Federkraftkurve Diagramm

Wir beginnen mal bei der Zugfeder

Wenn sich die Zugfeder entspannt, treibt sie das Räderwerk an. Die Feder muss immer wieder zwischen Spannen und Entspannen wechseln.

Dies gelingt 10.000- bis 15.000-mal beinahe ohne Verschleiß. Somit ist die Zugfeder ein unglaublich guter, fast beliebig wieder aufladbarer Energiespeicher.

Antrieb durch eine Zugfeder

Die Zugfedern bei Großuhren und einfachen Kleinuhren bestehen aus wärme-behandeltem Stahl. Nachteil dieses Materials ist die begrenzte Lebensdauer, da diese Federn nach langer Benutzung brechen können. Bei hochwertigen modernen Armbanduhren werden fast ausschließlich Federn aus höchst komplizierten Legierungen verwendet, die weniger leicht brechen und außerdem rostfrei sind.
Diese Art von Zugfeder nennt sich Nivaflex.

Beim mechanischen Antrieb mit Zugfeder gibt es zwei beliebte Systeme:
Antrieb mit offener Zugfeder & Antrieb mit umlaufendem Federhaus

Das Federhaus ist ein Bauteil, dass man in vielen Großuhren leicht erkennen kann: (ein großer Messingzylinder, der an einer Stirnfläche verzahnt ist).

Federhaus-Grossuhren

In diesem Zylinder ist die Zugfeder spiralförmig aufgewickelt. Die Verzahnung des Federhauses stellt das erste Zahnrad der Uhr dar. Im Gegensatz dazu steht die offene Feder, die in den meisten Weckern und einigen sehr billigen großen Federzuguhren verwendet wird.

In einer solchen Uhr ist die Spiralfeder offen eingebaut und als aufgewickeltes Stahlband im Uhrwerk zu erkennen. Alle Armband- und Taschenuhren und alle besseren Großuhren verwenden das umlaufende Federhaus. In diesem Fall wird die Zugfeder von der Achse des Federhauses aus (am inneren Ende der Feder) aufgezogen, die Kraftabgabe erfolgt am äußeren Ende der Feder, die am Federhaus eingehängt ist. Das Federhaus dreht sich also während die Uhr abläuft (daher der Name umlaufendes Federhaus).

Die Achse des Federhauses wird durch die Kraft der Feder zurückgetrieben (entgegen der Kraft des Aufziehenden). Man benötigt also noch ein Sperrrad (Klinkenrad), das eine Bewegung entgegen der Kraft der Feder erlaubt, aber nach dem Aufziehen die Achse des Federhauses gegen das Werkgestell abstützt. Das Klinkenrad ist also durch einen Vierkant kraftschlüssig mit der Achse verbunden, während die Klinke am Werkgestell befestigt ist.

Bei der offenen Feder erfolgt An – und Abtrieb der Feder am inneren Ende der Feder. Das äußere Ende der Feder ist am Werksgestell eingehängt, und ist damit fest. Das erste Zahnrad der Uhr, das von der Feder angetrieben wird besteht damit aus zwei Teilen: dem eigentlichen Zahnrad und dem Klinkenrad, an dem die Feder befestigt ist. Beim Aufziehen wird das Klinkenrad bewegt, während das Zahnrad in diesem Moment von der Kraft der Feder befreit ist.

Die beiden Systeme haben folgende Vor- und Nachteile:

  • Das umlaufende Federhaus erlaubt einen besseren und gleichmäßigeren Ablauf der Feder
  • Die Feder ist vor Umwelteinflüssen geschützt, ebenso ist das Uhrwerk bei einem eventuellen Federbruch vor der Feder geschützt, der Hauptvorteil ist dass der Antrieb der Uhr während des Aufzugs nicht unterbrochen wird.
  • Die offene Zugfeder bietet nur den Vorteil, billiger zu sein.

Als Zwischenform gibt es das feststehende Federhaus, bei dem die offene Zugfeder von einem Federhaus, das fest mit der Werksplatte verbunden ist, umgeben ist. Dieses System ist etwas einfacher als das umlaufende Federhaus und bietet die gleichen Schutzfunktionen von Feder und Werk. Es wurde allerdings nur sehr selten verwendet. Die Unterbrechung des Antriebes während des Aufzugs lässt sich leicht feststellen: wenn man an einem gewöhnlichen Wecker leicht am Aufzugschlüssel dreht, wird das Ticken langsam leiser, nach einigen Sekunden hört es ganz auf. Bei einer Armbanduhr wird die Uhr immer weiterlaufen.

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Vor- und Nachteile des Federantriebes:

  • Vorteil des Federantriebes gegenüber dem Gewichtsantrieb ist die Möglichkeit kleine und tragbare Uhren zu bauen, da ein Gewichtsantrieb eine Bewegung der Uhr natürlich nicht zulässt.
  • Der große Nachteil des Federantriebes ist die Veränderlichkeit des Antriebes während des Ablaufes. Eine Feder hat, wenn sie voll gespannt ist, wesentlich mehr Kraft, als wenn sie fast abgelaufen ist.
  • Da alle Schwingungssysteme in mechanischen Uhren nicht ganz unabhängig von der antreibenden Kraft sind, führt dies zu einem ungleichmäßigen Gang der Uhr.
Zugfeder & Federhaus
Automatik Zugfeder in Federhaus eines ETA Kalibers

Heute sind Zugfedern nahezu bruchfest

Da Zugfedern weder ermüden, verbiegen, knicken noch abbrechen sollten und zudem Korrosion und Magnetismus trotzen sollen, spielen zeitgemäße Werkstoffe eine Rolle. Seit etwa 1965 haben struktur- und kaltgewalzte Legierungen die anfälligen Federspeicher aus Kohlenstoffstahl abgelöst. Bei ihnen treten die erwähnten Schwierigkeiten nur noch selten auf; etwa dann, wenn extrem ungünstige Temperatur-, Konstruktions- und Umgebungseinflüsse zusammenkommen.

Und damit zu Nivaflex

Nivaflex ist eine ausgehärtete Speziallegierung auf Kobaltbasis. Der Werkstoff besteht zudem aus Eisen, Nickel, Chrom, Beryllium, Molybdän, Titan und Wolfram. Er ist dehnbar und weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.

Das Material ist also rostfrei, anti-magnetisch, zudem hoch-elastisch und damit optimal, daraus (beinahe unkaputtbare/bruchsichere) Federn in den kleinsten Dimensionen herzustellen, weshalb Nivaflex seit 1948 für Trieb und Druckfedern in der Uhrenbranche eingesetzt wird.

Federkraftkurve Diagramm

Im Bild sehen Sie den Verlauf einer Federkraftkurve einer „normalen“ Feder. Ganz am Anfang steigt die Federkraft recht steil an und wird dann ziemlich konstant größer. Kurz bevor die Feder ganz gespannt ist, steigt die Kurve noch einmal steil an. Dieses „natürliche“ Verhalten einer Zugfeder verhindert den präzisen Gang einer Uhr.

Es ist sicher einleuchtend, dass eine Unruh, angetrieben von einer nur leicht aufgezogenen Feder viel geringer ausschwingt, als wenn sie mit aufgezogener Feder angetrieben wird! Interessant dabei ist, dass – rein theoretisch – eine Unruhe mit geringer Schwingungsweite genau so lange für eine Schwingung braucht, wie bei einer großen Schwingungsweite.

Ähnlich ist es übrigens auch beim Pendel. Die Pendellinse eines nur leicht angestoßenen Pendels braucht – theoretisch – genau so lange bis sie wieder zum Ausgangspunkt zurückkehrt, als wenn diese stark angestoßen wird. Diese Eigenschaft eines schwingenden Körpers nennt man Isochronismus! Ein wichtiges Wort in der Ausbildung eines Uhrmachers:

Isochronismus ist die Schwingungsdauer bei unterschiedlicher Amplitude (Schwingungsweite).

Und nur mal um zu sehen wie weit die Erfindung der Feder wirklich zurückreicht

Schon der ägyptische Pharao Tutanchamun erfand komplexere Formen der Blattfeder für seine Streitwagen. Die Blattfedern erhöhten den Fahrkomfort und gleichzeitig die Lebensdauer der Wagen.

Die ersten richtige Federn gab es so um etwa 1493.

Sie waren zunächst von Hand geschmiedet, später aus Draht gewalzt, spiralförmig aufgerollt und zuletzt in der Esse angelassen, was sie zwar härter, aber auch instabiler gemacht hat. Das Brechen der Feder galt daher jahrhundertelang als eine der häufigsten Pannen bei der Taschen- und später auch bei der Armbanduhr.

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