Damit eine Uhr ohne Batterie funktioniert, braucht sie eine Energiequelle und ein Mittel, diese gleichmäßig bis zu den Zeigern zu übertragen. Diese Reise der mechanischen Kraft wird durch ein präzise berechnetes System von Zahnrädern ermöglicht, das man Räderwerk nennt.
Das Federhaus: das Kraftwerk
Alles beginnt im Federhaus, einer Trommel, in der eine lange, blau angelaufene Stahlfeder aufgewickelt liegt. Einmal aufgezogen (per Krone oder Schwungmasse), strebt diese Feder danach, sich zu entspannen: Sie übt bei voller Spannung ein Drehmoment in der Größenordnung von einigen Newtonmillimetern bis zu etwa zehn N·mm aus — rund 6 bis 9 N·mm (600 bis 900 g·mm) bei einem gängigen Automatikkaliber wie dem ETA 2824-2. Dieses Drehmoment, das vom zentralen Ritzel des Federhauses aufgenommen wird, tritt seine Reise zur Hemmung an. Ein Standardfederhaus liefert 40 bis 50 Stunden Energie; manche „Long-Power“-Werke erreichen dank einer längeren Feder oder mehrerer in Reihe geschalteter Federhäuser 8 bis 10 Tage.
Die Kaskade: vier Räder, vier Stufen
Das Federhaus, das sich sehr langsam dreht (etwa 1 Umdrehung alle 6 bis 7 Stunden, also 6 bis 8 Umdrehungen für die gesamte Gangreserve), treibt das Minutenrad (1 Umdrehung/Stunde – es trägt das Minutenrohr und den Minutenzeiger) an, das das Kleinbodenrad (~8 Umdrehungen/Stunde) antreibt, das seinerseits das Sekundenrad (1 Umdrehung/Minute – daher der Sekundenzeiger) antreibt, das schließlich das Ankerrad in Bewegung setzt. Letzteres dreht je nach Frequenz mit etwa 10 bis 20 Umdrehungen/Minute: Es gilt A/h = 2 × Zähnezahl × Umdrehungen pro Stunde, sodass ein Rad mit 15 Zähnen bei 18 000 A/h 10, bei 21 600 A/h 12 und bei 28 800 A/h 16 Umdrehungen/Minute erreicht — also eine Umdrehung alle 3 bis 6 Sekunden. Jede Verzahnungsstufe vervielfacht die Geschwindigkeit und teilt das Drehmoment: Man beginnt mit starkem, langsamem Drehmoment am Federhaus und endet mit schwachem, schnellem Drehmoment an der Hemmung, bereit, in kleine Portionen aufgeteilt zu werden.
Die Geometrie: die Kreisevolvente
Das Profil jedes Zahns ist nicht beliebig. Seit Leonhard Euler im 18. Jahrhundert verwendet die Uhrmacherei das Profil der Kreisevolvente: die Kurve, die von einem Punkt einer Geraden beschrieben wird, während diese schlupffrei auf einem Kreis abrollt. Dieses Profil garantiert ein konstantes Übersetzungsverhältnis, selbst bei leicht schwankendem Achsabstand, einen stets entlang der Wirkungslinie ausgerichteten normalen Kontaktdruck sowie eine optimierte Mischung aus Rollen und Gleiten. Evolventenzähne greifen sanft und ohne Ruckeln ineinander – eine unabdingbare Voraussetzung für den Isochronismus.
Der Wirkungsgrad: jedes Prozent zählt
Ein gut gefertigtes und gut geschmiertes Räderwerk erreicht einen Wirkungsgrad von 85 bis 92 %. Die Verluste konzentrieren sich auf die Lagerzapfen (geschmierte Reibung Rubin/Stahl) und die Verzahnungen. Deshalb laufen die Lagerzapfen in Rubinsteinen (7 Zapfen bei einem einfachen Werk, 21 bis 27 bei einem dekorierten Werk), und deshalb ist die Zahngeometrie Gegenstand immer neuer Patente. Ein schlechter Wirkungsgrad zeigt sich unmittelbar in einer sinkenden Amplitude.
Häufige Fragen
Warum sieht man manchmal 21, 25 oder 27 Steine?
Jeder Lagerzapfen einer Hauptachse (typischerweise 7 bis 8 Achsen) läuft in zwei Steinen (je einem pro Seite), hinzu kommen die Paletten (2) und der Ellipsenstein (1): So kommt man schnell auf 17-21. Darüber hinaus statten zusätzliche Steine das Automatikwerk oder den Kalender aus.
Verschleißt ein Uhrengetriebe?
Sehr langsam, sofern das Öl seine Aufgabe erfüllt. Man sieht vor allem verbogene Zähne infolge eines heftigen Stoßes, weniger einen Verzahnungsverschleiß.
Kann man die Gangreserve erhöhen, ohne das Federhaus zu ändern?
Nur durch Senkung der Frequenz (also durch Änderung des regulierenden Organs) oder durch Verbesserung des Wirkungsgrads (Finissage der Lagerzapfen). Andernfalls braucht es eine längere Feder und damit ein größeres Federhaus.
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