Die Erfindung des Rads gilt als der Beginn jeden Fortschritts. Auch ein Uhrwerk ist ohne das Rad undenkbar, denn im Zusammenspiel von Zahnrädern und Trieben liegt das wesentliche Element der Mechanik. Der Blick in ein Uhrwerk offenbart eine Vielzahl an Zahnrädchen – Scheiben, die auf ihrem Außendurchmesser mit vorstehenden, regelmäßig gereihten Elementen versehen sind. Diese heißen Zähne, der gezahnte Umfang wird Rad- oder Zahnkranz genannt. Außerdem ist ein Zahnrad mit Nabe und Speichen versehen.
Großbodenrad von Affolter: Die Herstellung von Uhrwerkkomponenten erfordert größte Genauigkeit
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Die Zahnräder werden auf drehbaren Achsen fixiert und sind für die Übertragung und Übersetzung der Kräfte in einem Uhrwerk zuständig. Dies erfolgt jedoch nicht direkt von Zahnrad zu Zahnrad. In einem Uhrwerk stehen fast nie zwei Räder miteinander im Eingriff; stattdessen haben meist ein Rad und ein Trieb miteinander zu tun: Der Eingriff erfolgt in der Regel vom Zahnrad ins Trieb, wobei sich die Drehzahl erhöht, die Kraft verringert und die Drehrichtung ändert.
Ein optimiertes Zahnprofil
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Ein Trieb – die korrekte Bezeichnung lautet "das Trieb", früher auch "Ritzel" – ist üblicherweise der Zahnkranz auf der Welle eines Zahnrades und stellt die Verbindung zwischen zwei Zahnrädern her. Dabei entsprechen die Maße der Triebzähne im Räderwerk einer Uhr immer denen des vorhergehenden Rades. Das Trieb ist im Gegensatz zum Zahnrad meist lang gestreckt. Seine Zähne, beziehungsweise "Flügel", beginnen in der Regel unmittelbar auf der Welle, auf der es dicht beim Zahnrad sitzt.
Rad- und Triebverzahnung im Uhrwerk müssen aufeinander abgestimmt werden
Das Zusammenspiel aus Rädern und Trieben ist beim Grundräderwerk des mechanischen Uhrwerks besonders gut zu beobachten. Es besteht aus Minutenrad, Kleinbodenrad, Sekundenrad und Ankerrad mit je einem Trieb: Indem jedes Rad in das nächste Trieb greift, dessen Rad wiederum das nächste Trieb antreibt und so fort, wird die geringe Tourenzahl des Federhauses mehrtausendfach übersetzt, um letztlich das Ankerrad anzutreiben. Das Zahnrad und das Trieb, die miteinander im Eingriff stehen, sollen bei möglichst geringer Reibung eine sichere Führung gewährleisten: Die Zähne sollen möglichst unmittelbar ineinandergreifen, gleichzeitig dürfen sie nicht verklemmen. Daher müssen Rad- und Triebverzahnung genau berechnet und aufeinander abgestimmt werden.
Kleines Teil mit großer Wirkung: Ankerradtrieb, hergestellt von der Firma Affolter Pignons in Malleray
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Dabei gilt es unter anderem Maße wie Zahndicke, -kopfhöhe, -fußhöhe, Teilung (Zahn plus Zahnlücke), Kopf- und Fußkreisdurchmesser zu beachten. Auch das seitliche Profil der Zähne – die Zahnflanke – ist für die leichte, stetige und sichere Kraftübertragung verantwortlich. Besonders häufig ist die Zykloidverzahnung. Sie ist für die Übersetzung von langsam zu schnell besonders gut geeignet. Bei der Sägezahnung stehen die Zähne schräg: In der einen Richtung sind sie kraftschlüssig miteinander verbunden, in der anderen gleiten sie übereinander hinweg. Räder mit Wolfszahnung verfügen über schräg stehende, asymmetrische Zähne, die eine gute Kraftübertragung ermöglichen. Die Wolfszahnung wird bei hochwertigen Uhren gerne bei den Aufzugrädern verwendet, eignet sich aber nicht für Kombinationen aus Rädern und Trieben. In der Regel besteht ein Trieb aus gehärtetem Stahl, während die Uhrenräder meist aus Messing hergestellt werden.
60 Prozent der Herstellung ist heute automatisiert
In alten Zeiten müssen Uhrmacher die Verzahnung mühsam einzeln auftragen und feilen. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts wird dann eine Räderschneidemaschine erfunden, die mit einer horizontal gelagerten Teilscheibe das gleichmäßige Fräsen von Verzahnungen ermöglicht. Heute spielen hochpräzise, nummerisch gesteuerte Drehautomaten und automatische Verzahnungsmaschinen bei der Herstellung die wichtigste Rolle. Das wird bei einem Besuch der Firma Affolter Pignons im schweizerischen Malleray deutlich: Ein Blick in die Fertigung des traditionsreichen, seit 1919 bestehenden Unternehmens, wo neben Rädern, Trieben und Räderwerken auch Federwellen, Rotoren und Mikromechanik-Komponenten entstehen, offenbart einen wahren Maschinenpark. Schließlich sind laut Affolter fast 60 Prozent der Herstellung automatisiert.
Hightech: Bei Affolter herrschen hohe Anforderungen. Nur perfekte Teile – hier eine Federhauswelle – werden ausgeliefert
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Der erste Arbeitsschritt bei Trieben ist die sogenannte Décolletage, die Automaten-, Fasson- oder Formdreherei, durch die auch Teile wie Wellen oder Schrauben gefertigt werden. Ein Automatendreher stellt den Rohling aus automatisch zugeführten Metallstangen her. Dabei werden Überdicken belassen, die später entfernt werden. Die Rondellen für Räder werden mit dem zentralen Loch und eventuellen weiteren Aussparungen aus Messingoder Stahlbändern ausgestanzt – ein kostengünstiges Verfahren.
Die Zähne der Zahnräder werden ausgefräst
Da ein präzises Verzahnen auf diese Weise jedoch nicht möglich ist, werden bei hochwertigen Zahnrädern die Zähne in einem separaten Arbeitsschritt ausgefräst. Nach der Reinigung, dem Entgraten und Polieren erfolgt dies durch eine Verzahnungsmaschine, die mit automatischen Ladegeräten und Hartmetallfräsern ausgerüstet ist und die Räder übereinander geschichtet als Pakete verzahnt. Auch die Zähne der Triebe werden gefräst.
Komplexer Winzling: Minutentrieb aus den Werkstätten der Firma Affolter
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Nun folgt das Anlassen oder Härten der Teile durch Erhitzen und Abschrecken – Bedingung für das gute Funktionieren des Zahngetriebes. Danach werden die Triebe durch das Rollieren, das früher Zapfendrehen genannt wurde, auf ihre exakten Abmessungen gebracht. Bei diesem Arbeitsgang wird kein Material abgetragen, viel mehr wird es verdichtet: In eine Spindel eingespannt und unter raschem Drehen werden die Teile auf ihr Sollmaß gebracht und erhalten ganz nebenbei auch einen schönen Glanz. Sehr hochwertige Triebe werden bei Affolter gleich mehrmals rolliert, erhalten eine Politur der Zähne mit Holz und werden weiteren, geheimen Behandlungsschritten unterzogen.
