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DIE KONSTANTKRAFTHEMMUNG

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1. Definition und Prinzip

Die Konstantkrafthemmung ist ein Präzisionsmechanismus, der darauf abzielt, an die Unruh-Spirale streng identische Energieimpulse abzugeben, unabhängig vom Spannungsgrad des Federhauses. Sie gehört zur Kategorie der Komplikationen, die die Genauigkeit verbessern. Ihr Ziel ist es, das Regulierorgan von den Schwankungen der Antriebskraft zu isolieren, die dem allmählichen Ablauf der Antriebsfeder innewohnen. Dazu wird zwischen Räderwerk und Unruh ein elastisches Zwischenorgan eingefügt — in der Regel eine flexible Klinge oder eine kleine Feder —, das bei jedem Schlag mit konstanter Spannung neu aufgeladen wird und anschließend stets einen identischen Impuls abgibt. Dieses Prinzip unterscheidet sich vom Remontoir, der im Räderwerk vor der Hemmung wirkt. Die Konstantkrafthemmung hingegen integriert die Energieregulierung direkt in den Hemmungsmechanismus selbst.

2. Das Problem der variablen Antriebskraft

Jede Antriebsfeder eines Federhauses entwickelt eine Kraft, die je nach ihrem Spannungszustand variiert. Eine vollständig aufgezogene Feder übt ein maximales Drehmoment auf das Räderwerk aus. Dieses Drehmoment nimmt ab, je mehr sich die Feder entspannt. Bei einem gängigen Uhrwerk kann die Differenz zwischen der auf die Unruh übertragenen Kraft zu Beginn und am Ende der Gangreserve erheblich sein. Diese Schwankung beeinträchtigt den Isochronismus der Unruh-Spirale, da die Amplitude der Schwingungen direkt von der bei jedem Impuls empfangenen Energie abhängt. Eine höhere Amplitude erzeugt einen anderen Gangfehler als eine geringere Amplitude, aufgrund der der Spirale. Je größer die Kraftschwankung ist, desto mehr variiert die Amplitude, und desto unregelmäßiger geht die Uhr je nach Aufzugszustand. Um diesen grundlegenden Mangel zu beheben, haben Uhrmacher und Uhrmacherinnen Mechanismen mit konstanter Kraft entwickelt.

3. Unterscheidung vom Remontoir

Zwei große Familien von Mechanismen versuchen, die auf das Regulierorgan übertragene Antriebskraft auszugleichen. Das Remontoir ist eine Vorrichtung, die im Räderwerk zwischen dem Federhaus und der Hemmung platziert ist. Es speichert die Energie des Federhauses und gibt sie in regelmäßigen Abständen in gleichen Mengen ab, unabhängig von der Spannung der Antriebsfeder. Die Konstantkrafthemmung hingegen integriert die Energieregulierung direkt in den Mechanismus der Hemmung. Die Klinge oder die Zwischenfeder wird dabei bei jedem Schlag vom Räderwerk auf eine definierte Spannung aufgeladen und entspannt sich anschließend, um ihren Impuls an den Unruh. Die Unterscheidung zwischen den beiden Familien ist in der Uhrmacherliteratur nicht immer eindeutig, und einige Ausführungen kombinieren beide Ansätze. Die Konstantkrafthemmung zeichnet sich dennoch dadurch aus, dass der Energieausgleich genau auf der Ebene des an die Unruh übertragenen Impulses erfolgt, und nicht vor der Hemmung.

4. Die Konstantkraftklinge: Funktionsprinzip

Die zentrale Komponente der Konstantkrafthemmung ist in der Regel eine flexible Klinge oder eine Blattfeder, die als Konstantkraftklinge bezeichnet wird. Diese Klinge befindet sich zwischen dem Ankerrad (Hemmungsrad) und der Unruh. Bei jedem Schlag spannt das Ankerrad (Hemmungsrad), angetrieben durch das Räderwerk, die Klinge bis zu einer durch einen Anschlag oder eine kalibrierte Auslösung definierten Position wieder auf. Diese Aufzugsposition ist bei jedem Zyklus identisch. Die so jedes Mal auf denselben Wert gespannte Klinge übertragt ihre Energie anschließend auf die Unruh in Form eines Impulses konstanter Amplitude. Der Schlüssel des Mechanismus liegt darin, dass die Spannung der Klinge im Moment des Impulses nicht von der vom Federhaus geliefert Energie abhängt, sondern ausschließlich von der Geometrie des Aufzugssystems. Solange das Federhaus über genügend Energie verfügt, um die Klinge bis zu ihrer Referenzposition wieder aufzuziehen, bleibt der an die Unruh übertragene Impuls identisch.

5. Der Impuls- und Aufzugszyklus

Die Funktionsweise der Konstantkrafthemmung verläuft in zwei unterschiedlichen und abwechselnden Phasen. Während der Impulsphase entspannt sich die Klinge der konstanten Kraft aus ihrer Aufzugsposition und übertragt ihre Energie auf die Unruh durch eine Palette oder eine Impulsrolle. Diese Energie ist konstant und so berechnet, dass die Amplitude der Unruh in einem optimalen Bereich gehalten wird. Während der Spannphase bewegt sich das Ankerrad (Hemmungsrad) um einen Schritt unter der Wirkung des Räderwerks weiter und bringt die Klinge bis in die definierte Spannposition zurück. Dieses Wiederaufspannen erfolgt während der Halbschwingung der Unruh, die keinen Impuls erhält, sodass der Mechanismus die freie Bewegung des Regulierorgans nicht beeinträchtigt. Der gesamte Zyklus muss so ausgelegt sein, dass das Wiederaufspannen stets vollständig erfolgt, selbst am Ende der Gangreserve, um die Konstanz der Energie bis zur vollständigen Erschöpfung der Gangreserve zu gewährleisten.

6. Arten von Ausführungen

Es gibt mehrere geometrische Ansätze zur Realisierung einer Konstantkrafthemmung. Der verbreitetste verwendet eine flexible Klinge aus Stahl oder Silizium, die zwischen zwei festen Punkten gespannt und durch einen mit dem Ankerrad (Hemmungsrad). Eine Variante verwendet eine miniaturisierte Spiralfeder, die die Rolle des Zwischenorgans übernimmt. Manche Konstruktionen ordnen die Klinge geradlinig in der Ebene des Uhrwerks an, andere verwenden eine winkel- oder bogenförmige Konfiguration. Das Silizium, das seit den 2000er Jahren zur Herstellung von Uhrenkomponenten verwendet wird, weist bemerkenswerte Vorteile für Klingen mit konstanter Kraft auf: seine hohe Elastizität, das Fehlen innerer Reibung und seine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen machen es zu einem Werkstoff der Wahl. Einige außergewöhnliche Ausführungen verwenden einen zwischen dem Mittelrad und dem Ankerrad (Hemmungsrad) eingefügten Remontoir und vereinen so die Prinzipien des Remontoirs und der Konstantkrafthemmung in einem einzigen Mechanismus.

7. Historische Realisierungen

Die Idee, dem Regulierorgan eine konstante Kraft zuzuführen, geht auf das 17. Jahrhundert zurück, als Uhrmacher versuchten, die Unregelmäßigkeiten der Antriebskraft in Präzisionsinstrumenten zu beseitigen. In England versuchte der Uhrmacher Thomas Mudge (1715–1794) entwickelte im 18. Jahrhundert Mechanismen mit konstanter Kraft, die auf Präzisionszeitmesser angewendet wurden. John Harrison entwickelte in seinen Arbeiten an Schiffschronometern ebenfalls originelle Lösungen, um die auf das Regulierorgan übertragene Kraft zu regulieren. In der Schweiz konzipierten Präzisionsuhrmacher, Uhrmacherinnen im 19. Jahrhundert Uhren mit konstanter Kraft für Observatoriumswettbewerbe, bei denen die Ganggenauigkeit über die gesamte Gangreserve streng bewertet wurde. Diese Instrumente, die nur in sehr geringer Stückzahl hergestellt wurden, sollten die mit dem Aufzugszustand verbundenen Gangschwankungen beseitigen. Ihre Komplexität beschränkte ihre Produktion auf einige wenige Ausnahmestücke, die in der Regel für Observatorien oder wissenschaftliche Institutionen gefertigt wurden.

8. Konstruktionsschwierigkeiten

Die Konstruktion einer Konstantkrafthemmung wirft mehrere miteinander verknüpfte technische Herausforderungen auf. Die erste ist die präzise Definition der Spannkraft beim Aufladen: Jede Abweichung in der Aufladeposition der Klinge wirkt sich direkt auf die Energie des Impulses aus und hebt den Nutzen des Mechanismus wieder auf. Die zweite Herausforderung ist die Beherrschung der Reibung innerhalb des Aufladewerks. Eine schwankende Reibung zwischen dem Aufladeschnabel und der Klinge führt zu einer Unsicherheit hinsichtlich der endgültigen Spannung der Klinge, was Gangabweichungen verursacht. Die dritte Herausforderung ist die Robustheit am Ende der Gangreserve: Wenn das Federhaus fast entspannt ist, kann die zum Aufladen der Klinge verfügbare Energie unzureichend werden, was zu einem abrupten Stillstand statt einer allmählichen Verlangsamung führt. Der Einsatz von Silizium für die Konstantkraftklinge hat es ermöglicht, die Reibung deutlich zu reduzieren und die Wiederholbarkeit des Aufladens zu verbessern. Auch heute bleibt die Konstantkrafthemmung eine seltene Komplikation, die ein Konstruktions- und Regulierungs-Know-how erfordert, das nur wenige Werkstätten vollständig meistern.