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DAS MINUTENRAD

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Abbildung 1

Zusammengebautes Minutenrad (Zentrumrad)

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1. Allgemeine Beschreibung

Das Minutenrad (Zentrumrad) gehört zum Zähl- und Übertragungsorgan, dessen erstes Element der kinematischen Kette es ist.

Das Minutenrad (Zentrumrad) ist eines der grundlegenden Organe des Räderwerks einer mechanischen Uhr. Es wird so genannt, weil es sich in der Regel im Zentrum der Werkplatte befindet (de facto des Uhrwerks). Wenn es zur Werkplatte versetzt angeordnet ist, wird es gewöhnlich als Mittelradtrieb bezeichnet. Seine Achse durchquert das Uhrwerk, um auf der SeiteZifferblatt, den Zeiger für die Minuten über das Minutenrohr. Seine Funktion besteht darin, die Energie des Federhauses an die nachfolgenden Räder zu übertragen und dabei die wichtigste Zeitanzeige, die der Minuten, sowie indirekt die der Stunden zu gewährleisten.

2. Bestandteile

Ein Minutenrad (Zentrumrad) besteht traditionell aus einem Trieb aus Stahl und einem Radkranz aus Messing:

• Das Minutenrad (Zentrumrad) : Sie hat einen großen Durchmesser und nimmt die zentrale Position im Uhrwerk ein. Ihre Zähnezahl wird so berechnet, dass sie das mit dem Federhaus vereinbarte Übersetzungsverhältnis herstellt und eine Umdrehung pro Stunde gewährleistet. Das Minutenrad (Zentrumrad) (treibend) treibt den Mittelradtrieb an.

Abbildung 2

Minutenrad (Zentrumrad)

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• Der Zentrumtrieb : Aus Stahl gefertigt, bildet er die Achse des Mobils. Er wird von der Verzahnung des Federhauses angetrieben (geführt). Seine Flügel sind mit Präzision geschnitten, um einen gleichmäßigen Lauf zu gewährleisten und die Reibung zu begrenzen.

Abbildung 3

Zentrumtrieb

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3. Matériaux

Traditionnellement, la roue de centre est réalisée en laiton doré. Le pignon est en acier trempé, poli miroir pour accroître, notamment, sa résistance mécanique. Les pivots sont roulés (écrouissage de surface). Ils pivotent dans des pierres synthétiques (rubis) et sont lubrifiés afin de minimiser les frottements et leur usure.

Le tandem que constitue une roue en laiton et un pignon en acier est optimal afin de minimiser les frictions dans les engrenages d’un mouvement. Il s’applique à la plupart des rouages multiplicatifs ou démultiplicatifs d’une montre (rouages de finissage, de mise à l’heure, etc.).

4. Fabrication artisanale d’une roue (de centre)

Dans la production à l’unité ou en petite série, la planche de roue est réalisée en laiton de qualité horlogère, typiquement un alliage cuivre-zinc (CuZn37) laminé, choisi pour ses caractéristiques mécaniques, son usinabilité et sa compatibilité avec les traitements de surface ultérieurs.

La fabrication débute par le tournage d’un disque brut à partir d’une barre ou d’une bande de laiton. Sur un tour d’horloger, le tourneur procède successivement au dressage des deux faces, au chariotage du diamètre extérieur (diamètre total de la future denture) et au perçage du trou central. Ce trou est ensuite alésé avec soin : son diamètre est maintenu légèrement inférieur à celui du collet du pignon en acier sur lequel la roue sera rivetée, de façon à garantir un ajustement serré et une transmission du couple sans glissement. En fonction du profil et de la qualité de la roue, une moulure peut être tournée sur une face de la roue ou les deux.

Afin d’ajourer les bras de la roue (généralement au nombre de cinq) des trous de dégagement sont percés dans les intervalles, puis la matière est évidée au bocfil. Les rayons sont ensuite limés et égalisés à la main. Cette opération, exigeante en temps, contribue à réduire l’inertie de la roue et constitue un critère esthétique.

La planche ainsi ébauchée est ensuite montée sur le mandrin d’un tour ou les broches d’une machine à arrondir ou à tailler. S’il s’agit d’un tour, celui-ci est équipé d’un plateau diviseur, permettant d’indexer avec précision chacune des positions angulaires correspondant au nombre de dents souhaité. Une fraise à module — dont le profil est conjugué au module et à la pression d’engrenage de la denture — taille les dents une à une par passes successives. Pour le rouage de finissage, les modules sont généralement très petits (de l’ordre de 0,07 à 0,15 mm), ce qui exige des fraises de grande précision et un bridage rigoureux de la pièce.

La finition comprend l’ébavurage des arêtes vives, le cerclage des faces, l’éventuel polissage des moulures, l‘anglage éventuel, puis un traitement de surface par dorage galvanique. Ce dépôt d‘or, d’épaisseur contrôlée, améliore la résistance à la corrosion et confère à la planche son aspect doré caractéristique. L’opération de rivetage sur le pignon en acier est réalisée à l’aide d’une potence à riveter.

5. Industrielle Fertigung eines Minutenrads (Zentrumrad)

In der industriellen Fertigung wird die Herstellung des Radrohlings in einem kontinuierlichen Fluss aus einem Band aus Messing hergestellt, gewalzt (CuZn37 oder ähnlich) und in Rollen bereitgestellt. Der erste Arbeitsschritt ist der fortschreitende Zuschnitt (Stanzen) auf einer Presse mit kombinierten Werkzeugen: In einem einzigen Hub wird das Band vorgestanzt, gemäß der Zeichnung des Rades durchbrochen und auf seine endgültige Kontur zugeschnitten (einschließlich Durchbrechen der Speichen). Diese Technik ermöglicht es, mehrere hundert Rohlinge pro Minute mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten.

Die zentrale Bohrung, die zum Vernieten auf dem Trieb aus Stahl, wird beim Ausschneiden erzielt, wird jedoch in der Regel einem nachträglichen Ausreiben unterzogen. Die Maßtoleranz des Innendurchmessers ist eng gehalten, um eine kontrollierte und gleichmäßige feste Passung über sämtliche Triebe einer gleichen Serie hinweg zu gewährleisten. Die Planheit der Platte wird in diesem Stadium ebenfalls überprüft, wobei jeder verbliebene Verzug durch Richten beseitigt wird.

Das Verzahnen erfolgt auf CNC-Verzahnungsmaschinen. Für die gängigen Module des Räderwerks des Minutenzählwerks wird das Abwälzfräsen mit dem Fräser (Wälzfräsen) gewählt, das ein Evolventenprofil mit hoher geometrischer Regelmäßigkeit erzeugt. Für die feinsten Module, unter 0,07 mm, greifen manche Hersteller auf die Elektroerosion mit Draht (WEDM) oder auf das Laserverzahnen zurück, die Präzisionen ermöglichen, die durch konventionellen Materialabtrag nur schwer zu erreichen sind.

Je nach erforderlichem Qualitätsniveau erfolgt das Entgraten kontinuierlich durch Trommeln in Vibrationsbehältern, die mit geeigneten Schleifmedien beladen sind, wodurch Schnittgrate entfernt werden, ohne die Zahnflanken zu beeinträchtigen. Traditionelle Veredelungen (Kreisschliff, Anglieren, Politur) sind in der Haute Horlogerie Standard. Die Oberflächenbehandlung — in der Regel eine galvanische Vergoldung — wird auf die losen Platinen aufgebracht, wodurch eine gleichmäßige Schichtdicke auf allen Teilen gewährleistet wird.

Die Qualitätskontrolle ist in den Produktionsablauf integriert. Bildverarbeitungssysteme messen online das Radprofil, die Zahnteilung, den Durchmesser der Presslochbohrung und erkennen Oberflächenfehler. Der Vernietungsvorgang am Trieb aus Stahl wird anschließend auf einer automatischen Presse mit kontrollierter Kraft durchgeführt, wobei die Kraft-Weg-Kurve für jeden Zusammenbau aufgezeichnet wird, was die Rückverfolgbarkeit und die Konformität der Passung gewährleistet.

6. Handwerkliche Fertigung eines Triebs (Zentrumtrieb)

Bei der Einzel- oder Kleinserienfertigung wird der Trieb des Feinräderwerks aus Stahl Uhrmacher, Uhrmacherin für das „Décolletage“-Verfahren gefertigt, eine Legierung mit hoher Zerspanbarkeit, deren Zusammensetzung an die mechanischen Beanspruchungen und an die Wärmebehandlungen angepasst ist, die für Triebe von Uhrwerken spezifisch sind. Das Teil weist auf beiden Seiten des Zahnkörpers zwei Zapfen auf sowie, an der für die Radscheibe vorgesehenen Stelle, einen zylindrischen Sitz mit einem darüber liegenden Nietansatz.

Das Drehen erfolgt auf einer Drehbank für Feinuhrmacherei. Der Uhrmacher bzw. die Uhrmacherin dreht nacheinander die verschiedenen Durchmesser des Triebs und schruppt die beiden Zapfen vor, deren geometrische Qualität und Oberflächenbeschaffenheit die Funktion des Räderwerks unmittelbar bestimmt. Der Sitz, der die Radscheibe aufnehmen soll, wird mit einer Gleitpassung zum Lochdurchmesser der Scheibe bearbeitet, damit sich das Rad vor dem Vernieten frei darauf positionieren lässt. Über den Sitz hinaus bleibt ein dünner Absatz — die eigentliche Nietstelle — überstehend; dieser wird beim Zusammenbau gestaucht, um die Radscheibe zu fixieren. Die vorgeschruppten Zapfen werden abgedreht (Feindrehen), und ihre Oberfläche wird anschließend durch Rollieren verfestigt.

Das Verzahnen der Flügel des Triebs erfolgt auf einer Drehbank mit Teilscheibe. Ein Fräser zum Verzahnen von Trieben, dessen Profil dem Modul und der Flügelzahl (in der Regel sechs bis zwölf für das Räderwerk des Feinwerks) entspricht, fräst jeden Flügel in aufeinanderfolgenden Durchgängen. Dieses Verzahnungsverfahren mittels direkter Teilung ergibt je nach verwendetem Werkzeug ein Profil, das der Epizykloide oder der Evolvente nahekommt. Die präzise Einstellung der Zustelltiefe ist entscheidend für den späteren Eingriff mit der Radscheibe aus Messing des vorhergehenden Rades (hier das Federhaus).

Nach dem Fräsen wird das Trieb einer Wärmebehandlung unterzogen: Härten in Öl oder Luft, gefolgt von einem Anlassen, um den Flügeln die für die Verschleißfestigkeit nötige Härte zu verleihen. Die vorgefertigten Zapfen werden anschließend gedreht (Feindrehen) und ihre Oberfläche wird durch Walzen verfestigt.

Der Zusammenbau der Radscheibe auf dem Sitz erfolgt mithilfe eines Nietständers: Der Fuß wird mit einem geformten Niethammer unter Sichtkontrolle gestaucht, bis eine gleichmäßige Vernietung erreicht ist, die bündig mit der Radfläche abschließt.

7. Industrielle Herstellung eines Triebs (Zentrumtrieb)

In der Serienfertigung wird das Trieb des Zeigerwerks-Räderwerks durch automatisches „Décolletage“ aus einer Stange aus Uhrmacherstahl für das „Décolletage“ hergestellt. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Drehen der Zapfen, der Welle und aller Durchmesser des Triebs in einer einzigen Aufspannung mit hohen Taktraten und präziser Maßwiederholbarkeit aneinanderzureihen. Die Toleranzen werden bereits bei der Programmierung festgelegt, wodurch die Austauschbarkeit der Triebe in den Montagelinien und im Kundendienst gewährleistet ist.

Die Geometrie der Radpassung wird mit einer Schiebepassung in Bezug auf den Durchmesser der Bohrung der Radscheibe bearbeitet, sodass sich das Rad ohne spürbares Spiel, aber auch ohne Kraftaufwand positioniert. Der Nietansatz ist im Durchmesser und in der Höhe so kalibriert, dass der anschließende Nietvorgang eine gleichmäßige Verdrängung erzeugt, ohne die Gefahr einer Verformung der Zahnung oder der Radscheibe.

Das Verzahnen der Flügel erfolgt auf CNC-Verzahnungsmaschinen mit Abwälzfräsen mittels Fräser (Hobbing), die ein Evolventenprofil mit einer höheren geometrischen Gleichmäßigkeit als das Verzahnen durch direktes Teilen erzeugen.

Die Wärmebehandlung — gefolgt von einem kontrollierten Anlassen — erfolgt im Ofen unter Schutzatmosphäre, um jegliche Entkohlung der funktionalen Oberflächen zu vermeiden. Die Zapfen werden anschließend auf einer CNC-Rundschleifmaschine mit Diamant- oder Korundscheiben geschliffen.

Die Qualitätskontrolle (dimensional und ästhetisch) ist in der Regel in die Linie integriert. Der Vernietungsvorgang der Radscheibe wird auf einer automatischen Presse durchgeführt, deren Kraftprofil für jedes Teil aufgezeichnet wird: Die Kraft-Weg-Kurve garantiert die Konformität der Stauchung und stellt ein Element der Rückverfolgbarkeit des Zusammenbaus dar.

8. Technische Besonderheiten

• Die Radscheibe ist fest mit dem Trieb vernietet. So bildet das Mobile eine vollkommen zusammenhängende Einheit.
• Das Verzahnungsverhältnis des Minutenrads (Zentrumrad) und des gesamten Räderwerks des Fertigwerks wird so berechnet, dass eine vollständige Umdrehung des Minutenrads (Zentrumrad) in sechzig Minuten gewährleistet ist, was eine wesentliche Voraussetzung für den direkten Antrieb des Minutenrohrs und des Zeigers der Minuten und, durch Übersetzung, des Stundenzeigers ist.

9. Rolle im Uhrwerk

Das Minutenrad (Zentrumrad) ist zugleich ein Übertragungs- und Zählorgan:

• Übertragung : Es leitet die Energie des Federhauses direkt an den Rest des Räderwerks weiter (Mittelrad-, Sekunden- und Hemmungstriebe).
• Zählen: Seine das Uhrwerk durchquerende Achse bildet das Trägerorgan des Minutenrohrs und des Minutenzeigers, den zentralen Drehpunkt, um den sich die gesamte Zeitanzeige entfaltet.