Federn in der Kleinuhrentechnik

Jede mechanische, ja auch elektrische oder elektronische Uhr benötigt Federn. Zumindest eine Kontaktfeder lässt sich in ihr finden. Für den Liebhaber mechanischer Uhren ist die Kenntnis einiger Grundlagen auf dem Gebiet der Aufzugs- und Spiralfedern interessant. Schliesslich lassen sich doch etliche Fehler an Uhren auf diese Energiespeicher beziehen.

Stand 01.04.2001

 

INHALT:

Vorbemerkung

Aufzugsfedern

Spiralfedern und ihr korrektes Aussehen

Neu: ETASTABLE Neues Verfahren für Spiralfedern bringt bedeutend höhere Stosssicherheit bei mechanischen Uhren (ETA Spez. Informationen No.33)

Werkstoffe

Hersteller



VORBEMERKUNGEN

Ein einfaches Beispiel: Eine alte Taschen- oder Armbanduhr mit so schön anzusehender blauer Spirale gerät kurz nach einer Revision aus dem Tritt. Sie läuft wie sie will, mal vor mal nach oder nicht. Was ist passiert. Unmerklich ist diese Uhr in die Nähe eines Magnetfeldes (Lautsprecher) geraten. Die gehärtete Spirale (Kohlenstoffstahl) ist nun ihrerseits magnetisch geworden und kann deshalb nur noch schwer atmen. Sie muss entmagnetisiert werden, dann läuft wieder alles richtig.

Am Anfang steht in einer mechanischen Armbanduhr immer eine Aufzugsfeder. Früher gab es hier häufig Brüche oder Ermüdung. In automatischen Uhren liegt das Problem eher in der Federaufhängung, dem Gleitzaum.


Aufzugsfedern
(Trieb-, Zugfedern)

Die Triebfeder wird als Energiespeicher unter Ausnutzung der elastischen Energie eines Federwerkstoffes genutzt. Eingebracht wird diese Energie durch das Aufziehen (von Hand oder automatisch durch Schwerkrafteinfluss). Wenigstens 15 - 20 Jahre soll die Triebfeder ihren Dienst tun. Die erwartete Lastwechselzahl liegt zwischen 10.000 und 20.000.Bis ungefähr 1965 wurden ausschliesslich C-Stahlbänder (Kohlenstoffstahl) zur Herstellung von Federn verwendet. Sie unterlagen einer hohen Bruch- und Rostgefahr. Bei dem heute eingesetzten struktur- und kaltgewalzten Materialien (Legierungen) treten solche Probleme nur noch unter sehr ungünstigen Temperatur-, Konstruktions- und Umgebungseinflüssen auf.

An eine Feder werden sehr hohe Ansprüche gestellt, welche sich zum Teil sogar widersprechen. So sollen sie klein (heute sind Klingenstärken „ 0,075 mm kein Problem) sein, aber ein möglichst hohes, konstantes Drehmoment entwickeln (z.B. für Zusatzmechanismen, Module). Sie sollen Ermüdungsfrei, Bruchsicher, Knick- und Biegefest, Korrosionsbeständig, Antimagnetisch und möglichst Wartungsfrei sein.

All diesen Forderungen werden moderne Federwerkstoffe im hohen Masse gerecht. Besonders bei der Konstruktion des Federendes konnten in den letzten Jahren Fortschritte durch die Laserschweisstechnik erzielt werden (Bild 3). Der Wegfall von Niet-,Falz- und Lötverbindungen brachte entscheidene Verbesserungen. Erkannt wurde auch, dass das Federende bei Handaufzugsuhren über das Bride-Ende überstehen muss (Bild 3). Durch eine Laserschweissung stellt dies Fertigungstechnisch kein Problem mehr dar. Die alten Konstruktionen finden aber noch in sehr preiswerten oder alten Werken ihre Anwendung (s. Bild 1, 2).

verschiedene herkömmliche Federenden Federhaken Federzäume


Feder mit umgelegter Bridge für Handaufzug
Feder mit angeschweisster Bridge
Weiterhin wird die Triebfeder heute immer in S-Form "vorgebogen" (s. Bild 4). Vorteile gegenüber der normalen Triebfeder gleicher Abmessung: wesentlich höheres Drehmoment, gleichmässigere Spannungsverteilung auf die gesamte Federlänge (flachere Federkennlinie, relativ konstantes Drehmoment), höhere Lebensdauer.

Triebfeder in S-Form, Feder vor dem Einwinden

Allerdings darf dabei die Feder nicht isoliert betrachtet werden, sondern immer im Zusammenhang mit dem Federhaus, -deckel und -kern. Auch hier spielen die verwendeten Werkstoffe und die Schmierung eine grosse Rolle. Darauf soll hier nicht eingegangen werden.

Nun hat der Uhrenliebhaber allerdings das Problem, dass er nur das Federhaus zu Gesicht bekommt und somit die Qualität der Antriebskonstruktion nicht beurteilen kann.

Anders sieht es bei der Spirale aus.

Spiralfedern

Eines der wichtigsten Teile des zeitbestimmenden Unruheschwingsystems (zusammen mit der Unruhe) ist die Spirale (Unruhefeder, Spiralfeder). Dieses System muss Schwingungen von einer bestimmten Dauer möglichst konstant ausführen, damit die Uhr die Zeit richtig anzeigen kann. Andere Federformen werden hier nicht betrachtet.An eine moderne Spirale werden hohe Anforderungen gestellt:

So soll sie ermüdungsfrei, bruchsicher, knick- und biegefest, korrosionsbeständig, antimagnetisch arbeiten. Besondere Bedeutung haben aber noch folgende Eigenschaften: temperaturkommpensierend, hochelastisch, geringe Dämpfung und anpassungsfähiger Isochronismus (Veränderung der Schwingungsdauer: soll so klein wie möglich sein). Die Uhrsachen für den Isochronismusfehler liegen meist beim Ansteckwinkel, bei Rund- und Flachlauffehler der Feder und in der Unwucht der Unruhe.

Diesen Forderungen wird z.B. der Feder-Werkstoff NIVAROX (Qualität I...V, wobei I die beste darstellt: 0...0,5 sec Abweichung in 24 Stunden bei einem Temperaturwechsel von 1º) weitgehend gerecht. Erkennen kann den Werkstoff allerdings nur der Spezialist, da die meisten Spiralwerkstoffe heute blau (I, II), braun (III) oder weiss (IV, V) aussehen. Die alte blaue Spirale in älteren Uhren bietet heute keine Vorteile mehr, sieht aber immer wieder gut aus (z.B. Gangmodelle).

Beim Ersetzen einer alten Spirale für eine Kompensationsunruh sind diese "neuen" Spiralen nicht geeignet. Hier benötigen wir eine Spirale, die die üblichen Fehler der Stahlspiralen aufweisen. Als Ersatz bietet sich Nivarox C an.

Am inneren Ende muss die Spirale an der Rolle befestigt werden (innerer Ansteckpunkt). Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten: Nieten, Kleben (Vorteil der spannungsfreien Befestigung), Schweissen, Greiner-Virolage (kleinster Rund- und Flachlauffehler).

Auch für das äussere Ende (äusserer Ansteckpunkt) gibt es viele Konstruktionen. Zwei Obergruppen seien genannt: mit und ohne Rücker.

Sollte an Ausführungen zu den Ansteckpunkten Interesse bestehen, werde ich dies ergänzen.

Wie sieht nun eine korrekt eingesetzte Flach-Spirale aus?

Sie muß absolut flach liegen (Bild: Spirale 1). Nur eine flachliegende Spirale arbeitet einwandfrei. Oft wird nähmlich die Spirale beim Ein- und Ausbau verletzt.

Sie muss auch am Unruhekloben/Spiralklötzchen und in jeder Lage parallel zum Unruhereifen liegen (Bild: Spirale 2)

Bei stehender Unruh müssen die Spiralwindungen gleichen Abstand aufweisen (Bild: Spirale 3)

Die Schwingung der Spirale muss konzentrisch um die Unruhewelle (wie die Wellen im Wasser, nachdem ein Stein hineingefallen ist) sein (Bild: Spirale 4)

Alle diese Punkte muss eine neue, bzw. reparierte Uhr erfüllen. Bei gebrachten alten Uhren ist die richtig arbeitende Spirale ein Indiz dafür, dass die nächste Reparatur nicht zu teuer wird.



ETASTABLE Neues Verfahren für Spiralfedern bringt bedeutend höhere Stosssicherheit bei mechanischen Uhren (ETA Spez. Informationen No.33)

Ziel: Die Gangpräzision einer mechanischen Uhr hängt weitgehend von der Stabilität der Spiralfeder im Uhrwerk ab. Die Empfindlichkeit dieses Uhrenteils für Stösse ist ein Problem, das bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte. Jeder Stoss auf die Uhr kann eine dauerhafte Verformung der Endkurve der Spiralfeder bewirken. Dies hat zumeist erhebliche Störungen des Ganges und der Schwingungsweite der Unruh zur Folge und damit einen Verlust der Reguliereigenschaften.

Erfindung: Aufgrund intensiver Forschungsarbeit hat ETA ein Verfahren entwickelt, mit dem diese Schwäche behoben werden kann und für welches ein internationales Patent angemeldet wurde. Mit einer speziellen Wärmelbehandlung kann die Spiralfeder in ihrer definitiven Form stosssicher gemacht werden. Patent: Inhaber: ETA SA Fabriques d'Ebauches Nummern: 2439/97 97118332.2 Erfinder: Herr E. Favre (ETA SA)

Vorteile: Dank dieser Wärmebehandlung wird die Regulierung bedeutend stabiler gegenüber Stössen, Gangabweichungen werden wesentlich reduziert, und die letzte Windung berührt das Spiralklötzchen nicht mehr. 'ETASTABLE" gewährleistet eine beträchtlich höhere Zuverlässigkeit des Reguliersystems und dadurch eine bessere Qualität Ihrer mit mechanischen ETA-Uhrwerken ausgerüsteten Uhren. Ihre Kunden wiederum können von dieser Verbesserung profitieren, und Rücksendungen werden entsprechend seltener erfolgen. Diese Erfindung ist ein grosser Fortschritt für die Qualität und Zuverlässigkeit von mechanischen Uhren.

Betroffene Kaliber: Alle MECALINE-Uhrwerke (ausser die Kaliber 2688 und 2846) werden auf Wunsch mit dieser Wärmelbehandlung namens TTASTABLE" geliefert (Preiszuschlag). Beim ETA-Kundendienst sind auch regulierte Unruhen mit wärmebehandelter offener Kurve plus Spiralklötzchen erhältlich. NIVAROX-FAR SA bietet diese patentierte Behandlung ebenfalls an unter dem Namen 'NIVACOURBE".


Lieferung / Bezeichnung: ETA SA: "ETASTABLE" NIVAROX-FAR: 'NIVACOURBE"

Spiralfeder


Einige Werkstoffe von Uhrenfedern

Materialien für Federn; die Festigkeitswerte hängen von der Legierungszusammensetzung und von dem Grad der Kaltverformung ab. Die genauen Werkstoffzusammensetzungen sind beim Hersteller zu erfragen!

2.1 Stahlfeder; Stahl hat ein raumzentriertes Gitter (E = 21 800 N/mm2); beim Walzen legt sich die Flächendiagonale der Kristallite in der Walzrichtung in die Walzebene mit E = 23000 N/mm2;

2.1.1 Federstahl mit Kohlenstoffgehalt bis 1,2% ergibt bei Kaltverformung Textureigenschaften (Ausrichtung beim Walzen) mit erhöhten Festigkeitswerten;2.1.2 Silizium-Federstähle mit etwa 1 bis 2 % Si, 0,5% C, ferner Mn, Cr;

2.1.3 Austenitischer Federstahl (antimagnetisch) mit 18% Cr, 8% Ni; rostbeständig; (Handelsname Inox, Sprinox, Remanit)

2.2 Nickel-Legierungs-Federn, korrosionsbeständig, aushärtbar;

2.2.1 Nickel-Eisen-Kobalt (Handelsname: Vimetall): 20 bis 25 % Ni, 10 bis 25 % Fe, 20 bis 45 % Co, 1 bis 5 % Ti, 1 bis 5 % Nb; Ausscheidungshärte durch Nb;2.2.2 Nickel-Eisen-Chrom (Handelsnamen: Durober, Contracit-Beryllium): 61 % Ni, 15% Fe, 15% Cr, 7% Mo, 2% Mn, 0,6 bis 1 % Be; Ausscheidungshärte durch Be;

2.2.3 Nickel-Kobalt-Chrom (Handelsnamen: Durapower, Phynox): 40% Co, 20% Cr, 16% Ni, 15% Fe, 7% Mo, 2% Mn, 0,15% C;

2.2.4 Nickel 21bis27 %, Rest Eisen, Kobalt 40 bis45 %, Chrom 12bis18 %, Molybdän 4%, Wolfram 4%, Kohlenstoff < 0,1 %; Ausscheidungshärte durch Beryllium 0,3% (Handelsname Nivaflex, Nivarox, Phynox). Kristallite mit kubisch-flächenzentriertem Gitter legen sich beim Walzen mit der Raum-Diagonalen in Walzrichtung bei erhöhten elastischen Eigenschaften; sehr teuer;

2.3 Sonstige Legierungsfedern;

2.3.1 Eisen-Kobalt-Vanadin (Handelsnamen: Vicalloy, Magnetoflex): 43,5% Fe, 43,5% Co, 13% V;2.3.2 Kupfer-Beryllium-Legierungen: 1,5 bis 2,1 % Be, Zusätze von Ni, Co, Fe, Rest Cu; Aushärtung durch Be; (Berilliumbronze)

Hersteller

Schwab-Feller AG, Postfach 45, CH-3294 Büren a/A
phone: +41 (0)32 351 24 51
fax: +41 (0)32 351 24 53,
mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! www.schwab-feller.ch




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