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Bedeutung, Geschichte und Entwicklung der Hemmung
Von der Spindelhemmung bis zur Co-Axial-Hemmung: Seit Jahrhunderten tüfteln Uhrmacher daran, wie sich die Energie eines Uhrwerks möglichst präzise dosieren lässt.
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Die Hemmung ist das zentrale Schaltorgan einer jeden mechanischen Uhr. Sie wandelt die gleichmässige Drehbewegung des Räderwerks in die oszillierende Bewegung der Unruh um und erzeugt dabei das charakteristische Ticken. Seit der Erfindung der mechanischen Uhr im 14. Jahrhundert hat sich die Hemmung in zahlreichen Varianten weiterentwickelt – von der einfachen Spindelhemmung bis zur heute dominierenden Schweizer Ankerhemmung und modernen Ansätzen wie der Co-Axial-Hemmung.
Von der Spindelhemmung zur Graham-Hemmung
Die früheste bekannte Hemmung ist die Spindelhemmung, die seit dem 14. Jahrhundert zum Einsatz kam. Ein vertikaler Spindelstift mit zwei Palettensteinen wechselt periodisch mit dem Kronrad und der Unruh ein.
Das System funktioniert zwar, leidet aber unter der Rückführung: Das Ankerrad schiebt die Unruh kurz zurück, was die Genauigkeit mindert. Erst die von George Graham um 1715 entwickelte Graham-Hemmung – eine Totgang-Ankerhemmung für Pendeluhren – beseitigte diesen Nachteil. Der Anker bleibt während der Ruhephase des Pendels stehen, was eine wesentlich höhere Ganggenauigkeit ermöglichte.
Warum die Schweizer Ankerhemmung siegte
Für tragbare Uhren erwies sich die Graham-Hemmung als zu hoch und zu empfindlich. Der Engländer Thomas Mudge entwickelte um 1755 die freie Ankerhemmung, die später als Schweizer Ankerhemmung bekannt wurde.
Sie arbeitet mit einer Ankergabel, deren beide Enden mit Rubinen bestückte Palettensteine tragen. Diese greifen abwechselnd in ein kleines Ankerrad ein, während ein Hebelstein auf der Unruhwelle den Antriebsimpuls weitergibt. Die Konstruktion ist flach, robust und verzeiht Lagenänderungen – Eigenschaften, die sie zur idealen Lösung für Taschen- und später Armbanduhren machten. Im 19. Jahrhundert löste sie andere Systeme wie die Zylinderhemmung weitgehend ab und gilt bis heute als Standard in mechanischen Uhren.
Die Ankerhemmung koppelt Gangwerk und Unruh: Das Ankerrad führt die Kraft des Aufzugs, der Anker gibt seine Zacken abwechselnd frei und blockiert sie wieder, und der Hebelstein überträgt den so gewonnenen Impuls auf die Unruh. In dieser schematischen Darstellung ist die Unruhfeder der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
1. Unruh – schwingendes Organ, das mit seiner freischwingenden Unruhspirale den Takt vorgibt.
2. Hebelstein – Rubin am Unruhroller; greift beim Vorbeischwingen in die Gabel des Ankers und nimmt dort den Impuls auf.
3. Anker – schwenkbarer Hebel zwischen Unruh und Ankerrad, der die Zacken des Ankerrads abwechselnd freigibt und blockiert.
4. Ankersteine – zwei Rubin-Lagersteine, die in die Zacken des Ankerrads eingreifen.
5. Ankerrad – Zahnrad des Gangwerks, das die Kraft in kurze, getaktete Impulse an den Anker weitergibt.
Der Blick durch den Saphirboden der Tutima Patria zeigt die Hemmungspartie des Handaufzugskalibers 626 mit 21 Lagersteinen. Das Ankerrad gibt die Kraft des Gangwerks über die Palettensteine an die Ankergabel weiter, die den Impuls auf die Unruh überträgt.
1. Unruhkloben – Brücke, die das obere Unruhlager trägt und die Unruhwelle führt.
2. Unruhreif – schwingender Ring der Unruh, der den Takt der Uhr vorgibt.
3. Deckstein (oberes Unruhlager) – Rubin, gefasst in einem Goldchaton; lagert das obere Ende der Unruhwelle.
4. Unruhspirale – feine Spiralfeder, die den Reif in die Ruhelage zurückzieht; bildet mit dem Reif die freischwingende Unruhspirale.
5. Palettenstein (Rubin) – greift in die Zacken des Ankerrads und gibt dessen Kraft schrittweise an den Anker weiter.
6. Ankergabel (Anker) – schwenkbarer Hebel, der die Impulse zwischen Ankerrad und Unruh vermittelt.
7. Lagerstein im Goldchaton – Rubin, der als Lagerstein in einem Goldchaton gefasst ist.
8. Ankerrad (Hemmungsrad) – letztes Rad des Gangwerks; gibt seine Kraft Zacken für Zacken an die Palettensteine ab.
Roskopf – die Hemmung für jedermann
Neben der präzisen Schweizer Ankerhemmung existierte mit der Roskopf-Hemmung eine deutlich einfachere Alternative. Der Deutsche Georg Friedrich Roskopf liess sich 1876 eine Konstruktion patentieren, die auf der Stiftankerhemmung basiert. Statt auf einer komplexen Ankergabel sitzen die Palettensteine direkt auf einem vertikalen Stift, der von der Unruhwelle aus geschwenkt wird. Das System funktioniert ähnlich wie die Schweizer Ankerhemmung, benötigt aber weniger Teile und ist einfacher herzustellen. Roskopf setzte damit voraus, dass eine solide Uhr nicht zwangsläufig teuer sein muss – ein Gedanke, der die Demokratisierung der Uhren vorantrieb. Jedoch führte der Abrieb der Stifte schnell zu Verschleiss. Daher blieb die Stiftankerhemmung hinter der Schweizer Ankerhemmung mit ihren harten Rubinpaletten in Sachen Langlebigkeit und Präzision zurück.
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Die Roskopf-Hemmung im räumlichen Schema: Das Ankerrad gibt seine Impulse über zwei gehärtete Stahlstifte an den Anker weiter – die schiefe Ebene für die Hebung liegt auf dem Zahn, nicht auf der Palette. Den Takt gibt die Unruh vor; ihre Bewegung überträgt die Ankergabel auf die Doppelscheibe.
1. Unruh mit Spiralfeder – Gangregler der Hemmung; sie schwingt als freischwingende Unruh.
2. Ankergabel – nimmt die Impulse vom Anker auf und leitet sie an die Doppelscheibe weiter.
3. Doppelscheibe mit Finger – Sitz auf der Unruhwelle; der Finger ersetzt den Hebelstein der Ankerhemmung.
4. Anker (Stiftanker) – Hemmstück ohne Lagersteine, mit zwei Stahlstiften als Palettenersatz
5. Stahlstift – gehärteter Stift, der die Paletten aus Lagersteinen ersetzt.
6. Zahn mit schiefer Ebene – anders als bei der Ankerhemmung liegt die Hebung auf dem Zahn selbst.
7. Ankerrad (Hemmungsrad) – vom Räderwerk angetrieben, Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn
Die Chronometerhemmung und ihre Grenzen
Eine besondere Rolle spielt die Chronometerhemmung, die der Franzose Pierre Le Roy um 1748 erfand und die von Thomas Earnshaw sowie John Arnold entscheidend weiterentwickelt wurde. Auch als Detent-Hemmung bekannt, arbeitet sie mit einem federbelasteten Sperrhebel, der das Ankerrad in einer Richtung freigibt und in der anderen blockiert. Die Unruh erhält so nur einen Impuls pro Schwingung und wird in der Gegenrichtung praktisch nicht berührt. Das Ergebnis ist eine aussergewöhnlich hohe Ganggenauigkeit, die auf See die Längenbestimmung revolutionierte. Doch die Chronometerhemmung hat entscheidende Nachteile: Sie ist extrem stossempfindlich, kann bei einem Schlag oder Ruck auslösen, und sie ist nicht selbststartend. Kommt die Uhr zum Stillstand, muss der Anker manuell in die richtige Position gebracht werden. Diese Eigenschaften machen sie für die turbulente Umgebung am Handgelenk unbrauchbar und beschränkten ihren Einsatz auf marine Chronometer.
Schema einer Chronometerhemmung (Detent) in der Ruhestellung: Der Zahn des Gangrads liegt auf dem Ruhestein, das Gangrad ist gesperrt.
1. Gangrad – Hemmungsrad mit scharf zulaufenden Zähnen; es steht in der Ruhephase auf dem Ruhestein still und gibt erst nach der Auslösung einen Zahn frei.
2. Ruhestein – Rubin am Ende der Gangfeder; es hält das Gangrad in der Ruhephase fest und ist das eigentliche Sperrorgan der Hemmung.
3. Gangfeder (Detente) – federnder Stahlhebel, der den Ruhestein trägt; bei der Auslösung weicht er kurz zurück und gibt den Zahn des Gangrads frei.
4. Goldfeder – dünne Feder auf der Gangfeder, die den Auslösestein trägt; sie lenkt aus, sobald sie berührt wird, und hebt damit den Ruhestein an.
5. Impulsstein – Rubin auf der Impulsrolle; er nimmt den direkten Schub des Gangradzahns auf und überträgt ihn auf die Unruh.
6. Impulsrolle – kleine Scheibe auf der Unruhwelle; sie trägt den Impulsstein und stellt die direkte Verbindung zwischen Gangrad und Unruh her.
7. Unruh – schwingendes Schwingsystem der Hemmung; als freischwingende Unruh ist es ausserhalb der Impulsphase von Gangrad entkoppelt.
8. Unruhwelle – Achse der Unruh; sie trägt Impulsrolle und Auslösestein.
9. Auslösestein – kleiner Rubin an der Goldfeder; streift der Stift der Unruhrolle ihn, lenkt das die Goldfeder aus und der Ruhestein gibt den Zahn frei.
Roter Pfeil: direkter Impulsweg (Gangradzahn → Impulsstein)
Blauer Doppelpfeil: Schwingungsrichtung der Unruh
Gestrichelter blauer Bogen: Auslenkungsbogen der Goldfeder (nur beim Freigabe-Halbschwingungsbogen)
Moderne Ansätze
Im 20. Jahrhundert suchte man nach Wegen, die Reibung in der Hemmung zu reduzieren. Ein Meilenstein war die von George Daniels in den 1970er-Jahren entwickelte Co-Axial-Hemmung. Sie kombiniert Elemente der Schweizer Ankerhemmung mit einer zusätzlichen Ebene und mehreren Palettensteinen, um den Gleitanteil zu minimieren. Seit 1999 baut Omega die Co-Axial-Hemmung in Serie. Parallel dazu setzen einige Manufakturen auf Silizium für Ankerräder und Palettensteine, da das Material reibungsarm und antimagnetisch ist. Konstante Krafthemmungen, die die Energiezufuhr zum Schwingsystem gleichmässiger gestalten, sind ein weiterer, wenn auch seltener Ansatz.
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Die Co-Axial-Hemmung gibt die Kraft des Hemmrads über Anker und Doppelrolle an das Schwingungssystem weiter. Die nummerierten Elemente sind in der Liste unterhalb der Grafik erläutert; die blauen Nummern 1 bis 3 markieren die drei Phasen des Arbeitsablaufs: Verriegelung, direkter Impuls und Freigabe.
1. Hemmrad – letztes Rad des Gangwerks; gibt seine Kraft schrittweise über die Steine des Ankers an das Schwingungssystem ab.
2. Hebelstein – Rubin am Anker, in das die Zahnspitzen des Hemmrads eingreifen.
3. Impulsstein – Rubin am Anker; überträgt den Impuls direkt auf die Doppelrolle.
4. Doppelrolle des Schwingungssystems – zweiteilige Rolle auf der Unruhwelle; nimmt den direkten Impuls auf und führt die Ankergabel.
5. Ankergabel – Greiforgan des Ankers; schaltet im Takt mit der Doppelrolle und gibt den Impuls an das Schwingungssystem weiter.
6. Ausgangspalette – Rubin am Ausgang des Ankers; gibt die Zahnspitzen des Hemmrads wieder frei.
7. Eingangspalette – Rubin am Eingang des Ankers; verriegelt die Zahnspitzen des Hemmrads.
8. Impulspalette – Rubin am Anker; leitet den Impuls des Hemmrads in das Schwingungssystem weiter.
9. Anker – schwenkbarer Hebel zwischen Hemmrad und Unruh; verriegelt das Hemmrad und gibt es im Takt der Unruh wieder frei. Die Rubinsteine sind Lagersteinen gleichende Edelsteine, die den Verschleiss minimieren.
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