21.08.2019
 9 Minuten

Technik-Guide: Konstantkraft-Mechanismen in der Uhrmacherei

Von Tim Breining
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Technik-Guide: Konstantkraft-Mechanismen in der Uhrmacherei

Es ist kein Geheimnis, dass mechanische Uhren ihren quarzgesteuerten Pendants in Sachen Genauigkeit nicht das Wasser reichen können. Doch das tut der Begeisterung an den technisch komplexen Mechanismen und der feinen Veredelung der Bauteile keinen Abbruch.

Nichtsdestotrotz haben sich zahlreiche Manufakturen der Aufgabe verschrieben, möglichst genaue mechanische Zeitmesser zu entwickeln, um ihre Expertise in der Uhrmacherei zu untermauern. Zur Erreichung dieses Ziels stehen ihnen eine Reihe von Komplikationen zur Verfügung. Manche sind nahezu jedem Uhrenliebhaber bekannt, andere sind selbst in der Haute Horlogerie echte Raritäten – so auch die Konstantkraft-Mechanismen.

Ein Exot unter den Komplikationen

Ob Konstantkraft-Mechanismen nun Komplikationen sind oder nicht, ist Ansichtssache. Eine zusätzliche Funktion fügen sie der Uhr im Allgemeinen nicht hinzu, aber gleiches gilt für das Tourbillon auch. Sicher ist jedoch, dass sie neben dem Tourbillon und anderen großen Komplikationen ein Nischendasein fristen. Aus nachvollziehbaren Gründen: Für den Preis der erschwinglichsten Tourbillons ist keine neue Armbanduhr mit einem Konstantkraft-Mechanismus zu haben. Noch dazu ist die Funktionsweise von Konstantkraft-Mechanismen nicht ganz trivial. All das trägt dazu bei, dass allen voran kleine, aber feine Manufakturen auf diese Komplikation setzen und sie in Sammlerkreisen entsprechend gewürdigt werden. Versuchen wir, uns dieser exotischen Komplikation ein wenig anzunähern.

 

Ferdinand Berthoud Chronomètre 1.2-1
Ferdinand Berthoud Chronomètre 1.2-1Bild: Bert Buijsrogge

Wieso überhaupt konstante Kraft?

Unsere Armbanduhren werden von Zugfedern angetrieben. Schon anhand des zunehmenden Widerstands beim Aufziehen einer Handaufzugsuhr merkt man, dass die Zugfeder nicht immer dieselbe Kraft an das Uhrwerk liefern kann. Bei Vollaufzug ist sie maximal, kurz vorm Stehenbleiben der Uhr minimal. Damit ist die Kraft, die durch das Räderwerk am Ankerrad ankommt, und die über den Anker schließlich der Unruhe bei jeder Halbschwingung einen Impuls gibt, ebenfalls nicht konstant.

Das „stört“ die Unruhe insofern, als dass ihre Frequenz abhängig vom Auslenkungswinkel der Unruhe (und somit der Antriebskraft) variiert. Eine direkte Konsequenz hieraus ist, dass die Uhr abhängig vom Aufzugszustand unterschiedlich schnell läuft. Wie ist das mit der Angabe einer Ganggenauigkeit zu vereinbaren? Ganz einfach: Üblicherweise gilt die für eine Armbanduhr angegebene Ganggenauigkeit nur bei Vollaufzug. Strenggenommen liegt für jeden Aufzugszustand eine andere Ganggenauigkeit vor, es sei denn es handelt sich um eine perfekt ausgeführte Konstantkraft-Uhr.

Ein wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist der Isochronismus. Eine Uhr bzw. ihre Hemmung ist dann isochron, wenn die Frequenz nicht mit der Auslenkung der Unruh variiert. Dass die Kombination von Unruhe und Spiralfeder dieser Anforderung prinzipiell genügt, zeigte der niederländische Universalgelehrte Christiaan Hyugens bereits in der Mitte des 17. Jahrhunderts. Leider besteht zwischen mathematischer Theorie und der Realität noch ein gewisser Unterschied: Reibung, Temperatur, Luftdruck, Stöße, Magnetismus und einiges mehr tragen dazu bei, dass unsere Uhren alles andere als isochron ihren Dienst verrichten.

Zenith Academy Georges Favre-Jacot
Zenith Academy Georges Favre-JacotBild: Bert Buijsrogge

Die Motivation für konstante (Feder-)Kraft in der Uhr ist somit offensichtlich: Wenn es nicht möglich ist, die Frequenz der Unruhe vom Antrieb unabhängig zu machen, dann sorgt man einfach für einen konstanten Antrieb!

Bevor wir uns die faszinierenden Lösungen von Marken wie A. Lange & Söhne, Romain Gauthier, Grönefeld, Oscillon und weiteren Manufakturen anschauen, widmen wir uns den Lösungen historischer Uhrmacher.

Konstante Kraft in der historischen Uhrmacherei

Bevor die Spiralfeder in der Hemmung Einzug hielt, war die Waag (auch Foliot genannt) der Gangregler der Wahl – ein Balken mit zwei verschiebbaren Gewichten an seinen äußeren Enden. Mangels Spiralfeder waren Taschenuhren, die diesen Gangregler nutzten, hochgradig empfindlich gegenüber schwankender Antriebskraft. Ohne einen vorgeschalteten Konstantkraft-Mechanismus waren sie nahezu unbrauchbar.

Die gängige Lösung war damals der Antrieb über Kette und Schnecke. Hier wird beim Aufzug eine winzige Kette vom zylindrischen Federhaus auf einen Kegel (die Schnecke) gewickelt. Mit dem Ablauf der Uhr wickelt sich die Kette langsam wieder ab. Die Kegelform sorgt dafür, dass dabei der Abstand zur Drehachse und dadurch der wirksame Hebel immer größer wird. Somit wirkt bei Vollaufzug eine große Kraft mit kleinem Hebel, gegen Ende der Laufzeit eine kleine Kraft mit dem maximalen Hebel. Durch die sorgfältige Gestaltung der Schnecke kann über die gesamte Laufzeit der Uhr eine konstante Antriebskraft gesichert werden.

Variante 1: Kette und Schnecke in Armbanduhren

Die Unterbringung von Kette und Schnecke und gerade deren Fertigung ist schon in einer filigranen Taschenuhr nicht einfach. Einen solche Kette so zu miniaturisieren, dass sie in einer Armbanduhr verbaut werden kann, ist eine ganz andere Geschichte.

Zur Veranschaulichung: Ein simples Werk einer Armbanduhr kann aus ca. 50 Einzelteilen bestehen. Üblich sind über 100. Allein die Kette in einer Armbanduhr mit Kette und Schnecke kann aus über 600 individuellen Komponenten zusammengesetzt sein! Der Montageaufwand für diese unglaublich feine Kette ist also beachtlich.

Doch damit nicht genug: Um die filigrane Kette vor Schäden zu schützen, muss man sie nach erreichtem Vollaufzug vom Werk entkoppeln. Eine kräftige Drehung der Krone würde andernfalls die Kette zum Reißen bringen. Zusätzlich wird so auch der genutzte Bereich der Zugfeder begrenzt. Ihre Kraft nimmt nämlich über einen gewissen Bereich annähernd konstant ab. Nur dieser Bereich lässt sich sinnvoll nutzen. Nahe dem Vollaufzug und kurz vor der vollständigen Entspannung ist der Abfall der Antriebskraft hingegen besonders stark.

Zenith Constant Force
Bild: Bert Buijsrogge

Steht die Feder kurz vor der Entspannung, sorgt ein weiterer Mechanismus für ein Anhalten der Uhr. Somit werden beide „extremen“ Bereiche der Zugfeder nicht verwendet. Dies limitiert auch die Abmessungen der Schnecke, die sonst für einen noch deutlich größeren Bereich die Hebelarme kompensieren müsste. Das hat auch negative Konsequenzen: Dadurch, dass man die genutzten Bereiche der Zugfeder beschränkt, sinkt auch die Gangreserve. Bei der A. Lange & Söhne Richard Lange „Pour Le Mérite“ beträgt sie beispielsweise nur 36 Stunden. Die Zenith Defy Fusee Tourbillon kommt immerhin auf 50 Stunden.

Letztlich birgt der Aufzug über Kette und Schnecke noch eine weitere Tücke: Bei konventionellen Uhren sorgt das umlaufende Federhaus dafür, dass auch während des Aufzugs der Kraftfluss im Uhrwerk nicht unterbrochen wird. Im Aufzug mit Kette und Schnecke tritt dieses Problem jedoch wieder auf, da die Schnecke auf- und abgewickelt werden muss, nicht umläuft und somit die Drehrichtung variiert. Man löst dieses Problem typischerweise durch einen Planetenaufzug, der mit dem Prinzip eines Differentialgetriebes arbeitet und eine nahtlose Kraftversorgung sicherstellt.

Kette und Schnecke 2.0

Die Logical One der jungen Manufaktur Romain Gauthier beinhaltet zahlreiche Innovationen, die die historische Komplikation Kette und Schnecke fit für das 21. Jahrhundert machen. Ein ideales Beispiel für eine moderne Konstantkraft-Uhr –  und einer meiner persönlichen Favoriten.

Der Ingenieur Gauthier nahm sich des Mechanismus weniger mit uhrmacherischer Nostalgie, als auf rationale, technische Art an. Besondere Schwächen der historischen Uhren identifizierte er bei der Kette. Diese musste dünn sein, damit all ihre Windungen auf die Schnecke passen. Deshalb wechseln sich bei bisherigen Modellen für gewöhnlich einzelne und doppelte Glieder ab. Dabei stellen die Einzelglieder klare Schwachstellen dar. Zusätzlich reibt die Kette an ihren Auflagestellen am Federhaus.

In der Logical One setzt Romain Gauthier daher eine von modernen, technischen Ketten inspirierte Bauform ein, wie man sie u.a. auch von Fahrrädern kennt. Es wechseln sich immer zwei innenliegende und zwei außenliegende Gliederpaare ab, so dass Schwachstellen vermieden werden. Zur Reibungsminderung sind Rollen an jedem Kettenbolzen angebracht, die bei Romain Gauthier aus synthetischem Rubin bestehen. Auch die Befestigung am Kettenrad wurde überarbeitet, so dass sich die Last an der Befestigungsstelle über mehrere Kettenglieder verteilt.

Romain Gauthier Logical One
Romain Gauthier Logical OneBild: Romain Gauthier

Aus der sonst hoch bauenden Schnecke wird bei der Logical One eine zweidimensionale Nockenscheibe. Deren schneckenförmige Kontur vollzieht auf einem 360°-Winkel die Funktion der Schnecke nach. Dies verhindert ein Reiben der Kette am Federhaus, da diese beim Ablauf nicht mehr entlang der Drehachse verrutschen muss. Um dennoch sämtliche Umdrehungen des Federhauses und somit die Gangreserve ausnutzen zu können, sind zusätzliche Übersetzungsgetriebe zwischen Nockenscheibe und Federhaus, sowie Nockenscheibe und Zeigerwerk verbaut. Die gesamte Kette kommt deshalb mit nur 136 Komponenten aus – immerhin zwischen vier- und fünfmal weniger als die Konkurrenz. Romain Gauthier will nicht mit der Anzahl verbauter Komponenten beeindrucken. Verbaut wird das, was Sinn macht, was der Name Logical One dezent andeutet. Logik und Sachverstand kommen hier vor blinder Nostalgie und Effekthascherei.

Aufgrund der Komplexität des gesamten Mechanismus und der benötigten Kraft bot sich kein konventioneller Handaufzug an. Stattdessen erhält die Logical One ihre Energie durch einen patentierten Aufzugsdrücker, der bei jeder Betätigung die Uhr um einen gewissen Betrag aufzieht.

Die robuste Kette der Logical One
Die robuste Kette der Logical OneBild: Romain Gauthier

 

Variante 2: Die Zwischenaufzüge

Zwischenaufzüge oder Nachspannwerke (international auch „Remontoir“ genannt) verfolgen ein gänzlich anderes Konzept als Kette und Schnecke. In Werken mit Zwischenaufzug ist der Kraftfluss vom Federhaus bis zur Hemmung nicht durchgehend. Die Energieversorgung der Hemmung geschieht meist durch eine zwischengeschaltete Feder, die oft spiralförmig gewunden ist und der Unruhfeder recht ähnlich sieht. Diese ist stets gespannt und sorgt für einen Antrieb der Hemmung.

Nach einer gewissen Laufzeit würde sie jedoch völlig entspannt sein. Deshalb wird in definierten Intervallen der Kraftfluss vom Federhaus bis hin zu dieser Spiralfeder kurz freigegeben. Dabei findet ein erneutes Spannen der Feder statt – und zwar genau um den Betrag, den sie sich in einem Intervall entspannt hat. Betrachtet man die Antriebskraft, die an der Hemmung ankommt, über der Zeit, zeigt sich ein gleichmäßiges, sägezahnförmiges Profil. Die Antriebskraft sinkt innerhalb eines Intervalls ganz leicht ab, nur um nach erfolgtem Spannen wieder auf das Ursprungsniveau zu steigen. Dies wiederholt sich, bis die Uhr stehenbleibt. Die Antriebskraft, die an der Hemmung ankommt, ist im Durchschnitt über die gesamte Dauer der Laufzeit konstant. Wenn das Federhaus nicht mehr genug Drehmoment aufbringen kann, um den Zwischenaufzug zu spannen, bleibt die Uhr schließlich stehen.

Die Intervalle, in denen das erneute Spannen erfolgt, reichen üblicherweise von einer Sekunde bis zu einer Minute. Ist ersteres der Fall, kann das Nachspannwerk gleichzeitig als die Komplikation „springende Sekunde“ fungieren, sofern der Sekundenzeiger entsprechend montiert wird.

F.P. Journe Tourbillon Souverain
Dieses Modell der Tourbillon Souverain von F.P. Journe bietet neben dem offensichtlichen Tourbillon einen Zwischenaufzug und eine springende Sekunde.

Ein exzellentes Beispiel hierfür ist die F.P Journe Tourbillon Souverain Remontoir d’Égalité. Das Nachspannwerk ermöglicht die Integration der springenden Sekunde (auch Tote Sekunde genannt). Dazu gesellt sich bei F.P. Journe noch ein Tourbillon, dessen Kraftversorgung von dem Nachspannwerk entsprechend profitiert.

Grönefeld bietet mit der 1941 Remontoire eine Uhr mit 8-Sekunden-Nachspannwerk. Ein besonders langes Intervall von einer ganzen Minute weist die A. Lange & Söhne Lange 31 auf. Im Verhältnis zur unglaublichen Gangreserve von 31 Tagen ist das zweckmäßig. Um das wirklich monströse Federhaus aufzuziehen, wird ein separater Aufzugsschlüssel mitgeliefert, der die Feder sogar gegen ein versehentliches Überdrehen schützt.

Während sich der Aufzug durch Kette und Schnecke optisch besonders gut inszenieren lässt, offenbart sich der Zwischenaufzug oft nur durch einen subtilen Aufdruck auf dem Zifferblatt. Für den unvergessenen George Daniels galt er jedoch als die beste Lösung für das Problem der konstanten Kraft. Dabei war er sich der Komplexität und der damit verbunden Kosten völlig bewusst. Daniels bemerkte außerdem, dass der Mechanismus „quite unneccesary“ und gerade deshalb so charmant für Sammler sei.

Variante 3: Konstantkraft-Hemmungen

Die dritte Kategorie der Konstantkraft-Mechanismen ist wohl die am schwierigsten zu umreißende. Strenggenommen tun Konstantkraft-Hemmungen dasselbe wie Nachspannwerke. Der zentrale Unterschied ist, dass die Funktion in die Hemmung selbst integriert ist.

Ein seltenes Beispiel hierfür ist die Girard Perregaux Constant-Hemmung. Die Zwischenspeicherung von Energie erfolgt hier in 14 Mikrometer dünnen, geknickten Blattfedern, die Bestandteil eines einzigen, komplexen Siliziumbauteils sind. Den detaillierten Funktionsablauf des Mechanismus verfolgt man am besten in einer Animation oder an der eigentlichen Uhr, wenn man die seltene Gelegenheit dazu bekommt. Wichtig ist, dass hier ebenfalls eine Unterbrechung des Kraftflusses vom Federhaus zur Hemmung stattfindet. Die Nachspannung der Blattfedern, die direkt den Anker und somit die Unruhe antreiben, erfolgt während jeder Halbschwingung der Unruhe. Bei der Girard Perregaux Constant mit einer Schwingfrequenz von 3 Hertz erfolgt dies somit sechsmal pro Sekunde.

Girard Perregaux Constant
Girard Perregaux ConstantBild: Bert Buijsrogge

Ein ähnliches Konzept, das ebenfalls Blattfedern aus Silizium verwendet, ist in der Ulysse Nardin Ulysse Anchor-Hemmung zu finden. Sie stellt eine Konstantkraft-Hemmung mit Tourbillon dar. Von der Marke, die eine Pionierrolle in der Einführung von Silizium in der Uhrmacherei einnimmt, erwartet man nichts Geringeres.

Variante 4: Die Rollfeder

Zum Abschluss soll noch eine Uhr Erwähnung finden, die nicht minder fasziniert, aber das Problem der konstanten Kraft erstaunlich simpel löst – zumindest augenscheinlich: Die Rede ist vom Modell L’instant de vérité der kleinen Manufaktur Oscillon aus dem Schweizer Dorf Buchs. Die Bezeichnung „Manufaktur“ wird gerne inflationär verwendet, ist hier aber goldrichtig. Bei Oscillon werden Uhren vollständig von Hand, also mit manuell bedienten Geräten und gänzlich ohne CNC-Maschinen, gefertigt. Hinter der Marke verbergen sich die Uhrmacher Cyrano Devanthey und Dominique Buser.

Oscillon l’instant de vérité
Oscillon l’instant de véritéBild: Oscillon

Auf dem Hilfszifferblatt der L’instant de vérité findet man die Worte „Constant Torque Spring“ (etwa: Feder mit konstantem Drehmoment). Dahinter verbirgt sich eine Rollfeder. Rollfedern haben zwei Trommeln, auf denen die Feder gegenläufig gewickelt wird. Das Resultat ist eine nahezu konstante Kraftabgabe. Dadurch kann der Traum von der konstanten Kraft direkt am Federhaus und mit vertretbarem Aufwand realisiert werden. Doch Rollfedern sind keine neue Erfindung: Populäre Alltagsanwendung für sie findet man – ganz unspektakulär – bei Staubsaugern oder Sicherheitsgurten. Hier sorgen Rollfedern für eine möglichst gleichmäßige Kraftentfaltung bei der Aufwicklung. Bei Oscillon ist der Einsatz der Rollfeder nicht so trivial, und erfordert ein paar zusätzliche Anstrengungen. Ähnlich wie bei Kette und Schnecke wird ein Differentialgetriebe verbaut, um eine Unterbrechung des Kraftflusses während des Aufzugs zu verhindern.

In dieser Explosionszeichnung kann man die Rollfeder und ihre beiden Trommeln ausmachen.
In dieser Explosionszeichnung kann man die Rollfeder und ihre beiden Trommeln ausmachen.Bild: Oscillon

Wie Sie sehen, führen viele Wege zum Ziel, wenn es um konstante Kraft im Uhrwerk geht. Man kann sich des Problems ganz traditionell annehmen, wie bei A. Lange & Söhne oder Zenith, oder die historischen Konstruktionen aus der Perspektive eines Ingenieurs der Neuzeit interpretieren wie Romain Gauthier. Andere wie Girard Perregaux nutzen High-Tech Fertigungsmethoden, um zukunftsweisenden Konzepten den Weg zu ebnen. Wieder andere wie Grönefeld bedienen sich zwar altbekannter Lösungen, verpacken diese aber in Uhren, die keineswegs traditionell daherkommen und fast schon spielerische Details aufweisen. Oder man schaut über den Tellerrand der Uhrmacherei und adaptiert eine existente Technologie für völlig neue Anwendungsgebiete, wie es Oscillon vormacht.

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Tim Breining

Etwa 2014, während meines Ingenieurstudiums, begann ich mich für Uhren zu interessieren. Mit der Zeit wurde aus der anfänglichen Neugier eine Leidenschaft. Da …

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