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Erfindungen zum Ausgleich der ungleichen Federkraft (Stackfreed, Schnecke, Stellungen, Sperrkegel)
>Stackfreed | >Schnecke | >Stellungen | >Sperrkegel
Das Problem
Die aufgewundene, gespannte Feder (siehe >Antrieb) hatte den Nachteil, dass sie
ihre Kraft nicht gleichmässig abgibt. Bei voller Spannung gibt sie die grösste Kraft ab, bei fortlaufender Entspannung wird die
abgegebene Kraft immer schwächer. Da die Spindelhemmung nicht entfernt in der Lage ist, diese Schwankungen des Antriebs auszugleichen,
musste an der Feder und vor dem Räderwerk ein Kraftausgleich angebracht werden.
Das Stackfreed
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Bereits die ersten tragbaren Uhren, die aus Süddeutschland stammen (Nürnberg, Augsburg), besassen die nur hier verwendete
und als "Stackfreed" bezeichnete Federbremse. Man nimmt deshalb an, dass diese Federbremse im 16. Jahrhundert in Süddeutschland entwickelt wurde.
Das Stackfreed ist eine Konstruktion, die trotz ihrer Einfachheit wirkungsvoll ist. Sie befindet sich immer oberhalb der eisernen
Vollplatine und ihre Funktionsweise ist daher gut nachvollziehbar.
Auf dem Aufzugsvierkant der Federhauswelle ist ein kleines Trieb (Ritzel) verstiftet, das in ein Zahnrad in der ungefähren
Grösse des Federrades eingreift. Auf dieses Zahnrad ist eine Kurvenscheibe mit allmählich abnehmendem Radius aufgeschraubt, auf
welche eine am Ende mit einer Rolle versehene, kräftige Feder Druck ausübt. Ist die Zugfeder voll aufgezogen, so ruht die Rolle
am Ende der Druckfeder in der Einbuchtung der Kurvenscheibe und muss beim Ablauf erst auf deren höchsten Punkt gehoben werden, wodurch
die anfänglich zu grosse Kraft der Zugfeder nachdrücklich gebremst wird. Beim weiteren Ablauf wird der Druck der Feder auf die
abnehmende Kurvenscheibe synchron mit der schwächer werdenden Zugfederkraft geringer und hört am Ende, am tiefsten Punkt der
Kurvenscheibe, ganz auf. Die Druckfeder gleicht also die unterschiedlichen Kräfte der Zugfeder aus.
Das grosse Zahnrad mit der
Kurvenscheibe ist nicht völlig verzahnt; es hat eine Stelle, an der zwei oder drei Zähne nicht ausgeschnitten sind. Hier wird
das Trieb auf der Federwelle blockiert. Dies war gleichzeitig eine erste Form der Aufzugsperre (Stellung), damit die Zugfeder
nicht überspannt werden konnte.
Der Vorteil des Stackfreed gegenüber der zum gleichen Zweck gleichzeitig verwendeten Schnecke war die erheblich geringere Bauhöhe.
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Die Schnecke
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Ausserhalb Süddeutschlands, aber auch da neben dem Stackfreed, war seit etwa 1430 die, in Frankreich erfundene, Schnecke als Federkraftausgleich üblich.
Bei der Schnecke wird zwischen Federhaus und Räderwerk ein Zahnrad eingeschoben. Auf dessen Achse ist ein schneckenartiger Kegelstumpf befestigt, der
durch eine Darmsaite mit dem trommelförmigen Federhaus verbunden ist. Um 1660 wurde diese Darmsaite durch eine vielgliedrige, eiserne Kette ersetzt, weil
sie öfter riss und sich bei Wetteränderung dehnte oder zusammenzog und damit ihre Wirkungsweise veränderte. Der Aufzug erfolgte mit einem Schlüssel
über den Schneckenvierkant. Dabei legt sich die Darmseite bzw. Kette in die sich nach oben verjüngende, besonders ausgearbeitete Schneckenbahn
und wird gleichzeitig von der Federtrommel abgespult, wobei die Feder in der Trommel gespannt wird. Durch einen beim Aufziehen von der Kette
mitgenommenen Stift, der bei einem bestimmten Aufzugstand in die Nase am oberen Ende der Schnecke eingreift, wird die Zugfeder am Überspannen gehindert.
Bei vollem Aufzug wirkt die Kette bremsend auf den Federablauf, da sie am geringsten Durchmesser der Schnecke ansetzt, und sie verringert ihre
bremsende Wirkung mit zunehmendem Ablauf und grösser werdendem Schneckendurchmesser.
Die Wirkungsweise der Schnecke ist also die eines stufenlos kontinuierlich sich verändernden Übersetzungsverhältnisses mit sich entsprechend
verändernden Hebelkraft. Bei sorgfältiger Abstimmung zwischen Schneckensteigung
und Federstärke liess sich eine nahezu konstant antreibende Zugfeder erreichen, daher war die Schnecke dem Stackfreed überlegen, wobei sie
aber den Nachteil einer grösseren Bauhöhe hatte, deren Ergebnis dicke Uhren waren. Die Schnecke wurde zur Standardlösung besonders
bei präzisen Taschenchronometern, für die die Engländer sie bis ins 20. Jahrhundert verwendeten.
Die Konstruktion der Schnecke bringt es mit sich, dass während des Aufzugsvorgangs kein Federdruck auf das Räderwerk vorhanden ist;
die Uhr würde also in dieser Zeit stehenbleiben. Da man diesen Stillstand besonders bei Chronometern nicht dulden konnte, wurde das
Gegengesperr entwickelt. Es besteht aus einem zwischen Schneckenrad und Schnecke angeordneten, feingezahnten Sperrad,
das mit einer Feder (Gegengesperrfeder) mit dem Federrad gekoppelt ist, die während des Aufziehens die nötige Kraft auf das
Räderwerk sicherte.
Da die frühen Zugfedern im Laufe der Zeit erschlafften, wodurch die Uhren nachgingen, wurde die Federvorspannung ersonnen;
das heisst dem Erschlaffen der Feder wurde durch ein Vorspannen entgegengewirkt, wozu ein auf die Federwelle gestecktes Sperrad diente,
das mit einer Sperrklinke gegen das Mitdrehen beim Aufziehen gesichert wurde. Die Vorspannung wurde mit einem auf den
Vierkant der Federwelle gesteckten Schlüssel bewirkt. Später ersetzte man das Sperrad durch ein Schneckenrad, das mit einer Wurmschraube
stufenlos in beide Richtungen bewegt werden konnte und eine feinerer Veränderung der Federvorspannung ermöglichte.
In Präzisiontaschenuhren wurde im 18. und 19. Jahrhundert gelegentlich die Kette über Kreuz geführt, also von der Aussenseite
des Federhauses zur Innenseite der Schnecke. Dadurch ist der Druck auf die Zapfen der Schneckenwelle viel gleichmässiger. Weil sich
die Schnecke dabei in der Gegenrichtung zum Federhaus dreht, wird diese Anordnung "gegenläufige Schnecke" (englisch: reversed fusee)
genannt. Zum erstam Mal hat Thomas Mudge diese Anordnung um 1770 verwendet. Charles Frodsham und Victor Kullberg benutzten sie
häufig in ihren besten Taschenchronometern.
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Stellungen
Ein weiterer Mechanismus für den Antriebsausgleich. Die Stellung hilft, wenigstens die grösseren Differenzen der Kraftentfaltung
auszugleichen. Bei der am häufigsten anzutreffenden Stellung, der Malteserkreuz-Stellung, sitzt auf der Federwelle ein Finger,
der in die Lücken des am Federhausdeckels angeschraubten Kreuzes greift und dieses bei jedem Umgang um einen Kreuzarm verdreht,
bis er auf einen gewölbten Zahn stösst, der ihm Einhalt gebietet. So werden die sieben bis acht Umgänge einer Feder auf vier
mittlere Umgänge reduziert.
Bei der Zahnradstellung sind es statt des gewölbten Kreuzzahnes nicht ausgefräste Zahnlücken die das zweite Zahnrad zum
Stillstand bringen. Einfachere Stellungsarten bestehen aus runden Scheiben, die mittels Vierkant-Passung auf dem Federkern
befestigt sind und einen über ihren Umfang vorstehenden Finger haben, der in eine entsprechende Ausfräsung von einer zweiten
Schweibe greift und diese so lange weiterdreht, bis eine fehlende Ausfräsung dem Finger Einhalt gebietet.
Wie bereits erwähnt, gab es viele Formen dieses Stellkreuzes, auch Lepine verwendete es für sein flaches Brückenkaliber. Am
häufigsten begegnet einem jedoch die um 1800 erfundene, dem Malteserkreuz ähnliche Form, die daher "Malteserkreuz-Stellung"
heisst.
Die Wirkungsweise einer Malteserkreuz-Stellung in Worten zu erklären ist nicht ganz einfach, deshalb wird an dieser Stelle
zusätzlich auf eine hervorragend gemachte >Animation
dieser Stellung bei uhrentechnik.de hingewiesen.
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Weitere Stellungsarten
 
Links die Stellung nach Breguet, rechts diejenige nach Lepine
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Sperrkegel
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Im 20. Jahrhundert wurde die Stellung durch den Sperrkegel mit verschiebbarem Drehungspunkt ersetzt.
Der Sperrkegel dient in erster Linie dazu, im Zusammenwirken mit dem Sperrad dafür zu sorgen, dass sich das
Federhaus beim Aufzug in nur eine Richtung drehen kann. Der Sperrkegel, der in ein auf das Federhaus montiertes
Sperrrad eingreift und durch seine spezielle Form beim Loslassen der Aufzugskrone nach dem Vollaufzug die Zugfeder
etwas entspannt, wirkt nur auf den ersten Umgang der Zugfeder. Der letzte wird dadurch unwirksam
gemacht, dass der Federhausdurchmesser zu knapp bemessen wird. Deshalb legt die Zugfeder sich noch vor
ihrem völligen Ablauf an die Federhauswandung an und ist damit vorzeitig entspannt.
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