Hemmung (Uhr)

mini|Animation einer Ankerhemmung, wie sie in Pendeluhren verwendet wird

Die Hemmung (früher auch Gang; franz. échappement; engl. escapement) ist jene Baugruppe in Räderuhren, die die Verbindung zwischen dem Räderwerk und dem Gangregler (etwa dem Pendel) herstellt. Sie besteht als Ankerhemmung in der Regel aus dem Hemmungsrad (Gangrad, Steigrad oder Ankerrad)Fachausdrücke bei erstmaliger Nennung kursiv und in Klammern, meistens aus Klaus Menny: Die Funktion der Uhr, Callwey, 1994. und dem Hemmstück (Anker, Ruhestück). Der Gangregler bewirkt über das in das Hemmungsrad eingreifende Hemmstück das periodische Anhalten („Hemmen“) des Räderwerks und damit den regelmäßigen Gang der Uhr. In umgekehrter Richtung erhält er Energie (Hebung, Impuls), um nicht stehen zu bleiben. Ein Pendel wird periodisch „gehoben“.Klaus Menny: Die Funktion der Uhr. Callwey, München 1994, ISBN 3-7667-1095-8, S. 37ff.

Dieser Artikel beschreibt nur Hemmungen, die auf klassischen Gangreglern beruhen, also Pendel, Unruh oder Foliot (Waag). Die Umsetzung von Schwingungen anderer Oszillatoren wie Stimmgabeln, Quarzkristalle oder schwingfähiger Siliziumelemente in die getaktete Bewegung eines Uhrwerks wird hier nicht betrachtet.

Die Erfindung von drei Methoden der Hemmung gelang englischen Uhrmachern zwischen etwa 1685 und 1720. In China fand sich schon eine Ankerhemmung in einer astronomischen Uhr von Su Song (ab 1086).

Bauarten Bekannt sind etwa 250 verschiedene Konstruktionen, die sich nach ihrer Funktion in drei Bauarten einordnen lassen, die auch die Chronologie ihrer Entwicklung mit steigender Ganggenauigkeit der Uhren widerspiegeln. Es handelt sich um Rückführende Hemmungen, Ruhende Hemmungen und Freie Hemmungen, von denen im Folgenden die bedeutendsten Lösungen beschrieben werden.

Eine andere Einteilung unterscheidet zwischen Hemmungen für Pendeluhren und solche für Uhren mit Unruh-Spirale-Schwingsystem.

Rückführende Hemmung Bei der rückführenden Hemmung wird das Hemmungsrad nicht nur periodisch angehalten, sondern es erleidet, wie das ganze übrige Räderwerk, jedes Mal eine durch den Gangregler (Schwinger) verursachte kleine Rückdrehung (daher die Bezeichnung „rückführende“ Hemmung). Dem Schwingsystem (Pendel, Unruh) wird so Energie entzogen (Abbremsung), da es für die Rückdrehung gegen das angetriebene Räderwerk eine Arbeit aufbringen muss. Die Schwingung wird dadurch gestört. Dies erfolgt nicht während der gesamten Schwingung, sondern nur in den Rückführungsphasen während der Bewegung zum jeweiligen Umkehrpunkt des Schwingers (siehe obenstehende Animation). Die Abbremsung ist abhängig vom das Räderwerk antreibenden Drehmoment und der daraus resultierenden Antriebskraft für den Schwinger. Auf diese Weise wird die Schwingungsdauer von der Antriebskraft beeinflusst. Ist diese nicht konstant (bedingt durch Fehler im Räderwerk, sich entspannende Aufzugsfeder usw.), ergibt sich ein Gangfehler.Klaus Menny: Die Funktion der Uhr. Callwey, München 1994, ISBN 3-7667-1095-8, S. 37–40.

Spindelhemmung

Die ersten Räderuhren mit Spindelhemmung nutzten ein Foliot (Waag, Balkenwaag) als Schwinger. Später wurden Pendel und Unruh als Gangregler verwendet.

Die beiden an der Welle (Spindel) angebrachten, zueinander winklig versetzten Bleche (Hemmungslappen, Spindellappen) greifen wechselweise so in das Hemmungsrad (hier Kronrad) ein, dass es sich bei jeder Schwingung des Gangreglers um einen Zahn weiter dreht. Es dreht sich bei jeder Halbschwingung um eine halbe Zahnteilung und hat eine ungerade Zähnezahl: 180° gegenüber einem Zahn befindet sich eine Zahnlücke. Weitere Erläuterungen zur Funktion siehe die Einführung unter „Rückführende Hemmungen“.

Das Foliot wurde im letzten Drittel des 17. Jahrhunderts durch das Pendel nach theoretischen Vorarbeiten durch Huygens ersetzt. Die Spindelhemmung verlangt wegen des kurzen Hebelarms der Lappen große Ausschläge (maximal sind jedoch ca. 100° möglich). Deswegen ist sie nur für leichte und kurze Pendel geeignet, die störanfälliger sind als wenig ausschlagende, schwere und lange Pendel.

Von größter Bedeutung war jedoch die Kombination der Spindelhemmung mit der durch eine Spiralfeder unterstützten Unruh zu Beginn des 17. Jahrhunderts. Damit wurden Uhren endgültig mobil, sie konnten am Körper getragen werden (Sackuhren).

Eine Unruh schwingt umso stabiler, je größer ihr Ausschlag ist. Die maximal mögliche Schwingungsweite von ca. 100° bei der Spindelhemmung stellte somit ein Hindernis für die Herstellung präziserer Uhren mit Unruh-Spirale-Schwingsystem dar. Andererseits erforderten präzise Pendeluhren aber sehr kleine Schwingungsweiten (ca. 5° und darunter), was, wie oben beschrieben, mit einer Spindelhemmung nicht realisierbar war. In der Folge wurden deshalb die ruhenden Hemmungen (Grahamhemmung für Pendeluhren, Zylinderhemmung usw. für Unruhuhren) entwickelt.

Die Spindelhemmung wurde bei Taschenuhren bis in das erste Drittel des 19. Jahrhunderts, bei ortsfesten Uhren (z. B. Comtoise-Uhren) noch bis etwa 1860 eingesetzt.

Für seine berühmte Uhr H4 benutzte John Harrison eine hochwertig gefertigte Spindelhemmung mit Diamantpaletten.

Kreuzschlaghemmung

Kennzeichnend für diese Hemmung ist, dass die beiden in das vom Laufwerk angetriebene Hemmungsrad HR eingreifenden Hemmelemente H (Blechlappen, Klauen, Paletten etc.) nicht starr miteinander verbunden sind, sondern sich um verschiedene Punkte A (Achsen) gegenläufig synchron verdrehen können (deshalb die Bezeichnung Kreuzschlag). Erreicht wird das durch ein geeignetes Koppelelement K, das sehr vielfältig gestaltet sein kann (Schubgelenk, Zahneingriff etc.), welches den Zwanglauf erzwingt. Die Hemmelemente sind meist mit jeweils einem Schwinger P (Waag/Foliot, Pendel, Unruh) starr verbunden, so dass sich diese ebenfalls gegenläufig synchron bewegen. Aber auch Hemmungen, bei denen nur ein Hemmelement mit einem Schwinger versehen ist, werden als Kreuzschlaghemmungen bezeichnet. Das andere Hemmelement wird in diesem Fall durch das Koppelstück bewegt. Als Uhren mit Kreuzschlaghemmung gelten (fälschlicherweise) auch solche, die z. B. eine mit nur einem Schwinger (meist Pendel) zusammenarbeitende Ankerhemmung (oder andere) aufweisen, wobei ein zweiter Schwinger über ein lediglich beide Schwinger verbindendes Koppelelement angetrieben wird. Der Grund dafür ist wahrscheinlich die Ästhetik zweier sich gegenläufig bewegender Pendel, da die stabilere Schwingungsdauer kreuzschlagender Pendel im Vergleich zum einfachen Pendel zumindest angezweifelt werden kann. John Harrison verwendete in seiner Uhr H1 zwei zugfedergekoppelte kreuzschlagende Waagbalken (vgl. Grashüpferhemmung).

Wegen der Vielzahl der möglichen Ausführungen kann die Kreuzschlaghemmung den drei Hemmungsarten (rückführend, ruhend, frei) nicht eindeutig zugeordnet werden. Das Kreuzschlagprinzip bietet aufgrund der Kreisbahnkurven der Hemmelemente um zwei Drehachsen mehr Gestaltungsmöglichkeiten für die Hemmung als das Ankerprinzip. Von Nachteil ist jedoch das Koppelelement (Reibung). Bekanntgeworden sind nur rückführende Kreuzschlaghemmungen.

Erfunden wurde die Kreuzschlaghemmung 1584 von Jost Bürgi. Er erreichte damit bessere Gangergebnisse als sie mit Spindelhemmungen möglich waren. Als Koppelelement verwendete er zwei ineinandergreifende Zahnräder, die mit jeweils einem Waagbalken W versehen waren (das Pendel wurde erst später durch Galilei bzw. Huygens eingeführt). Das Hemmungsrad war sehr groß im Verhältnis zu den Koppel-Zahnrädern (in der Prinzipdarstellung nicht berücksichtigt). Worauf sich die bessere Ganggenauigkeit dieser Konstruktion gründete, ist nicht ganz klar. Wahrscheinlich führte weniger das in dieser Weise ausgeführte Kreuzschlagprinzip als vielmehr die hochwertigere Ausführung aller Uhrenteile durch Bürgi zu diesem Ergebnis. Eine Animation ist unter zu finden.

Hakenhemmung oder Rückfallankerhemmung

Die Hakenhemmung wurde im Jahre 1676 von Robert Hooke erfunden und um 1680 von William Clement in die Uhrentechnik eingeführt.Richard Mühe: Die Historische Uhrensammlung Furtwangen. Furtwangen 1967. Anstelle von Lappen an der Spindel (Spindelhemmung, siehe oben) wird ein aus gebogenem Blech gefertigter Hakenanker verwendet, der über eine Welle fest mit dem Schwinger (meist Pendel) verbunden ist. Die Haken greifen radial (die Lappen axial) in das Hemmungsrad (hier Ankerrad) ein. Ihr gegenseitiger Abstand entspricht einem ungeraden Vielfachen einer halben Zahnteilung des Ankerrades, das sich bei jeder Halbschwingung des Gangreglers um eine halbe Zahnteilung weiterdreht. Der von einem bestimmten Zahn zuerst getroffene Haken ist der Eingangshaken, der andere der Ausgangshaken. Die Haken sind weiter als die Lappen von ihrer Drehachse entfernt und so geformt, dass sie eine Hebung erzeugen (siehe Ruhende Hemmung). Dadurch ist der nötige Drehausschlag kleiner, und man kann längere Pendel verwenden, die wegen ihrer Schwere weniger störanfällig sind. Die verwendeten Hakenformen sind einander ähnlich, weichen im Detail jedoch voneinander ab. Räderuhren mit einem Anker können zudem flacher gebaut werden, da die Drehachse des Ankers (und damit die des Gangreglers) nicht mehr wie die Spindel um 90° gegen alle anderen Wellen des Uhrwerks verdreht ist. Die Hakenhemmung verdrängte zum Beginn des 19. Jahrhunderts die Spindelhemmung bei Pendeluhren. Insbesondere bei preiswerten Uhren (z. B. Schwarzwälder Uhren) wurde seit dieser Zeit die Hakenhemmung verwendet.

Nach dem gleichen Prinzip arbeitet der Rückfallanker (siehe obige Animation), ein aus dem Vollen gearbeitetes Werkstück, das auf der Welle des Pendels oder der Unruh befestigt ist. Bei Pendeluhren kann er eine eigene Welle aufweisen, wenn das Pendel an einem Faden oder an einer dünnen Blattfeder aufgehängt ist und mit einem an der Ankerwelle befestigten Bügel an den Anker angeschlossen ist.

Grashüpferhemmung

Die Grashüpferhemmung () wurde zwischen 1722 und 1737 von John Harrison entwickelt und in seinen Marinechronometern H1, H2 und H3 verwendet, mit denen er das Längenproblem löste. Die Paletten (Hemmelemente) sind auf getrennten Armen untergebracht, die über Scharniere mit jeweils einem Waagbalken (bzw. Pendel) oder einem Anker verbunden sind und abwechselnd in das Hemmungsrad greifen.

Harrison wurde bei der Entwicklung offenbar von der Kreuzschlaghemmung Bürgis angeregt, wobei beide von der Annahme ausgingen, dass zwei gekoppelte Waagbalken (Foliots) ein genaueres Zeitnormal darstellten als nur einer. Er modifizierte die Kreuzschlaghemmung dahingehend, dass er die Hemmelemente nicht starr mit den gekoppelten Armen dieser Hemmung verband, sondern sie ihrerseits drehbar auf den Armen anordnete. Kleine Gewichte sorgten dafür, dass die Paletten nach dem Eingriff in das Hemmungsrad in durch Anschläge festgelegte Positionen bewegt wurden. Die nebenstehende Animation verdeutlicht dies für die in der Uhr H1 verwendete ursprüngliche Ausführung der Grashüpferhemmung. Die Waagbalken waren zusätzlich noch mit zwei Zugfedern gekoppelt (Video unter), was bei der Darstellung nicht berücksichtigt ist.

Gekoppelte Pendel konnte Harrison für seine Marinechronometer nicht verwenden, da deren Schwingung von den Schiffsbewegungen bei Wellengang (Rollen, Gieren usw.) beeinflusst worden wäre, während dies für Waagbalken (bzw. eine Unruh in der Uhr H4) nicht der Fall ist.

Spätere Entwicklungen, die nicht auf den Bau von Marinechronometern beschränkt waren, verzichteten auf das modifizierte Kreuzschlagprinzip und verwendeten nur einen Waagbalken bzw. ein Pendel, wie in der nachfolgenden Funktionsbeschreibung anhand einer Prinzipdarstellung erläutert wird. Erst dadurch wurde die Grashüpferhemmung zu einer eigenständigen Hemmung.