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Magnetische Hemmung für stationäre Uhrwerke Die Erfindung betrifft
eine magnetische Hemmung für Uhrwerke, die aus einem mechanischen Schwinger und
einem mit diesem magnetisch gekoppelten Hemmungsrad besteht.
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Bei den bekannten Hemmwerken dieser Art ist ein Dauermagnet am vorderen
Ende einer am hinteren Ende eingespannten Blattfeder befestigt, und der Teil des
Hemmungsrades mit abwechselnd hohem und niederem magnetischen Widerstand geht zwischen
den Polen des Dauermagneten hindurch.
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Bei einer anderen auf demselben Prinzip beruhenden Lösung befindet
sich das Ende der Blattfeder, das eine magnetische Masse trägt, zwischen zwei koaxial
angeordneten Hemmungsrädern, auf deren Umfang Magnetmassen in Gestalt von Stiften
oder Zähnen verteilt sind. Hierbei ist entweder die von der Blattfeder getragene
magnetische Masse ein Dauermagnet, oder die Hemmungsräder sind als Magneten ausgebildet.
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Es hat sich gezeigt, daß die Blattfederhemmung, die in sie gesetzten
Erwartungen in der Praxis nicht erfüllt hat, obwohl durch die Federbefestigung im
Schwerpunkt die Lageabhängigkeit weitgehend beseitigt werden konnte. Die betreffenden
Hemmwerke sind nämlich gegen Störungen wie Stöße, Erschütterungen, Lagerabnutzung
und allmähliche Veränderungen der Reibungsverhältnisse des Uhrwerks äußerst empfindlich,
so daß systematische Gangabweichungen über längere Zeiträume nahezu unvermeidlich
sind und die täglichen Gangschwankungen auf die Dauer unzulässig hoch werden, wenn
nicht bei der Herstellung eines gesamten Uhrwerks eine ganz außerordentliche Sorgfalt
aufgewandt wird. Dadurch wird aber der Hauptvorteil der magnetischen Blattfederhemmung
gegenüber den mechanischen Hemmwerken, nämlich ihre Einfachheit und Billigkeit,
wieder zunichte.
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Der Grund für die Empfindlichkeit der magnetischen Blattfederhemmung
besteht hauptsächlich darin, daß die Energiespeicherung in der dünnen Blattfeder
sehr gering ist, so daß die auf das Hemmungsrad übertragene Energie verhältnismäßig
klein bleibt und schon geringe Erschütterungen und Reibungswiderstände den Lauf
des Hemmungsrades beeinflussen können. Außerdem hat die Blattfeder wegen ihrer notwendigerweise
dünnen und weichen Ausführung eine niedrige Eigenfrequenz, weshalb ein verhältnismäßig
starkes Mitschwingen der Befestigungsteile auftritt. Dadurch werden die Schwingungen
stark gedämpft. Infolgedessen ist die Resonanzschärfe sehr gering, d. h., der Gütefaktor
beträgt nur etwa 100 bis 200 bei einer Frequenz von etwa 100 Hz.
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Andererseits ist die Stimmgabel als zeithaltendes Glied für Uhren
schon längere Zeit bekannt. Solche Stimmgabeln wurden aber bisher nur im Zusammenwirken
mit einer mechanischen Kraftübertragung auf das Uhrwerk verwendet, weil man sich
vom Einsatz der Stimmgabel statt einer Blattfeder in einem magnetischen Hemmwerk
keine wesentlichen Vorteile versprochen hat.
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Es wurde nun gefunden, daß die Verwendung einer Stimmgabel als Schwinger
in einer mechanischen Hemmung zu einer überraschend einfachen, billigen und zuverlässigen
Lösung führen kann.
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Demgemäß ist die erfindungsgemäße magnetische Hemmung für stationäre
Uhrwerke, bestehend aus einem mechanischen Schwinger und einem mit diesem magnetisch
gekoppelten Hemmungsrad, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Stimmgabel als
Schwinger, jedoch derart, daß die beiden je mit einem Dauermagneten versehenen Enden
der Stimmgabel symmetrisch zur Achse des Hemmungsrades so angebracht sind, daß der
Teil des Hemmungsrades mit abwechselnd hohem und niederem magnetischem Widerstand
zwischen den Polen beider Magneten hindurchgeht.
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Geht man dagegen von einem mechanischen Schwinger und zwei mit diesem
magnetisch gekoppelten, koaxial angeordneten und dauermagnetischen Hemmungsrädern
aus, so ist die erfindungsgemäße
Lösung gekennzeichnet durch die
Verwendung einer Stimmgabel als Schwinger, jedoch derart, daß die beiden Enden der
Stimmgabel symmetrisch zur Achse der beiden Hemmungsräder so angebracht sind, daß
sie zwischen den auf dem Umfang der Hemmungsräder ausgebildeten Magnetpolen hindurchgehen.
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Gegenüber der Frequenz von etwa 100 Hz des Blattfederoszillators hat
die erfindungsgemäß verwendete Stimmgabel eine verhältnismäßig hohe Frequenz von
etwa 200 bis 400 Hz, wodurch sich der Gütefaktor Q um eine Zehnerpotenz und mehr
verbessern läßt. Dadurch wird einerseits der Energieverlust über die Halterung eingeschränkt,
und andererseits sind genügend Energiereserven vorhanden, um das Hemmungsrad fest
im Tritt mit der Stimmgabelschwingung zu halten und Frequenzänderungen des Stimmgabeloszillators
unter dem Einfluß der Hemmungsradbewegung zu verhindern.
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Andererseits wird durch die höhere Frequenz der Stimmgabel gegenüber
dem Blattfederoszillator der Lagefehler stark verringert. Auf diese Weise läßt sich
bei einem ausgeführten Beispiel trotz verhältnismäßig großem Schwerpunktabstand
der maximale Lagefehler auf etwa 6 Sekunden herabdrücken, so daß die erfindungsgemäße
Hemmung für Uhren aller Art, auch tragbare Uhren, gut geeignet ist.
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Durch die symmetrische Anordnung der Dauermagnetpole wird ferner die
auf die Lager wirkende Kraft herabgesetzt, was zur Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit
der Anordnung beiträgt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand
der Zeichnung beschrieben. Hierin ist A b b. 1 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform,
A b b. 2 eine Seitenansicht derselben Ausführungsform, A b b. 3 eine Draufsicht
der zweiten Ausführungsform, A b b. 4 eine Seitenansicht dieser Ausführungsform,
A b b. 5 und 6 Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Stimmgabel, A b
b. 7 und 8 erläuternde Darstellungen der Schwingungszustände einer Stimmgabel, A
b b. 9 eine graphische Darstellung des Gangverhaltens einer erfindungsgemäßen und
einer bekannten magnetischen Hemmung und A b b. 10 eine Darstellung der Resonanzkurven
einer erfindungsgemäßen und einer bekannten Hemmung.
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Bei der in A b b. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sitzt das
Hemmungsrad 25 auf einer Welle 26, die beispielsweise mittels eines Elektromotors
angetrieben wird. Der Elektromotor treibt auch das Uhrwerk an. Mit dem Hemmungsrad
25, das auf seinem Umfang abwechselnd großen und geringen magnetischen Widerstand
aufweist, wirkt eine Stimmgabel 29 zusammen, deren Stiel 35 an einem Pfosten
30 befestigt ist, der seinerseits mit einer Werksplatine fest verbunden ist.
Die Zinken der Stimmgabel tragen an ihren Enden Dauermagneten 32 und 33. Die Magneten
haben die Form geschlitzter Ringe, so daß die Magnetpole N 1 und
S 1 bzw. N 2 und S 2 sich beiderseits des Luftspaltes gegenüberstehen.
Die mit den Dauermagneten versehenen Enden der Stimmgabel sind symmetrisch zur Achse
des Hemmungsrades so angebracht, daß der Teil des Hemmungsrades mit abwechselnd
hohem und niederem magnetischem Widerstand zwischen den Polen beider Magneten hindurchgeht.
Das Hemmungsrad ist also gleichzeitig mit den Magneten 32 und 33 gekoppelt und dreht
sich mit konstanter Drehzahl.
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Wäre analog zu den bekannten Blattschwingern nur das eine Ende 32
der Stimmgabel mit dem Hemmungsrad 25 gekoppelt, so würde die Stimmgabel um ihre
Halterungsstelle 34 als Ruhepunkt schwingen. Die beiden Gabelzinken würden in diesem
Fall nicht wie in der normalen Schwinggabelbewegung gegeneinander gemäß A b b. 7,
sondern gleichsinnig gemäß A b b. 8 oder in einer Kombination beider Bewegungen
schwingen. Dadurch könnten sich in gewissen Fällen Instabilitäten ergeben. Dieser
Nachteil ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden. Die Stimmgabel und das
Hemmungsrad sind durch den magnetischen Fluß in den Luftspalten der Magenten 32
und 33 an den beiden Punkten P1 und P2 miteinander gekoppelt. Infolgedessen wirken
die vom Hemmungsrad auf die Magneten ausgeübten Kräfte so auf die Stimmgabel ein,
daß diese eine normale gegensinnige Schwingbewegung ausführt. Dadurch wird auch
die Lagerkraft auf die Achse 26 verringert, so daß deren Abnutzung weitgehend verhindert
wird. Auch ist die von der Unterstützungsstelle 34 der Stimmgabel 29 auf das übrige
Uhrwerk übertragene Schwingungsenergie viel geringer als bei einem Blattschwinger,
der ähnlich wie die Schwingungsform in A b b. 8 einen eingespannten Stab darstellt.
Infolgedessen sind Frequenzänderungen durch äußere Einflüsse, z. B. durch Erhöhung
des Lagerspiels eines Teils des Uhrwerks im Lauf der Zeit, weitgehend ausgeschlossen.
Damit können die Probleme der kurzzeitigen und der langzeitigen Ganggenauigkeit
in einfacher Weise wie bei einer gewöhnlichen Uhr gelöst werden, ohne daß die Masse
des Befestigungspfostens 30 erhöht werden muß. Dies wird bestätigt durch den experimentellen
Befund gemäß Ab b. 9, wo Kurve A' die gemessenen Gangschwankungen einer magnetischen
Hemmung mit Blattfeder und Kurve B' diejenigen einer erfindungsgemäßen Hemmung zeigen.
In Abszissenrichtung sind die Tage und in Ordinatenrichtung die Gangabweichung pro
Tag angegeben. Der systematische Gang ist mit C, die tägliche Gangschwankung mit
D bezeichnet.
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Die Resonanzschärfe der erfindungsgemäß verwendeten Stimmgabel ist
weit größer als diejenige eines Blattschwingers, da der Gütefaktor Q einen Wert
von etwa 1000 bis 2500 hat. Diese Verhältnisse sind in A b b. 10 dargestellt. Kurve
A zeigt den Resonanzverlauf des bei den Messungen der A b b. 9 verwendeten Blattschwingers
und Kurve B den Resonanzverlauf des bei den Messungen verwendeten Stimmgabelschwingers.
In Abszissenrichtung ist die Frequenz und in Ordinatenrichtung die Amplitude Y aufgetragen.
Bei gleicher Energieabgabe an das Hemmungsrad und entsprechender Amplitudenverringerung
auf den Wert Y' ändert sich, wie man sieht, die Eigenfrequenz des Blattfederschwingers
weit stärker als diejenige des erfindungsgemäß verwendeten Stimmgabelschwingers.
Infolgedessen sind die Gangschwankungen wesentlich geringer.
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A b b. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Hier befinden sich die Enden der Stimmgabel 29 zwischen zwei Hemmungsrädern
36
und 37, die auf einer gemeinsamen Achse 38 befestigt sind. Ferner befindet sich
zwischen den Hemmungsrädern mindestens ein Magnet 39 mit axialen Polen. Dies hat
den Vorteil, daß der Magnet größer und stärker und damit der Kopplungsgrad höher
als im Fall der ersten Ausführungsform gewählt werden kann, ohne die Frequenz der
Stimmgabel zu beeinflussen. Durch Verbreiterung der Stimmgabelenden gemäß A b b.
5 und 6 kann ferner die magnetische Kopplung noch verbessert werden. Auch ist es
bei der Anordnung nach A b b. 6 leicht, die Frequenz durch entsprechende Wahl der
Größe der an den Stimmgabelenden befestigten Endscheiben 40 und 41 auf den gewünschten
Wert einzustellen.
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Die obige Erläuterung bezog sich im wesentlichen auf den Fall, bei
dem das Hemmungsrad angetrieben wird und magnetisch mit der Stimmgabel gekoppelt
ist. Die Stimmgabel kann aber auch, wie es in einem älteren Patent für eine Blattfeder
bereits vorgeschlagen wurde, mit einer festen Frequenz betrieben werden, wobei das
Hemmungsrad über die magnetische Kopplung mit dieser festen Frequenz angetrieben
wird. Diese Antriebsart ist bei beiden Ausführungsformen möglich.