Die Zugfeder oder Aufzugsfeder zählt, zumindest auf den ersten Blick, nicht zu den spannendsten Komponenten einer Armbanduhr. Im Gegensatz zu Zifferblättern oder Gehäusen ist sie selten Gegenstand einer angeregten Diskussion unter Enthusiasten. Gewöhnlich verbirgt sie sich im Federhaus unter Platinen und verrichtet ihren Dienst lautlos und gemächlich. Nichtsdestotrotz zählt sie, neben der Hemmung und dem Räderwerk, zu den zentralen Funktionselementen einer mechanischen Uhr, ob Handaufzug oder Automatik. Trotz ihres unspektakulären Erscheinungsbilds ist sie, neben ihrer Hauptfunktion als Energiequelle der Uhr, auch mitverantwortlich für die Ganggenauigkeit. Entsprechend steckt in den Werkstoffen und der Fertigung der Zugfedern enormes Know-how, das von Herstellern und Zulieferern sorgsam gehütet wird. Konstruktive Kniffe und die Kombination mehrerer Federhäuser ermöglichen besonders platzsparende, schlanke Uhren, die trotzdem mit Gangreserven über einer Woche auftrumpfen können. Also: Höchste Zeit, diese unterschätzte Komponente detaillierter zu betrachten.
Allgemeine Eigenschaften einer Zugfeder
Federn erlauben es, Energie unabhängig von der Lage einer Uhr zu speichern. Sie sind deshalb prädestiniert für tragbare Zeitmesser wie Taschen- oder Armbanduhren, wo der bewährte Gewichtsantrieb von Wand- und Standuhren nicht verwendet werden kann. Die charakteristische, aufgewickelte Spiralform der Zugfeder ergibt sich aus dem Platzangebot im Uhrwerk und der Forderung nach einer Drehbewegung. Prinzipiell wären auch andere Federgeometrien denkbar, diese beanspruchen aber zu viel Bauraum und würden eine zusätzliche Umwandlung von einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung erfordern.
Die spiralförmige Feder verhält sich im Grunde nicht anders als eine einfache Biegefeder oder Blattfeder, vergleichbar mit einem Lineal, dass man am Tisch fixiert und am freien Ende herunterdrückt wird. In der spiralförmig aufgewickelten Variante kann die gesamte Länge der Feder aber in einem äußerst kompakten Volumen untergebracht werden. Federlängen von mehreren 100 Millimetern bis deutlich über einem Meter passen auf diese Weise in ein Federhaus, das wiederum nur einen Teil des Uhrwerks für sich beansprucht.
Auslegung und besondere Merkmale der Zugfeder
Die Steifigkeit der Zugfeder hängt vom Werkstoff und den geometrischen Abmessungen Dicke, Breite und Länge ab. Mit einer Verdoppelung der Dicke geht eine Verachtfachung der Steifigkeit einher. Umgekehrt verhält es sich mit der Länge. Hier sorgt eine Verdoppelung für eine achtmal geringere Steifigkeit. Eine doppelt so breite Zugfeder steht nur im linearen Zusammenhang mit der Steifigkeit und verdoppelt diese lediglich. Da sie darüber hinaus direkt mit der Höhe des Uhrwerks und somit der gesamten Uhr verbunden ist, meidet man breite Zugfedern. Bei gegebenem Werkstoff bleibt also die Variation von Federdicke und Federlänge. Da ihre Änderung die mechanischen Eigenschaften theoretisch in gleichem Maße beeinflusst, müssen zusätzliche Gegebenheiten berücksichtigt werden, darunter der Einbau im Federhaus.
Typischerweise erfolgt der Aufzug über den Federkern in der Mitte des Federhauses, an dem sich ein Haken befindet, in den die Zugfeder mithilfe einer Aussparung eingehängt wird. An der Federhausinnenwand ist das äußere Federende entweder fixiert oder (bei Automatikuhren) mit einem Gleitzaum versehen, der ein Durchrutschen bei Überlast ermöglicht. Der freie Raum zwischen Federkern und Federhausinnenwand steht nun für die Zugfeder zur Verfügung – seine maximale Ausnutzung ist das Ziel. Der Verkleinerung des Federkerndurchmessers sind dabei natürliche Grenzen gesetzt: Selbstverständlich muss die mechanische Beanspruchbarkeit des Federkerns selbst noch gegeben sein. Zusätzlich ist aber zu beachten, dass ein kleiner Kerndurchmesser eine sehr starke Biegung der Zugfeder am inneren Ende bedingt, welche wiederum physikalische Grenzen des Federwerkstoffs berücksichtigen muss. Dies schließt zu dicke Federn aus, da hier bei gegebener Biegung eine größere Materialbeanspruchung vorliegt. Verfügbarer Bauraum stellt schließlich das Limit für den Federhausdurchmesser dar.
Es wird deutlich, dass die Frage nach der „perfekten“ Zugfeder nicht pauschal beantwortet werden kann, da zahlreiche Einflussfaktoren berücksichtigt werden müssen, und die Änderung einer geometrischen Eigenschaft der Feder andere beeinflusst. Deshalb ist die genaue Berechnung einer Zugfeder beziehungsweise eines Federhauses ein iterativer Prozess, der sich durch Erfahrungswerte und Näherungsformeln vereinfachen lässt. Eine bestimmte Zugfeder ist nicht für jedes Werk geeignet, nur weil ihr Federhaus zufällig identische Abmessungen hat.Vielmehr ist sie im Idealfall genau auf ein Uhrwerk zugeschnitten, und kitzelt das Maximum an Gangreserve (also eine bestimmte Anzahl an Umdrehungen) bei ausreichendem Kraftangebot aus der Uhr heraus.
Weiterhin ist zu beachten, dass die kompakte Lösung der spiralförmigen Zugfeder nicht ohne prinzipbedingte Nachteile auskommt. Eine generelle Eigenschaft von Federn stellt für deren Anwendung in einem Zeitmesser einen Nachteil dar: Die Federkraft steigt mit zunehmendem Federweg, also zusätzlichem Aufzug. Die schwankende Antriebskraft geht mit einer Veränderung des Gangs der Uhr über die Laufdauer einher. Wie man sich dieser Problematik vornehmlich in der Haute Horlogerie und somit höchsten Preisregionen annimmt, haben wir zuvor in diesem Artikel beleuchtet. Die überwältigende Mehrzahl der Uhren muss mit diesem Problem irgendwie auskommen. Man kann es nicht gänzlich loswerden, jedoch mit einigen Tricks auf ein Minimum reduzieren. Hierzu zählt die gegenläufige Biegung der Zugfeder, die nur bei der Entnahme der Feder aus dem Federhaus ersichtlich wird. Im entspannten Zustand entsprechen moderne Zugfedern keiner Spirale, sondern sind in S-Form an ihren Enden gegenläufig gebogen. Im verbauten Zustand erreicht man durch diese Formgebung eine gleichmäßigere Kraftabgabe der Zugfeder über ihren Ablauf hinweg.
Die Werkstoffe
Werkstoffe für Zugfedern sind, wie eingangs schon erwähnt, hochspezialisierte Materialien. Als „Herz“ der Uhr rückt meist die Spiralfeder der Hemmung in den Fokus von Berichten und Werbekampagnen der Hersteller. Mit proprietären Legierungen oder der Verwendung von Silizium und Kohlenstoff konnten auf diesem Gebiet in den vergangenen Jahrzehnten beträchtliche Fortschritte beobachtet werden. Doch auch die Entwicklung von Legierungen für Zugfedern hat einige Meilensteine zu verzeichnen.
Wer Vintage-Uhren sammelt, die vor der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gefertigt wurden, ist mit dem gängigsten Mangel historischer Zugfedern vertraut: Die damals verwendeten Kohlenstoffstähle waren rostanfällig, ermüdeten mit der Zeit und neigten aufgrund ihrer Sprödigkeit zum Brechen. Abhilfe schaffte der Ingenieur Reinhard Straumann, dessen Erfindung „Nivaflex“ durch die 1951 gegründet Firma Nivaflex SA die „unzerbrechliche“ Zugfeder massentauglich machte. Wer bei der Namensähnlichkeit an Nivarox denken muss, der liegt genau richtig, denn die wohlbekannte Legierung für Unruhspiralen sowie die Gründung der Nivarox SA gehen ebenfalls auf Straumanns Konto. Nivaflex besteht vorwiegend aus Kobalt, Nickel und Chrom, zu geringen Teilen aus Eisen und Wolfram und zu deutlich weniger als einem Prozent aus Beryllium. Sowohl Nivarox als auch Nivaflex werden heute von der hochspezialisierten Firma Vacuumschmelze im hessischen Hanau produziert. Nivaflex ist amagnetisch, korrosionsbeständig und allen voran ein bruchsicherer, leistungsfähiger Federwerkstoff. Man muss sich schon ziemlich anstrengen, einen Federbruch bei einer modernen Handaufzugsuhr eigenhändig herbeizuführen.
Herstellung einer Zugfeder
Federhersteller erhalten Nivaflex als Draht, der durch Walzvorgänge in Bandform gebracht wird. Abschnitte des Endlosbands werden abgetrennt und eine Öse für den Haken am Federkern wird an einem der freien Enden ausgestanzt. Der S-förmigen, gegenläufigen Biegung der Enden folgt eine Wärmebehandlung, durch die die finalen mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Der Endhaken oder Gleitzaum (je nachdem, ob es sich um eine Feder für eine Handaufzugs- oder Automatikuhr handelt) wird an einem Ende aufgeschweißt. Da Reibung zwischen den einzelnen Federwindungen, die sich unweigerlich berühren, unerwünscht ist, erhalten die Federn eine Teflonbeschichtung. Die Auslieferung erfolgt entweder im bereits montierten, vorgeschmierten Zustand im Federhaus, oder als aufgewundene Feder in einem Transportring.
Zu den bekanntesten Herstellern von Zugfedern gehören Firmen wie Générale Ressorts und Schwab-Feller in der Schweiz. Der Relevanz hochwertiger Zugfedern trägt auch die Tatsache Rechnung, dass sich Patek Philippe, Rolexund der Richemont-Konzern 2015 an der Schwab-Feller AG beteiligt haben. Auch in Deutschland sitzt mit Carl Haas in Schramberg ein Federhersteller, der nicht nur Zug-, sondern auch Spiralfedern für Hemmungen fertigt, etwa für NOMOS Glashütte.
Wenn eine Feder nicht ausreicht – Uhren mit zwei und mehr Federhäusern
Spätestens seit dem Debut der Lange & Söhne Lange 1, die unübersehbar die Aufschrift „Doppelfederhaus“ trägt, hat sich das Verbauen mehrere Federhäuser in einem Uhrwerk zum Exklusivitätsmerkmal entwickelt. Bei Chopard finden sich in der L.U.C-Quattro sogar vier Federhäuser. Die mit mehreren Federhäusern verbundenen, hohen Gangreserven sind gerade für Besitzer zahlreicher Uhren und Sammler praktisch, die einen Zeitmesser so auch mal übers Wochenende oder eine ganze Woche liegen lassen können, ohne danach Zeit und Datum neu einstellen zu müssen. Die langen Gangreserven werden üblicherweise durch eine Reihenschaltung mehrerer Federhäuser realisiert, was einer theoretischen Verlängerung der Zugfeder entspricht. Eindrucksvoller Rekordhalter dieses Konstruktionsprinzips ist die Hublot MP-05 LaFerrari, in der zehn in Reihe geschaltete Federhäuser eine Gangreserve von 50 Tagen ermöglichen. Ein elektrisches Werkzeug zum Aufziehen wird mitgeliefert. Da für die Reihenschaltung die Sperrräder der Federhäuser, die mit dem Federkern verbunden sind, ineinandergreifen müssen, erfordert die Konstruktion zusätzliche Zahnräder im Uhrwerk.
Eine alternative stellt die Verwendung von zwei Federhäusern in Parallelschaltung dar. Diese Variante erfordert keine zusätzlichen Zahnräder, da beide Federhäuser direkt auf das Minutenrad einwirken. Ist ausreichend Platz vorhanden, um die Federhäuser symmetrisch um das Minutenrad anzuordnen, lassen sich die sonst einseitigen Lagerkräfte am Minutenrad praktisch ausgleichen. Die parallele Konstellation resultiert in einer Addition der Federkräfte, so dass gegenüber der Verwendung eines Federhauses die doppelte Kraft bei gleicher Federlänge zur Verfügung stehen würde. In der Praxis nutzt man diese Tatsache, um die Höhe der Federn zu halbieren, und so besonders flache Uhrwerke zu realisieren, ohne bei der Antriebskraft oder Gangreserve Abstriche machen zu müssen. Diese Art der Konstruktion ist jedoch eher selten im Vergleich zur Reihenschaltung. Es existieren auch Uhrenmodelle wie jene aus der Duomètre-Kollektion von Jaeger-LeCoultre, die zwar mehrere Federhäuser aufweisen, damit aber separate Funktionen (z.B. Uhrwerk und Chronograph) mit Energie versorgen.
Egal, ob Ihre Uhr mit einem, zwei oder noch mehr Federhäusern ausgestattet ist: In den unscheinbaren Gehäusen steckt mehr, als man zunächst vermutet. Gerade bei Handaufzugsuhren steht der Träger in der unmittelbaren Interaktion mit der Zugfeder. Bei Automatikuhren ist die Interaktion zwar indirekter, aber die Relevanz der Schlüsselkomponente Zugfeder ist kein Stück geringer. Vielleicht denken Sie zukünftig daran, wenn Sie Ihren Zeitmesser mit neuer Energie versorgen.
