 24 Stunden einmal um seine Achse drehen lassen.

Entscheidend für den Erfolg der Mechanikuhren: Die Funktionen der Krone

Das Zeigerwerk hat jedoch noch eine weitere wichtige Aufgabe: In Verbindung mit dem Zeigerstellsystem lassen sich über die gezogene Krone der Stunden- und Minutenzeiger exakt richten.

In ihrer Normalposition dient die Krone dem bereits erwähnten Spannen der Zugfeder. Der Tatsache, dass Zeigerstellung und Aufzug über die Krone erfolgen können, verdankt die Armbanduhr letztlich den Durchbruch zum alltagstauglichen Massenprodukt. Um sich die bahnbrechende Bedeutung des Aufzugs und Zeigerstellsystems mittels der Krone vorstellen zu können, muss man sich nur die Situation vor dieser Erfindung vergegenwärtigen.

Der moderne Kronenaufzug – eine wahrhaft geniale Erfindung

Mit Hilfe eines kleinen Schlüssels erfolgten Aufzug und Zeigerstellung. Zum Aufziehen musste meist erst der Rückdeckel der Taschenuhr geöffnet werden, die Zeigerstellung erforderte ein Abnehmen des Glases. Doch diese Prozeduren waren das geringste Problem. Im 17., 18. oder frühen 19. Jahrhundert hatten die Menschen noch viel Zeit. Steine des Anstoßes waren die kleinen Schlüssel, mit deren Hilfe der Mechanik Energie zugeführt wurde. Nur allzu leicht gingen sie immer wieder verloren. Das Aufziehen war daher häufig mit vorherigem Suchen verbunden. An die Uhrmacher richtete sich daher der Appell, endlich brauchbare Aufzugsalternativen vorzustellen. Dieses Verlangen, nicht die Forderung nach mehr Bequemlichkeit hatte bereits den uhrmacherischen Autodidakten Abraham Louis Perrelet an zu heftigen Aktivitäten angespornt. 1770 gelangten die Früchte seiner Arbeit ans Licht der Öffentlichkeit: Taschenuhren mit Automatik-Aufzug, bei denen die natürliche Körperbewegung das Aufziehen besorgte. Man sieht, die Lösungsansätze gingen zunächst in eine völlig andere als die vermutete Richtung.

Noch vor der Krone gab es die Automatikuhr

Im späten 18. Jahrhundert gab es für die Taschenuhr neben dem Automatik-Antrieb dann weitere Alternativen, um die Zugfeder ohne Schlüssel spannen zu können, beispielsweise Drehlünetten oder Pumpaufzüge mit Hilfe eines beweglichen Bügelknopfs. Von nachhaltigem Erfolg waren diese Funktionen alle nicht gekrönt.

Am 25. März 1838 stellte die in Le Brassus beheimatete Firma des 1833 verstorbenen Louis Audemars (1782-1833) ihre erste Taschenuhr mit Kronenaufzug vor. Bei ihr konnte auch die Zeigerstellung über die Krone erfolgen, wenn vorher ein rechts davon angebrachter Schieber betätigt worden war. In den folgenden Jahren bemühten sich die Söhne von Louis Audemars um Perfektionierung dieser Erfindung, die wahrscheinlich 1820 von Thomas Prest gemacht worden war.

Verschiedene Versionen des Kronenaufzugs von Jean-Adrien Philippe

Verschiedene Versionen des Kronenaufzugs von Jean-Adrien Philippe

Dieses Problem ließ auch Charles Antoine LeCoultre (1803-1881) nicht ruhen. Gegen 1847 präsentierte er die erfolgreichste Version der Entwicklungen Prests und Audemars’. Zur Zeigerstellung musste anfangs ein rechts neben der Krone angebrachter Drücker gleichzeitig betätigt werden. Spätere Versionen dieser Mechanik konnten aber auch, wie heute üblich, durch einfaches Herausziehen der Krone umgeschaltet werden.

Happy End für das mechanische Uhrwerk

Das anerkannt optimale System stammt indes von Jean Adrien Philippe. Er stützte sich auf Entwürfe aus dem Hause Breguet und von Adolphe Nicole. Nach rund zwanzigjähriger Entwicklungsarbeit erhielt Philippe am 27. September 1861 ein Patent auf seinen Kronenaufzug, der auch die Herstellung besonders flacher Werke gestattete. Dieses bezog sich insbesondere auf die eines drehbar auf der Aufzugswelle gelagerten Transmissionsrades, welches mittels Wolfsverzahnung mit dem auf der Welle verschiebbaren Zeigerstelltrieb (Schiebetrieb) gekoppelt ist.

Vor allem das komfortable „leere” Rückwärtsdrehen der Krone brachte die gewünschte Perfektion des Kronenaufzugs, der sich in Abermillionen von Handaufzugs- und Automatikwerken bewährt hat. glb

Fortlaufend aktualisierter Artikel, erstmals online gestellt im September 2012.




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