Mechanische Prinzipien › Die Funktionsweise des mechanischen Uhrwerks

DAS REGULIERORGAN (Unruh-Spirale)

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Abbildung 1: Explosionsdarstellung des Regulierorgans

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Abbildung 2: Plan des zusammengebauten Regulierorgans (Schrauben-Unruh, flache Spirale)

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1. Definition

Das Regulierorgan ist die schwingende Vorrichtung, die den Takt eines Uhrwerks bestimmt. Das Regulierorgan der tragbaren Uhren (Taschenuhren oder Armbanduhren) ist im Allgemeinen das Tandem Unruh und Spirale, das einen harmonischen Oszillator bildet, dessen Periodenregelmässigkeit die Genauigkeit der Uhr bestimmt. Es wandelt die im Federhaus gespeicherte Energie in eine Abfolge regelmässiger Schwingungen um, was die Regelmässigkeit der Zeitmessung bestimmt.

2. Verschiedene Regulierorgane

Das Pendel : Es ist der älteste der mechanischen Oszillatoren. Es besteht aus einer Stange, an der eine Masse aufgehängt ist, deren Höhe in der Regel verstellbar ist. Es ist in den meisten Uhren und Pendeln vorhanden. Zu Beginn des 17^. Jahrhunderts beobachtete Galilei, dass die Periode eines Pendels konstant ist, unabhängig von seiner Amplitude (Theorie des Isochronismus). Diese Theorie wird später von Christiaan Huygens verfeinert, der anschließend die Unruh-Spirale erfinden wird. Pendel ermöglichen hervorragende chronometrische Ergebnisse. Leider können sie im Betrieb nicht bewegt werden und betreffen somit nicht die tragbare Uhrmacherei. Pendel schwingen im Allgemeinen mit Frequenzen zwischen 0,5 Hz und 1 Hz. Bewegungen, Stöße und Temperaturschwankungen beeinflussen die Präzision der durch ein Pendel regulierten Uhren.

Die Unruh-Spirale : Sie ist das Regulierorgan der meisten getragenen mechanischen Uhren. Die Unruh-Spirale wurde 1675 von Christiaan Huygens erfunden. Diese wahre Revolution ermöglicht es seit ihrer Erfindung, Zeitmessinstrumente (Marinechronometer, Taschenuhren und später Armbanduhren) im Betrieb zu transportieren. Sie besteht aus einem Schwungrad mit Trägheit (die Unruh) und einer feinen spiralförmigen Feder (die Spirale). Die Frequenz der Schwingungen einer Unruh-Spirale liegt im Allgemeinen zwischen 2,5 Hz und 5 Hz. Dies ist die Art von Regulierorgan, die wir in diesem Kapitel im Detail behandeln werden.

Die Stimmgabel : Dies ist ein Regulierorgan, das für elektronische Uhren (batteriebetrieben) bestimmt ist. Es handelt sich um eine Stahlklinge, die in Form einer Stimmgabel geschnitten ist. Ein Elektromagnet hält die Schwingungen der Zinken der Stimmgabel durch den piezoelektrischen Effekt aufrecht. Ein solcher Oszillator arbeitet in einem Frequenzbereich zwischen 300 Hz und 720 Hz. Die Vibrationen der Stimmgabel ermöglichen es, Klinken zu betätigen, die das Sekundenrad drehen. Dadurch wird der Zeiger der Sekunden einer mit einer Stimmgabel regulierten Uhr macht 300 bis 720 Sprünge pro Sekunde und scheint sich kontinuierlich zu bewegen. Diese Art von Oszillatoren wurde kurzzeitig Anfang der 70er Jahre verwendet, bevor sie von der Quarztechnologie überholt wurde. Dank ihrer Technologie und des hörbaren Frequenzbereichs der Stimmgabel geben Uhren mit einem solchen Resonator einen charakteristischen kontinuierlichen, hohen Ton von sich.

Der Quarz: Das Prinzip des Quarzes ist dasselbe wie das der Stimmgabel. Ein kontinuierlicher elektrischer Strom lässt einen in Form einer Stimmgabel geschliffenen Quarzkristall schwingen. Durch den piezoelektrischen Effekt gerät der Quarz in Schwingung und oszilliert mit einer Frequenz von 32 kHz (32 kHz). Der Quarz wandelt den erhaltenen Gleichstrom in einen Wechselstrom derselben Frequenz von 32 kHz um. Die elektronische Schaltung des Uhrwerks hat die Aufgabe, diese Frequenz auf 1 Hz zu reduzieren, um den Schrittmotor der Uhr regelmäßig zu versorgen.

Atome von Cäsium, Rubidium, Strontium : Das Prinzip solcher Regulierorgane besteht darin, den Energiezustand von Atomen des Cäsiums 133 oder des Rubidiums zu ändern. Diese Zustandsänderung induziert eine von den Elektronen des Atoms ausgesendete elektromagnetische Strahlung, deren Frequenz hoch und konstant ist. So beträgt die Schwingungsfrequenz der Cäsium-133-Atome 9 192 631 770 Hz, und die neuesten Atomuhren mit optischen Frequenzen ermöglichen es, Strontium-Elektronen mit einer Frequenz von 429 228 004 229 873,2 Hz anzuregen. Die Präzisionsabweichung solcher Uhren beträgt 1 Sekunde in 13 Milliarden Jahren (also dem Alter des Universums). Solche Uhren dienen neben der Zeitmessung auch der astronomischen Beobachtung, den Wissenschaften und der Physik (Kernforschung, Satellitenführung, Navigationssysteme usw.).

3. Beschreibung und Komponenten (Unruh-Spiral-System):

Das Regulierorgan mechanischer Uhrwerke besteht hauptsächlich aus einem Schwungrad, genannt Unruh, und einer archimedisch spiralförmigen Feder, genannt Spirale. Die Unruh ist auf ihrer Achse aufgenietet. Auf derselben Achse ist das innere Ende der Spirale mittels der Spiralrolle (Virole) (Abbildung 2 & Abbildung 3).

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Das äußere Ende der Spirale wiederum ist am Unruhkloben mittels des Spiralklötzchens befestigt (Abbildung 2 & Abbildung 4).

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In einem Winkel α der in der Regel zwischen 60° und 70° in Bezug auf das Spiralklötzchen (Abbildung 5, Punkt 1) liegt, verläuft die Endkurve der Spirale zwischen den zwei Stiften des Rückers (Abbildung 5, Punkt 2). Die Rückerstifte sind auf den Rücker (Abbildung 5, Punkt 3) eingepresst, der sich mit leichtem Spiel konzentrisch zur Unruhwelle.

Wichtig:

Das Vorhandensein oder die Konstruktion der verschiedenen Komponenten des Regulierorgans kann von einem Uhrwerk zum anderen variieren (z.B.: optionales Vorhandensein des Rückers oder eines beweglichen Spiralklötzchenträgers).

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Das Regulierorgan einer mechanischen Uhr umfasst die folgenden Komponenten:

• Die Unruh
• Die Spirale
• Die Unruhwelle
• Die Spiralrolle (Virole)
• Das Spiralklötzchen

Hinweis: Die meisten Spiralen aus Silizium vereinen die Spirale, die Spiralrolle (Virole) und oft das Spiralklötzchen in einem einzigen, einteiligen Bauteil.

4. Uhrwerke der Unruhspirale:

Während des Betriebs der Uhr schwingt die Unruh-Spirale konzentrisch um ihre Achse, beidseitig ihrer Gleichgewichtslage, auch „Toter Punkt“ genannt (Abbildung 7). Wenn die Unruh über ihre Gleichgewichtslage hinaus bewegt wird (bei einem Impuls; siehe das Verteilerorgan), wird die Spirale gespannt. Wird der Impuls in eine Richtung gegeben, wird die Feder in Ausdehnung gespannt (Abbildung 6), und wird der Impuls in die andere Richtung gegeben, wird die Feder in Kontraktion gespannt (Abbildung 8). In beiden Fällen entsteht ein Rückstellmoment (Elastisches Moment), das die Unruh in ihre Gleichgewichtslage (Toter Punkt) zurückführt (Abbildungen 6 bis 8).

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5. Mathematische Beziehung

Die mathematische Beziehung zwischen Unruh und Spirale ist folgende (siehe: die Paarung von Unruh und Spirale):