Zugfedern

Spannungskurve

Das Federhaus ist der Kraftstofftank des Uhrwerks. Ohne ihn würde sich kein Rad des komplizierten Mechanismus drehen. Mit verschiedenen Materialien und Bauarten streben Uhrmacher nach möglichst langen Gangreserven.

Prinzipiell unterliegen moderne Zugfedern enormen Anforderungen. Sie sollen bei einer minimalen Klingenstärke von bis zu 75 Tausendstelmillimetern ein hohes und vor allem möglichst konstantes Drehmoment entwickeln. Grundsätzlich wächst das Drehmoment der Federn linear mit ihrer Breite. Überproportional schlägt dagegen die Stärke der Klinge zu Buche: Eine doppelte Klingenstärke steigert das Drehmoment etwa um den Faktor acht. Bleibt die Länge der Zugfeder. Jedes Plus führt zu einer höheren Gangautonomie des Uhrwerks – das heißt, es läuft länger –, jedoch verringert sich das Drehmoment linear mit der Länge.

Zugfedern müssen vielfältige Bedingungen erfüllen: Sie dürfen nicht ermüden, sich nicht verbiegen, knicken oder gar abbrechen, noch dazu sollen sie Korrosion und Magnetismus trotzen. Um dies zu erreichen, spielen zunächst einmal zeitgemäße Werkstoffe eine Rolle. Seit etwa 1965 haben struktur- und kaltgewalzte Legierungen die anfälligen Federspeicher aus Kohlenstoffstahl abgelöst. Bei ihnen treten die oben erwähnten Schwierigkeiten nur noch selten auf; etwa dann, wenn extrem ungünstige Temperatur-, Konstruktions- und Umgebungseinflüsse zusammenkommen. Zugfedern aus der Legierung „Nivaflex“, die heute bei hochwertigen Uhren am häufigsten verwendet wird, sind amagnetisch, bestechen durch extreme Zugfestigkeit bis zu 3.000 Megapascal, über 800 Vickers Härte, hohe Biegewechselfestigkeit, exzellente Korrosionsbeständigkeit und gute Temperaturbeständigkeit von –50 bis +350 Grad Celsius. Die Legierung besteht dabei aus 45 Gewichtsprozenten Kobalt, 21 Nickel, 18 Chrom, 5 Eisen, 4 Wolfram, 4 Molybdän, 1 Titan und 0,2 Beryllium; der Kohlenstoffanteil liegt unter 0,1 Prozent. Ein höherer Grad an Beryllium steigert die Festigkeits- und Härtewerte zusätzlich, was Miniaturisierungsanforderungen gerecht wird.

Feder

Zugfeder im Lieferzustand

Auf das Ende kommt es an

Damit eine Zugfeder die gewünschten Eigenschaften erfüllt, kommt es neben den oben erwähnten modernen Werkstoffen auch auf eine spezielle Konstruktion des Federendes und des Federzaums an. Letzterem kommt die Aufgabe zu, das äußere Ende des spiralförmig gewundenen Bandes an der Wandung des Federhauses zu halten. Der Zaum zwingt die Feder bei ihrer Entspannung auf der Federwelle in eine möglichst konzentrische Form. Die Reduktion der Reibung zwischen den Windungen ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt. Bei Handaufzugsuhren wird der Zaum kurz vor dem Ende und nicht ganz am Schluss des Metallbandes angebracht. Automatikuhren verlangen nach einer anderen Lösung, da hier beim Tragen fortwährend Energie zugeführt wird. Eine starre Befestigung des Federendes an der Wandung des Federhauses ist nicht möglich. Zur Vermeidung von Überspannungen hat die Uhrenindustrie den Gleitzaum ersonnen: Mithilfe dieser exakt berechneten Schleppfeder kann die Zugfeder zuerst ihr Spannungsmaximum aufbauen. Ist dies erreicht, vernichtet die mit dem Gleiten einhergehende Reibung den erzeugten Überschuss.

Wer zum ersten Mal eine Zugfeder im Lieferzustand sieht, mag es fast nicht glauben. Sie ist s-förmig gebogen, hat also mit der im Federhaus verpackten Gestalt wenig zu tun. Die Vorteile bestehen unter anderem in einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung über die gesamte Federlänge, mit der ein relativ konstantes Drehmoment einhergeht. Grundsätzlich liefern Zugfedern bei Vollaufzug ein sehr hohes, im mittleren Bereich ein relativ gleichmäßiges und am Ende ein deutlich sinkendes Antriebsmoment.

Kaliberentwicklung

Bei der Entwicklung eines neuen Kalibers spielen das Federhaus und das darin aufgewundene Speicherelement eine fundamentale Rolle. Weil bei klassischen Konstruktionen Stundenrad und Minutenrohr das Zentrum für sich beanspruchen, bestimmt der Platinenradius den maximalen Durchmesser des Federhauses. Seine Rotationsgeschwindigkeit definiert den Drehmomentsverlust in den ersten 24 Stunden nach Vollaufzug. Anschließend wird die Feder einer Handaufzugsuhr üblicherweise wieder komplett aufgewunden. Korrekt meint der oft falsch verwendete Terminus Gangreserve deshalb die darüber hinausreichende Zeit, bevor das Uhrwerk anhält. Die Zeit, die vom Vollaufzug bis zum Stehenbleiben verstreicht, nennt man dagegen Gangautonomie.

Das Innere des Federhauses (oben: Zugfeder in entspanntem Zustand) bleibt für den Betrachter eines Uhrwerks unter dem Deckel verborgen (links)

Zusammen mit einem kleinen Übersetzungsverhältnis zum Zentrumszahntrieb mindern schnelle Federhausdrehungen die Einbuße an Drehmoment. Mit neun bis zehn Federhausumdrehungen geht ein guter Wirkungsgrad einher. Ein allerdings nur theoretisches Plus bewirken bis zu zwei zusätzliche Umgänge. Aus diesen Gegebenheiten errechnen die Konstrukteure dann die optimale Klingenstärke der verwendeten Zugfeder, die das Federhaus idealerweise zu 55 bis 60 Prozent füllt. Dabei sollte sich das beim Ankerrad eintreffende Drehmoment während des ersten Tages höchstens um 15 Prozent reduzieren. An diesen Kriterien orientiert sich die Berechnung des gesamten Räderwerks, um einen gleichmäßigen Gang der Uhr zu erreichen. Nach Georges-Albert Berner, dem ehemaligen Direktor der Uhrmacherschule Biel, sollte die Schwingungsweite der Unruh bei voll gespannter Zugfeder in horizontaler Lage 1½ bis 1¾ Umdrehungen erreichen. Nach 24 Stunden Gang sollten es mindestens noch 1¼ sein. Dabei sei zu beachten, dass die Amplitude in vertikaler Lage geringer ist als in der Horizontalen.

 

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