Zwischenaufzug

Ein Zwischenaufzug oder (französisch für Zwischenantrieb oder Nachspannwerk) ist ein Energiespeicher mechanischer Uhren, der nicht das gesamte Laufwerk, sondern nur das Hemmungsrad oder ein unmittelbar davorliegendes Rad (Sekundenrad bei tragbaren Uhren) antreibt und von der Hauptenergiequelle periodisch aufgeladen (aufgezogen) wird. Der Hemmung und damit dem Schwingsystem (Pendel, Unruh-Spirale) wird so ein weitgehend konstantes Antriebsdrehmoment zur Verfügung gestellt, das die Voraussetzung für eine die Ganggenauigkeit bestimmende konstante Schwingungsdauer bildet. mini|Zwischenaufzug »Konstante Kraft« bei Korfhage

Weitere Einzelheiten

Konstruktionen, bei denen der Zwischenenergiespeicher Bestandteil der Hemmung ist und pro Schwingung oder Halbschwingung des Schwingers aufgeladen wird bzw. einen Antriebsimpuls abgibt, werden nicht als Zwischenaufzüge bezeichnet, sondern den Hemmungen zugerechnet. Beispiele sind die Schwerkraft- bzw. Federkrafthemmungen von Denison, Riefler und Strasser sowie die Konstantimpuls-Hemmung von Déhon (siehe Hemmung (Uhr)). Auch moderne Automatikuhren sind keine Uhren mit Zwischenaufzug, denn bei diesen ist kein Zwischenenergiespeicher vorhanden, sondern die Antriebsfeder (Hauptenergiequelle) wird unregelmäßig nachgespannt (abhängig von der Bewegung der Uhr). In neuerer Zeit gebaute Uhren mit elektrischem Zwischenaufzug werden hier nicht betrachtet.

Alte Taschenuhren tragen oft die Aufschrift remontoire. In der Regel besitzen diese Uhren keinen Zwischenaufzug. Es war üblich, Uhren mit Kronenaufzug im Unterschied zu den vorher verwendeten Schlüsselaufzügen so zu bezeichnen. Auch Hilfsantriebe, die während des Aufziehens der Uhr (bei Turmuhren nimmt dies oft Stunden in Anspruch) deren Gang aufrechterhalten, werden Remontoir genannt. Diese treiben jedoch das gesamte Laufwerk und nicht nur die Hemmung an und sind deshalb von den Zwischenaufzügen zu unterscheiden.

Die Hauptenergiequelle einer Uhr liefert ein großes Antriebsdrehmoment über einen langen Zeitraum (Tage, Wochen), während der Zwischenaufzug ein für den Betrieb der Hemmung und des Schwingsystems notwendiges kleines Moment abgibt, wobei wegen der geringen Speicherkapazität ein periodisches Nachladen in kurzen Zeittakten erforderlich ist.

mini|Drehmomente beim Zwischenaufzug

Großuhren (Turmuhren, Bodenstanduhren, Tischuhren usw.) werden in der Regel mit einem Gewicht und Kleinuhren (Taschenuhren, Armbanduhren, Wecker usw.) mit einer Aufzugsfeder (gewundene Blattfeder) angetrieben. Der Aufzugsfederantrieb hat den Nachteil, dass mit zunehmender Entspannung der Feder ein kleiner werdendes Drehmoment abgegeben wird. Der Gewichtsantrieb liefert prinzipiell zwar ein konstantes Drehmoment. Ungenauigkeiten bei der Kraftübertragung durch das Laufwerk zur Hemmung wie auch andere Einflüsse (Schmutz, bei Turmuhren Witterungseinflüsse usw.) führen jedoch auch hier zu einem veränderlichen Antriebsdrehmoment an der Hemmung. Durch den Zwischenaufzug werden diese Störungen eliminiert, es wird so lange ein weitgehend konstantes Drehmoment zur Verfügung gestellt, wie das variierende Drehmoment des Hauptantriebes noch in der Lage ist, den Zwischenspeicher aufzuladen (Punkt S, siehe Bild). Die von der Hauptenergiequelle abgegebenen Drehmomente sind wegen der Drehzahlübersetzung im Verhältnis zu den Momenten an der Hemmung wesentlich größer als im Bild dargestellt.

Die Erfindung des Zwischenaufzugs wird Jost Bürgi zugeschrieben (Anfang 17. Jhd.). In der Folge sind sehr viele verschiedene Konstruktionen bekanntgeworden. Allen gemeinsam ist neben dem Energiespeicher (Gewicht oder Feder) ein Auslöse- und Stoppmechanismus. Wie nachfolgend noch beschrieben, stellt die Auslösung eine nicht zu vermeidende Störung dar, die durch konstruktive Maßnahmen möglichst klein gehalten werden muss. Der Ablauf des Laufwerks erfolgt nicht wie bei Uhren ohne Zwischenaufzug in den vom Hemmungsrad vorgegebenen Zeitschritten, sondern wird von der Aufzugsperiode des Zwischenaufzugs bestimmt. Wird dieser beispielsweise einmal pro Minute aufgezogen, so bewegt sich das Laufwerk auch nur einmal pro Minute einen Schritt weiter. Der Ablauf der Zeit kann somit nur in Minutenschritten angezeigt werden, sofern nicht ein Zeiger auf der Hemmungsradwelle angebracht oder ein (sekundäres) Anzeigelaufwerk abgeleitet wird.

Für tragbare Uhren hat sich der Zwischenaufzug nicht durchgesetzt, obwohl er auch in neuester Zeit vereinzelt verwendet wird. Die Gründe sind vielfältig. Insbesondere stellt die Mechanik des Zwischenaufzugs eine zusätzliche Fehlerquelle dar (z. B. Federermüdung des Zwischenspeichers, Reibungsprobleme des Auslösemechanismus usw.), so dass der höhere Aufwand zu keiner wesentlichen Verbesserung der Ganggenauigkeit führte. Häufiger ist der Zwischenaufzug bei Großuhren (insbesondere Turmuhren) zu finden.

Nachfolgend werden Prinzipien einiger Konstruktionen erläutert.

Federkraft-Zwischenaufzug von Harrison

mini|Zwischenaufzug von Harrison (mit vereinfachtem Auslösemechanismus)

Anmerkung: Der nachfolgend der Einfachheit halber dargestellte Auslösemechanismus (siehe Animation) entspricht nicht dem komplizierteren von Harrison (siehe unten). Es soll nur verdeutlicht werden, dass vom Hemmungsrad der Nachspannvorgang periodisch ausgelöst wird.

John Harrison wendete bei seinem Marinechronometer H2 einen Zwischenaufzug gemäß nebenstehendem Bild an.

Die Wellen 1 bis 4 sind in einem nicht dargestellten Gestell gelagert. Die hier nicht interessierende Grashüpferhemmung GH lässt einerseits das Hemmungsrad HR im Takt des ebenfalls nicht gezeigten Schwingsystems (bei Harrison zugfedergekoppelte kreuzschlagende Waagbalken) schrittweise ablaufen und versorgt andererseits das Schwingsystem mit periodischen Antriebsimpulsen zur Aufrechterhaltung der Schwingung. Das Hemmungsrad und zwei Kurvenscheiben KS sitzen fest auf der Welle 1. An den Kurvenscheiben sind zwei Zugfedern F befestigt, die an ihrem anderen Ende über Stifte ST mit einem Spannrad SR verbunden sind. Spannrad, ein Ritzel RZ1 und ein Schaltstern SS sind mit der Hohlwelle HW verbunden, die sich auf der Welle 1 drehen kann. Die Zugfedern üben auf das Hemmungsrad ein Drehmoment entgegen der Uhrzeigerrichtung aus. Während sich das Hemmungsrad und somit auch die Kurvenscheiben fortlaufend bewegen, wird die Bewegung des Spannrades durch ein am Doppelhebel DH befestigtes Sperrstück SP blockiert, wobei der Doppelhebel wegen des Gewichtes G ständig am Schaltstern anliegt. Die Zugfedern entspannen sich somit und liefern eine zunehmend geringere Kraft. Da jedoch den sich verkürzenden Federlängen f (f1, f2) sich vergrößernde Hebelarme a (a1, a2) gegenüberstehen, bleibt das antreibende Drehmoment weitgehend konstant. Ein Nachspannen der Federn erfolgt periodisch, nachdem sich das Hemmungsrad um einen bestimmten Winkel verdreht hat, also nach einer bestimmten Zeit (bei Harrison sind es 30 Sekunden). Ausgelöst wird dieser Vorgang durch einen der am Hemmungsrad angeordneten Nocken N, der auf die Schaltfläche SF des Doppelhebels wirkt und so das Sperrstück vom Schaltstern abhebt. Dabei muss vom Hemmungsrad gegen das Gewicht des Hebels und gegen Reibkräfte die sogenannte Auslösearbeit verrichtet werden. Diese verkleinert das von den Zugfedern gelieferte antreibende Drehmoment, so dass dem Schwingsystem während des Auslösevorgangs ein geringerer Antriebsimpuls zugeführt wird. Durch konstruktive Optimierung der Auslösemechanik (bzw. Stoppmechanik) muss die Auslösearbeit minimiert werden, um den (negativen) Einfluss auf die Ganggenauigkeit möglichst klein zu halten. Da das Sperrstück den Schaltstern nun nicht mehr blockiert, wird vom bis dahin stillstehenden Laufwerkrad LW das von der Hauptenergiequelle gelieferte Antriebsmoment auf das Ritzel und damit das Spannrad übertragen, das sich nun entgegen der Uhrzeigerrichtung bewegt und die Federn nachspannt. Damit diese Bewegung nicht zu schnell erfolgt, wird mit dem Ritzel RZ2 ein Windfang W angetrieben. Nachdem der Nocken des Hemmungsrades die Schaltfläche des Doppelhebels verlassen hat, greift das Sperrstück des Doppelhebels wieder in den Schaltstern ein und beendet das Nachspannen. Das Laufwerk steht wieder still. Der Antrieb des Hemmungsrades durch die Federn wurde während des gesamten Nachspannvorgangs nicht unterbrochen.

Harrison hat den Auslösemechanismus optimiert, indem er das Starten und Stoppen vom Schaltstern SS auf den Windfang W und das damit verbundene Ritzel RZ2 verlagert hat. Dazu ist am Windfang ein filigraner Hebelarm vorgesehen, der mit seinem Fanghaken an einen am Doppelhebel angebrachten Stift anschlägt. Durch die periodische Bewegung des Doppelhebels (bis zur Auslösung vom Hemmungsrad gesteuert) wird der Windfang-Hebelarm vom Stift freigegeben oder gestoppt. Somit werden auch das Schaltrad SR (samt Schaltstern SS), das Ritzel RZ1 und das Laufwerk LW gestoppt oder freigegeben. Der Fanghaken ist erforderlich, weil sich bei der Hubbewegung des Doppelhebels der Abstand des Stiftes von der Drehachse des Windfang-Hebelarmes verkürzt. Der Hebelarm würde ohne Fanghaken nicht vom Stift freigegeben. Der Fanghaken kann sich jedoch hinter dem Stift vorbeibewegen, so dass die Auslösung erfolgt. Während des Nachspannvorgangs (der sich drehende Schaltstern hat die Steuerung des Doppelhebels übernommen) vollführt der Windfang mehrere Umdrehungen, ehe er durch die von der jeweiligen Schaltsternkurve gesteuerte Rückwärtsbewegung des Doppelhebels vom auf den Stift aufschlagenden Fanghaken wieder gestoppt wird. Auf Grund der Übersetzungsverhältnisse ist die Auflagekraft des Fanghakens auf dem Stift (und damit die Reibkraft bei der Bewegung gegeneinander) sehr gering, so dass eine minimale Auslösearbeit zu verrichten ist. Der Eingriff des Doppelhebels in das Hemmungsrad erfolgt nicht über die Fläche SF, sondern mit einer gewichts- bzw. federbelasteten drehbeweglichen Klaue, wodurch sich die Reibverhältnisse auch hier verbessern. Der Schaltstern dient (ähnlich wie bei obiger Animation) während der Nachspannbewegung auch dazu, den Doppelhebel soweit anzuheben, dass sich die Klaue vom Nocken löst und in die Fangposition (Anschlag) zurückspringt. Eine Stoppfunktion haben der Schaltstern SS bzw. das Sperrstück SP nun nur insofern, als sie den Doppelhebel in die Ausgangsposition (Fanghaken auf Stift, Klaue in Fangposition) zurückführen.

Schwerkraft-Zwischenaufzug von Wagner

Eine andere, für Großuhren angewendete Lösung, stammt von Bernard-Henri Wagner. Das Prinzip ist in nebenstehendem Bild dargestellt.

mini|Zwischenaufzug von Wagner

Die Wellen 1 bis 4 sind im nicht gezeigten Gestell gelagert. Die Wellen 1 und 2 liegen auf der gemeinsamen Achse AC. Auf der Welle 5 sind ein Steigrad SR und ein Ritzel RZ1 befestigt, wobei die Welle in einem austarierten Hebel H, der sich frei um die Welle 1 drehen kann, gelagert ist. Das Steigrad greift in ein Antriebsrad AR ein, das wie das Hemmungsrad HR fest auf der Welle 2 sitzt. Das Hemmungsrad wird entsprechend der Schwingungsdauer des Pendels durch die Hemmung HM periodisch freigegeben und gestoppt. Das von der Hauptenergiequelle über das Laufwerk angetriebene Zahnrad LW übt ständig ein Drehmoment auf das Ritzel RZ2 aus, das, wie zwei Schaltfinger SF und ein Windfang W, fest mit der Welle 3 verbunden ist. Ein Schaltfinger liegt unter dem Einfluss des Drehmomentes auf dem zylindrischen Teil eines mit dem Hebel verbundenen Schaltnockens SN auf und verhindert so eine Bewegung des Rades LW bzw. des Laufwerkes. Der Schaltnocken besitzt eine Ausnehmung A, die bei Verdrehung des Hebels um einen bestimmten Betrag den jeweiligen Schaltfinger freigibt, wodurch sich das Laufwerk bewegen kann. Am Hebel ist das Gewicht G angebracht. Das durch den Hebel angehobene Gewicht stellt den Zwischenenergiespeicher dar und übt ein Drehmoment um die Achse AC aus.