Wie funktioniert eigentlich eine mechanische Uhr?

Was im mechanischen Uhrwerk vor sich geht

Martina Richter
von Martina Richter
am 19. Juli 2018

Egal, ob Liebhaber oder Sammler oder gar der Meister selbst – der Blick in ein mechanisches Uhrwerk fasziniert immer wieder aufs Neue. Was passiert da eigentlich und woher weiß die Uhr, wie spät es ist?

Die Baugruppen einer mechanischen Uhr: Aufzug, Antrieb, Räderwerk, Hemmung, Unruh und Zeigerwerk

Ein mechanisches Uhrwerk besteht aus mehreren Baugruppen. Dazu gehört erstens – der Aufzug: Über ihn wird dem Uhrwerk Energie zugeführt, ohne die es sonst gar nicht zum Laufen käme. Eine mit dem Aufzug verbundene Stellvorrichtung dient zudem der Einstellung der Uhrzeit. Beides erfolgt bei der Armbanduhr über die allseits bekannte Krone.
Zweitens – der Antrieb: Er zeichnet für die Bereitstellung der durch den Aufzug zugeführten mechanischen Energie zum Betreiben des Uhrwerkes verantwortlich. In einer Armbanduhr handelt es sich hierbei um eine Feder in einem Federhaus.

Drittens – das Gehwerk oder Räderwerk: Es ist ein Getriebe, welches die Energie zwischen dem Antrieb und der Hemmung überträgt. Die Hemmung – viertens – bremst ihrerseits das Gehwerk ab. Wie es ihr Name schon sagt, »hemmt« sie den unkontrollierten und zügellosen Ablauf des Gehwerkes und wandelt dabei die aus dem Federhaus über das Gehwerk übertragene Rotationsenergie in einen periodischen Takt um. Diesen periodischen Takt reguliert – fünftens – die Unruh: Sie ist also dafür verantwortlich, wie genau das Uhrwerk abläuft, sprich die Uhr geht.

Ein mechanisches Uhrwerk besteht aus mehreren Baugruppen
Ein mechanisches Uhrwerk besteht aus mehreren Baugruppen

Sechstens – das Zeigerwerk: Es übersetzt die Bewegung des Gehwerkes in die Bewegung der Zeiger und sorgt somit für die richtige Anzeige der Uhrzeit auf dem Zifferblatt.

Woher kommt die benötigte Kraft im mechanischen Uhrwerk?

Dreht man nun bei einer mechanischen Armbanduhr an der Krone, so wird über eine Aufzugswelle, die Aufzugsräder, und ein Sperrrad das Federhaus bewegt. In ihm dreht sich eine Welle, genannt Federkern, und spannt die Zugfeder. Diese stellt dann die Energie für das Uhrwerk bereit. Das erwähnte Sperrrad sorgt gemeinsam mit einer Feder und einer Klinke, dem sogenannten Gesperr, dafür, dass die Energie im Federhaus auch gespeichert bleibt.

Der Weg von der Krone über die Aufzugswelle und Kupplung, Kronrad und Sperrrad zum Federhaus mit der Zugfeder.
Der Weg von der Krone über die Aufzugswelle und Kupplung, Kronrad und Sperrrad zum Federhaus mit der Zugfeder.

Auf der anderen Seite gibt die Feder die in ihr gespeicherte Energie über das außen verzahnte Federhaus an das Räderwerk ab. Das Räderwerk besteht in seiner Grundausführung aus drei Rädern – dem Minutenrad, einem Kleinbodenrad und dem Sekundenrad.

Der Weg durchs Uhrwerk: Energiespeicher und Räderwerk
Der Weg durchs Uhrwerk: Energiespeicher und Räderwerk

Beim Ablauf des Räderwerks nimmt die Drehgeschwindigkeit der Räder von der Federhausverzahnung bis zum Sekundenrad hin zu, während die Kraftwirkung (das Drehmoment) abnimmt.

Wie erfolgt die Kraftübertragung im Uhrwerk?

Das Räderwerk – oder auch Gehwerk genannt – ist eine Baugruppe, die in jedem mechanischen Uhrwerk vorhanden ist. Es ist zuständig für die Übertragung der Kraft vom Energiespeicher – in einer Armbanduhr also dem Federhaus – bis zum Gangregler – in der Armbanduhr der Hemmung mit der schwingenden Unruh. Das Gehwerk setzt sich aus mehreren Getriebestufen zusammen, die jeweils aus einem Zahnrad – zumeist einem Stirnrad mit mehr als 20 Zähnen – und einem Trieb – mit in der Regel weniger als 20 Zähnen – bestehen. Fast nie stehen zwei Zahnräder direkt miteinander im Eingriff, stattdessen greift ein Rad in ein Trieb. Diese Bauweise ist stabil, da die Triebe aus einem Stück gemeinsam mit der Welle gefräst werden, und spart Platz, da die einzelnen Getriebe räumlich übereinander, statt nur linear hintereinander angeordnet werden können. Die Eingriffsverhältnisse müssen auf die Frequenz des Unruh-Spiralsystems berechnet werden, und die Zähnezahl der einzelnen Räder sind so zu wählen, dass jedes Rad die gewünschte Drehfrequenz aufweist, da vom Räderwerk ja auch die Transformation zum Zeigerwerk, also zur Anzeige der Zeit, erfolgt.

Über das Räderwerk - auch Geh- oder Laufwerk genannt - erfolgt die Kraftübertragung im Uhrwerk. Von ihm geht auch die Transformation zur Zeitanzeige aus.
Über das Räderwerk – auch Geh- oder Laufwerk genannt – erfolgt die Kraftübertragung im Uhrwerk. Von ihm geht auch die Transformation zur Zeitanzeige aus.

Das Gehwerk besteht aus Minutenrad, Kleinbodenrad und Sekundenrad mit ihren jeweiligen Trieben. Aber
eigentlich beginnt es schon mit der Verzahnung am Federhaus, die in das Minutenradtrieb eingreift. Daher die Bezeichnung »Trieb« für das vom Zahnrad »getriebene Rad«. Die Welle des ersten Rades im Laufwerk ragt weit über das Uhrwerk hinaus, nämlich bis aufs Zifferblatt, und trägt hier den Minutenzeiger. Das Minutenrad steht mit dem Trieb des Kleinbodenrades im Eingriff. Diese Getriebestufe – zwischen Minuten- und Sekundenrad angeordnet – hat keine Anzeigefunktion, sondern dient der Kraftübertragungen, Drehzahl- und Richtungsänderung. Es erfolgt eine Übersetzung ins »Schnelle«. Die Drehzahl vom Minuten- bis zum Sekundenrad wird größer, das Drehmoment kleiner. Da sich das nachfolgende Sekundenrad wie das Minutenrad im Uhrzeigersinn drehen muss, dient das Kleinbodenrad auch als Richtungsgleichrichter. Das Kleinbodenrad greift in das Trieb des dritten Rades im Räderwerk, des Sekundenrades. Dieses dreht sich einmal in der Minute und definiert die Sekunde, und zwar egal, ob auf seiner Welle ein Sekundenzeiger sitzt oder nicht. Ist ein Sekundenzeiger direkt auf der Welle des Sekundenrades befestigt, so spricht man von einer direkten Sekunde (Kleine Sekunde). Für die Anzeige der Sekunde aus dem Zentrum des Uhrwerks (Zentralsekunde) ist noch eine weitere Übersetzung, zumeist über das Kleinbodenrad, erforderlich. Die Sekundenanzeige liegt dann nicht mehr im direkten Kraftfluss des Räderwerks und man spricht von der indirekten Sekunde. Das Sekundenrad greift in das Trieb des Ankerrades. Das Ankerrad-Getriebe hat eine gewisse Sonderstellung. Sein Trieb gehört noch zum Gehwerk. Das Rad mit seiner besonderen Verzahnung, seiner schrittweisen Bewegung und seinem Zusammenspiel mit dem Anker zählt bereits zur Hemmung.

Was macht die Hemmung im mechanischen Uhrwerk?

Dem Räderwerk folgen die Teile der Hemmung mit Ankerrad und Anker. Manche zählen das Ankerrad noch zum Räderwerk, aber es hat eine gewisse Sonderstellung, weil es durch seine schrittweise Bewegung das Räderwerk am unkontrollierten Ablauf »hemmt« und somit als Teil der Hemmung zu betrachten ist. Die Hemmung sorgt dafür, dass das Räderwerk genau in der Geschwindigkeit abläuft, wie die Zeit mit Sekunden, Minuten und Stunden auf dem Zifferblatt zur Anzeige kommen muss, also eine Stunde auch genau eine Stunde lang ist und nicht etwa nur 50 Minuten dauert. Und das geschieht nun folgendermaßen:
Am Ende des Räderwerks treibt das Sekundenrad das Ankerrad an, das aber von einem Anker blockiert ist. Schließlich wird der Druck vom Räderwerk her aber so groß, dass sich ein Zahn des Ankerrades am Anker vorbeischiebt. Dabei erhält der Anker einen Impuls, den er an die Unruh weiterleitet. Dieser Impuls versetzt die Unruh in Schwingung. Im selben Augenblick blockiert der Anker, der sich wie eine Wippe hin und her bewegen kann, erneut das Ankerrad. Die Unruh ihrerseits schwingt aus, wird dann aber von ihrer Spirale gebremst und zurückgezogen. Ist sie wieder im Nullpunkt angekommen, bewegt sie den Anker erneut. Dieser gibt das Ankerrad frei und sendet zugleich den nächsten Impuls an die Unruh. Diese schwenkt nun in die entgegengesetzte Richtung aus. Das »Spiel« beginnt von vorn. Unruh und Hemmung werden auch als Schwingsystem des Uhrwerkes bezeichnet und sind dafür verantwortlich, dass das Räderwerk in einer genau definierten Geschwindigkeit abläuft. Aber damit wissen wir immer noch nicht, wie spät es ist.

Der Weg durchs Uhrwerk: Hemmung und Reguliersystem
Der Weg durchs Uhrwerk: Hemmung und Reguliersystem

Die Anzeige der Zeit geht im Uhrwerk vom Räderwerk aus

Für die Anzeige der Zeit ist das Zeigerwerk verantwortlich. Gehen wir zurück zum Minutenrad: Es gehört zum Räderwerk, aber dessen Welle reicht bis aufs Zifferblatt, wo sich der Minutenzeiger genau wie das Rad im Uhrwerk exakt einmal in der Stunde um sich selbst dreht und damit die Minute anzeigt. Doch das reicht noch nicht zur genauen Zeitanzeige. Daher greift das Minutenrad in ein Wechselrad ein, das die Umdrehungszahl auf ein Zwölftel und damit auf die des Stundenrades reduziert. Auf dem Stundenrad sitzt der gleichnamige Zeiger, der in der Regel zweimal am Tag oder einmal in zwölf Stunden das Zifferblatt umrundet. Der Sekundenzeiger wird mitunter direkt vom Sekundenrad des Gehwerkes angetrieben. Wegen der Schrittbewegung des Ankerrads rotiert auch er in gleicher Weise. Seine kleinen Schritte gelten als Sinnbild einer mechanischen Uhr. Erst das Zeigerwerk macht die Arbeit des Uhrwerks auf dem Zifferblatt sichtbar und die Uhr damit zu einem Zeitmessgerät. Es befindet sich direkt unter dem Zifferblatt und wird von außen, nämlich über die Krone, eingestellt.

Kronenposition Zeigerstellung und der Weg von der Krone über die Aufzugswelle und Kupplung zum Zeigerwerk
Kronenposition Zeigerstellung und der Weg von der Krone über die Aufzugswelle und Kupplung zum Zeigerwerk

Dabei trennt eine Kupplung beim Ziehen der Krone in die Position Zeigerstellung den Kraftfluss zwischen Räderwerk und Zeigerwerk und ermöglicht ein schadfreies Einstellen der Zeiger. Oftmals werden ausgehend vom Zeigerwerk oder vom Minutenrad weitere Räder oder ganze Getriebeketten für Zusatzfunktionen angetrieben, wie zum Beispiel eine 24-Stunden-Anzeige, ein Datum oder gar eine ganze Kalenderkadratur inklusive Mondphase, Schlagwerke oder Wecker. Bei der funktionalen Erweiterung der Uhr handelt es sich um sogenannte Komplikationen, findet man mehrere davon in einer Uhr, so spricht man von einer großen Komplikation. MaRi

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