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Ausgleichszeit - Wir werfen unsere Augen auf das Ausgleichsrad

Ausgleichszeit - Wir werfen unsere Augen auf das Ausgleichsrad

Dezember 4, 2021

In unserer letzten Ausgabe über die Ausgleichsfeder - buchstäblich das schlagende Herz der mechanischen Uhr - scheint es, als ob diese Komponente das ganze schwere Heben erledigt, was das Backoffice-Geschäft der Zeitmessung angeht. Wie Ihnen jedoch jeder Uhrmacher sagen wird - und auch eine gute Anzahl von CEOs von Uhrenmarken - macht es wenig Sinn, über eine neue Unruhfeder zu sprechen, wenn man nicht auch das Unruhrad und tatsächlich den Hebel anspricht, der das System antreibt. In dieser Geschichte werden wir uns hauptsächlich mit dem Unruh selbst befassen und einige Einblicke in die Geschichte und Funktionsweise von Rand-, Entspannungs- und Schweizer Hebelhemmungen geben. Der Hebel oder die Palettengabel muss auf ein anderes Problem warten.

Wir beginnen diese Geschichte dort, wo die letzte endete - mit dem Hinweis, dass Unruhräder und Spiralen zusammen funktionieren müssen. Der beste Weg, dies zu verstehen, besteht darin, an die Beziehung zwischen der mechanischen Armbanduhr und der Pendeluhr zu denken. So wie das Pendel das Regelorgan der Uhr ist, haben die Unruh und die Unruhfeder in der Armbanduhr die gleiche Funktion. Das heißt, die Unruh und die Unruhfeder müssen sich den Auswirkungen der Schwerkraft annähern. Unser wiederkehrender Protagonist für diese Einführung ist kein anderer als der niederländische Physiker Christiaan Huygens. Sie werden sich erinnern, dass Huygens Pionierarbeit für die Ausgleichsfeder (die 1675 perfektionierte) und das Pendel (der oben genannten Uhr) geleistet hat.



Seltsamerweise scheint das Unruhrad vor Huygens Zeit existiert zu haben - Huygens selbst entwarf sein Unruh- und Federsystem im Randhemmungsstil. In der Tat hatten Huygens und andere Pioniere nach der richtigen Komponente gesucht, um harmonische Schwingungen zu erzeugen, und dieses fehlende Teil war die Ausgleichsfeder. Der Rest der Randhemmung - das Schweizer Hebelsystem würde erst später entstehen - existierte also vor 1675.

Die harmonische Schwingung als physikalische Eigenschaft wurde zuerst von Galileo Galilei untersucht, als er zu Beginn des 17. Jahrhunderts die Funktion von Pendeln untersuchte. Es war Galileo, der den Isochronismus als etwas entdeckte, das dem Schwingen von Pendeln innewohnt. Grundsätzlich ist die Schwungdauer eines Pendels relativ konstant, unabhängig von der Größe des Schwungs. Damit könnte man einen stabilen Zeitnehmer bekommen, denn solange das Pendel schwingt, tickt die Uhr mit der gleichen Geschwindigkeit. Offensichtlich wäre eine Uhr, die je nach Pendelschwung unterschiedlich schnell tickte, weniger als nützlich.

Galileo Galilei


Das Pendel erhält diese isochrone Eigenschaft durch die Schwerkraft, was bedeutet, dass mit Pendeln ausgestattete Uhren so stabil wie möglich sein mussten; Bewegung stört das Schwingen eines Pendels und führt zu unerwünschten Variationen. Huygens schloss das von Galileo ursprünglich in Gang gesetzte Pendeluhrprojekt ab. Vor dem Aufkommen der Pendeluhr verwendeten mechanische Uhren eine andere Komponente, um den Isochronismus zu simulieren: den Foliot. Unter Berufung auf Trägheitskräfte war dies eine horizontale Stange (mit Gewichten an beiden Enden), die genau in der Mitte geschwenkt war. Die resultierende Schaukelbewegung, angetrieben von der kinetischen Energie einer Abwickelfeder, lieferte die Zeitnehmungsrate.

Das Unruhrad schneidet direkt zu den heutigen mechanischen Ausgleichsbaugruppen und dreht sich ungefähr anderthalb Mal in eine Richtung, was eine Schaukel darstellt. Dies ist ungefähr 270 ° zu jeder Seite der mittleren Gleichgewichtsposition des Unruhrads. Ein vollständiger Zyklus besteht aus zwei dieser Schwünge, was zwei Schläge bedeutet. Die Steifheit der Ausgleichsfeder und das Trägheitsmoment des Rades sind Schlüsselelemente in der Gleichung, die bestimmt, wie viele Sekunden es dauert, einen Zyklus abzuschließen.

Um auf das Thema Unruh und Foliot zurückzukommen, ist unklar, wann das Unruh den Foliot vollständig ersetzt hat. Es ist sicher, dass das Einführen des Pendels und der Ausgleichsfeder die Mängel der Randhemmung in eine harte Erleichterung versetzt. Viele verschiedene Hemmungen konkurrierten um den Ersatz, einschließlich der Arretierungs- und Zylinderhemmungen. Am Ende war es sowohl die Ankerhemmung als auch die Hebelhemmung, die das Schicksal der einst dominanten Randhemmung endgültig besiegelte.


Wo passt das Unruh in diese Geschichte? Eine vollständige Beschreibung finden Sie im Abschnitt über Hebelhemmungen (Hebelwirkung) sowie in der obigen Beschreibung. Nehmen Sie sich jedoch einen Moment Zeit, um das Segment On the Verge zu lesen, da es die Bühne bereitet. Das Unruhrad scheint die beste Form zu sein, um neben der traditionellen Spiral- oder Unruhfeder zu arbeiten.

In der gegenwärtigen Form haben Unruhräder eine Vielzahl von Erscheinungsbildern, die in zwei Hauptformen unterteilt werden können: glatt und nicht glatt. Ja, nicht glatt ist nicht besonders beredt, aber wenn man einen technisch klingenden Begriff haben muss, dann ist es eine einstellbare Masse. Wir verwenden nicht glatt, da dies auch verschraubte Unruhräder umfasst, was selbst keine besonders reizvolle Beschreibung ist. Die nicht glatte Version des Unruhrads ist traditionell, mit winzigen Schrauben an der Felge des Rades. Dies ist nicht zu verwechseln mit dem Gyromax von Patek Philippe, dem Microstella von Rolex und einer Vielzahl von Optionen der Swatch Group (hauptsächlich von Omega), die anscheinend Schrauben an der Felge oder an der Innenseite der Felge enthalten.

Ulysse Nardin Unruh

Im Prinzip verwenden nicht glatte Systeme Gewichte, um die Trägheit des Unruhrads einzustellen - wie weit die Schrauben in der Unruh befestigt sind, bestimmt dies in den Versionen mit Schraubwaage. Im traditionellen System würde die Waage von Uhrmachern in einem Prozess von Hand angepasst, der als Ausgleich oder Ausgleich der Waage bekannt ist. Für die neueren Balance-Designs der Sorte mit einstellbarer Masse sind diese typisch für den Computer, sobald die Spiralen angebracht wurden.

Das reibungslose Unruh befindet sich ebenfalls im Werk, und jetzt sind auch Computer an diesem Prozess beteiligt. Das glatte Unruhrad ist in der Regel von der Sorte Glucydur (siehe Abschnitt Glucydur), während neue Unruh aus Silizium mit Gewichten aus anderen Materialien hergestellt werden können. Beispiele für erfinderische Unruhräder sind Experimente von DeBethune, Ulysse Nardin und Patek Philippe.

AM RANDE

Die wichtigste technische Entwicklung in der Uhrmacherkunst, die Entwicklung der Randhemmung im 13. Jahrhundert, ermöglichte die Herstellung rein mechanischer Uhren. So beschrieb David Glasgow die Funktionsweise der Randhemmung in seinem 1885 erschienenen Buch Watch and Clock Making (die Beschreibung hier wurde umschrieben und erforderlichenfalls nach unten bearbeitet).

Die Uhr der Kathedrale von Salisbury zeigt mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia, wie die erste Randuhr aussah

Die Randhemmung besteht aus einem kronenförmigen Rad mit hervorstehenden sägezahnförmigen Zähnen; seine Achse ist horizontal ausgerichtet. Vor dem Kronenrad befindet sich eine vertikale Stange, die Kante, mit zwei Metallplatten (Paletten), die an den gegenüberliegenden Seiten des Kronenrads in die Zähne eingreifen. Die Paletten sind mit einem Winkel dazwischen ausgerichtet, sodass jeweils nur eine die Zähne fängt. Am Ende der Randstange ist entweder ein Unruh oder ein Pendel angebracht.

Das Unruhrad scheint vor Huygens Zeit existiert zu haben - Huygens selbst entwarf sein Unruhrad- und Federsystem im Randhemmungsstil

Während Zahnräder die Energie einer abwickelnden Schraubenfeder an das Kronenrad liefern, drückt einer der Zähne des Kronenrads auf eine Palette und dreht die Kante in eine Richtung. Gleichzeitig dreht diese Aktion die zweite Palette in den Zahnweg auf der gegenüberliegenden Seite des Rads, bis der Zahn an der ersten Palette vorbeischiebt. Dann berührt ein Zahn auf der gegenüberliegenden Seite des Rads die zweite Palette und dreht die Kante in die andere Richtung zurück. Der Zyklus wird wiederholt.

Was also als ungeregelte Drehung des Kronenrades begann, wird in die Schwingung der Kante umgewandelt. Dies bringt das Pendel oder die Waage in Bewegung. Jedes Schwingen der Waage / des Blattes oder des Pendels lässt somit einen Zahn des Ankerrads passieren, wodurch die Bewegung des Uhrwerks regelmäßig wird. Der Radzug der Uhr bewegt sich um einen festen Betrag und bewegt die Zeiger mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts.

Die zweite Randpendeluhr von Christiaan Huygens mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia

Das Kronenrad muss eine ungerade Anzahl von Zähnen haben, damit die Hemmung funktioniert. Bei einer geraden Zahl berühren zwei gegenüberliegende Zähne gleichzeitig die Paletten und blockieren die Hemmung.

Mit dem Aufkommen des Pendels bietet die Ankerhemmung eine natürlichere Wirkung für Uhren und begann daher, die Randhemmung zu ersetzen.

HEBELWIRKUNG

Die von Thomas Mudge entwickelte Hebelhemmung ist buchstäblich die Hemmung der zeitgenössischen mechanischen Uhr. Wir sind erneut dem Informationsbuch von Glasgow und der Uhrmacherschule von TimeZone zu Dank verpflichtet. Die kurze Beschreibung, wie alles unten funktioniert, wurde aus diesen Quellen abgeleitet (hauptsächlich aus den Abschnitten von Walt Odets).

Bei der Standardhebelhemmung, auch als Schweizer Hebelhemmung bekannt, spielen das Ankerrad und die Palettengabel eine zentrale Rolle (kein Wortspiel vorgesehen). Das Ankerrad ist auf den Radzug abgestimmt und gibt einen Impuls an die Palettengabel ab. Die Palettengabel empfängt diesen Impuls und liefert ihn an die Ausgleichsradwelle, wodurch das Ausgleichsrad gedreht wird. Die Ausgleichsfeder bringt das Ausgleichsrad in seine statische Mittelstellung zurück und sendet über die Welle einen Impuls an die Palettengabel, die dann wieder mit dem Ankerrad interagiert.


Was ungeregelte Kraft von der Hauptfeder war, wird somit an das Unruhrad abgegeben. Das Unruhrad gibt die geregelte Leistung an den Radzug zurück, der anschließend um einen festen Betrag vorrückt und die Zeiger der Zeit um einen festen Betrag bewegt.

Jede Hin- und Herbewegung des Unruhrads von und zurück in seine Mittelstellung entspricht der Bewegung des Ankerrades um einen Zahn (Schlag genannt). Eine typische Hemmung des Uhrhebels schlägt mit 18.000 oder mehr Schlägen pro Stunde, manchmal auch als Vibrationen pro Stunde bezeichnet. Jeder Schlag gibt dem Unruh einen Impuls, so dass es zwei Impulse pro Zyklus gibt (genau wie bei der Randhemmung). Obwohl das Ankerrad die meiste Zeit in Ruhe blockiert ist, dreht es sich normalerweise mit durchschnittlich 10 U / min oder mehr.

Der Ursprung des Tick-tock-Sounds wird durch diesen Hemmungsmechanismus verursacht. Während das Unruhrad hin und her schaukelt, ist das Ticken zu hören.

GLUCYDUR UND ALTERNATIVE MATERIALIEN

Während die Glucydur-Waage mit ihrer Legierung aus Beryllium, Kupfer und Eisen zu dominieren scheint, gibt es andere Arten von Unruhrädern. Die typischste Alternative zum Scannen von Auktionskatalogen ist das Unruhrad aus Gold-Kupfer-Legierung. Funktionell führen beide Arten von Waagen den gleichen Trick aus, aber einige zusätzliche Details sind erforderlich, um zu verstehen, was hier passiert.

Das zentrale Problem ist die Temperaturschwankung, da sich die Masseeigenschaften der Ausgleichsfeder ändern, wenn sie sich ausdehnt oder zusammenzieht.Dies wirkt sich offensichtlich auf die Zeitnehmungsrate aus, da dies die Schwingungen des Unruhrads beeinflusst. Tatsächlich unterliegt das Unruhrad auch thermischen Schwankungen. Sowohl Gold-Kupfer- als auch Glucydur-Legierungen weisen ausgezeichnete lineare Ausdehnungskoeffizienten zwischen +14 und +17 x 10-6 / ° K auf, weshalb diese Materialien auch heute noch bei Uhrenfirmen Anklang finden. Nichts ist jedoch perfekt, und wenn sich diese Legierungen ausdehnen, ist die Hemmung nicht mehr isochron.

Der jüngste Versuch, dieses Problem anzugehen, war der Zenith Defy Oscillator, der auch die radikalste Hemmungsinnovation seit Huygens ist. Es kombiniert tatsächlich die Palettengabel, das Unruhrad und die Spirale zu einer Silikonstruktur. Als nichtmetallisches Material wird Silizium unterschiedlich behandelt, um thermische Schwankungen zu handhaben, typischerweise beispielsweise unter Verwendung eines Siliziumoxids. Bei diesem Zenith-System ist es nicht so einfach, da alle Elemente der Hemmung aus einem Stück bestehen.

Wir werden dieses System zusammen mit dem Genequand-Oszillator (Parmigiani Fleurier), der Ulysse Nardin Anchor Escapement und der Girard-Perreguax Constant Force Escapement in unseren Ausgaben im Jahr 2020 genauer untersuchen.

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