Kugellaufbahnuhr - ZeitZentrum

Congreve Clock Kugellaufbahnuhr
Diplomarbeit von
Lorenz Brandel & Joé Wagner
2007
Zeit Zentrum Grenchen

Diplomarbeit 2007 L. Brandel & J. Wagner
Inhaltsverzeichnis
1. Geschichte 3
2. Idee 4
3. Bauphase 4
4. Das Funktionsprinzip 6
5. Die Stoppvorrichtung 11
6. Umrechnung Inch-Meter 12
7. Räderwerkberechnung 13
8. Berechnung der Schnecke 14
9. Bestandteilliste 16
10. Schlusswort 17
11. Mitwirkende 18
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Diplomarbeit 2007 L. Brandel & J. Wagner
Geschichte
Sir William Congreve wurde am 20. Mai 1772 in England geboren. Er studierte am Trinity
College in Cambridge. Als ältester Sohn von General Sir Willian Congreve, welcher
Rechnungsprüfer am Königlichen Laboratorium war, diente er schon sehr früh in der
Artillerie der englischen Armee. Er erfand die Kriegsrakete, welche zu dieser Zeit von der
englischen Streitmacht verwendet wurde. Nach dem Tod von seinem Vater übernahm William
sein Platz am Laboratorium. Als genialer Wissenschaftler und Erfinder erfand er unzählige
Kriegsgeräte und andere Dinge wie zum Beispiel Farbdruckgeräte oder eine Methode, um
Wale mit Raketen zu töten. Unter all diesen Erfindungen sticht eine besonders heraus: Eine
Uhr, welche nicht von einem Pendel, sondern von einer rollenden Kugel reguliert wird. Eine
Congreve Clock. Congreve patentierte diese 1808.
Obwohl es schon vor William Congreves Erfindung Uhren mit einer Kugelregulierung gab,
unterschieden sich diese stark von der Congreve Clock. Es gab keine Uhren, bei denen die
Kugel im Zick-Zack eine Bahn hinunter liefen. Die Kugel brauchte genau 30 Sekunden, um
von einem Ende der Bahn zum anderen zu gelangen. William wollte damit den negativen
Einfluss der Hemmung auf das Regulierorgan mit einer möglichst tiefen Frequenz so klein
wie möglich halten. Jedoch litt die Ganggenauigkeit stark unter dieser Frequenz.
Die erste Congreve Clock wurde mit Gewichten angetrieben, jedoch folgte kurz darauf eine
Uhr, welche die Energie von einer Zugfeder entnahm.
Sir William Congreve starb in Toulouse am 16. Mai 1828.
Nach dem Tod von Sir William Congreve begann man, Uhren in ähnlichem Stil und
demselben Funktionsprinzip zu bauen. Es konnte jedoch nie eine Congreve Clock gebaut
werden, welche sehr gute Gangwerte aufweisen konnte. Deshalb ist es wichtig zu wissen, dass
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es rein technisch gar nicht möglich ist, eine genaue Kugeluhr zu konstruieren. Es war jedoch
schon immer eine Attraktion, wenn man in einem Schaufenster eines Uhrengeschäftes eine
Kugeluhr zu sehen bekam.
Die Idee
Wir wussten schon relativ früh dass wir zusammen eine praktische Arbeit machen wollen.
Die Idee mit einer Kugel ging uns die ganze Zeit durch den Kopf. Wir skizzierten unsere
Vorstellungen, stiessen jedoch immer wieder auf neue Probleme. Als wir glaubten, ein
Perpetuum-Mobile entwickelt zu haben, begannen wir uns zu fragen, ob wir nicht besser eine
Lehrkraft zu Hilfe holen. Herr Wyss wusste sofort, was zu tun ist. Er drückte uns ein Buch
von John Wilding in die Hand, eine Bauanleitung für eine Congreve Clock. Wir waren sofort
Feuer und Flamme und begannen mit dem Lesen dieses englischsprachigen Buches.
Die Bauphase
Schon bald merkten wir, dass wir das Buch hauptsächlich als Inspiration und nicht als
wirkliche Pläne verwenden können, da alle Masse in Inch angegeben waren. Hätten wir all
diese Masse übernommen, so hätte es wahrscheinlich Schwierigkeiten in der Bauphase
gegeben. Deshalb beschlossen wir, ausser der Regulierplatte jedes Teil der Uhr dem anderen
anzupassen. So waren wir sicher, dass später alles reibungslos funktionieren würde.
Wir begannen mit der Regulierplatte, weil wir sicher gehen wollten, dass eine Stahlkugel
überhaupt in der Lage ist, eine Zick-Zack-Bewegung bei relativ kleinem Neigungswinkel zu
durchlaufen. Die Dreiecke wurden aus Messing ausgesägt. Da die Regulierplatte eines der
wichtigsten Bestandteile unserer Uhr ist, entschlossen wir, die verschiedenen Stücke genau
aufs Mass zu fräsen, was nicht besonders rationell war, jedoch Perfektion garantierte.
Die fertige Platte war ein Ansporn, noch mehr Zeit und Energie in unser Projekt zu
investieren, und wir begannen allmählich zu bemerken, zu was wir im Stande waren.
Als nächstes begannen wir mit den beiden Grundplatten, welche aus Messing gesägt und zum
Teil gefeilt oder gefräst wurden. Die vier Aluminiumsäulen wurden gedreht und in eine
schöne Form umgewandelt. Langsam wurde etwas erkennbar, was unseren Vorstellungen
entsprach.
Als der untere Aufbau der Uhr in seiner rohen Form fertig war, machten wir uns an den aus
unserer Sicht interessantesten Teil der Arbeit: das eigentliche Werk der Uhr.
Die Platinen wurden gefräst und die Lagerlöcher genau ausgemessen. Die Löcher wurden
gleichzeitig durch beide Platinen gebohrt, so dass die Übereinstimmung gewährt war.
Die Zähnezahlen der Räder und der Laternentriebe übernahmen wir aus dem Buch. Die Räder
wurden gedreht und die Zähne gefräst. Ein zwingend nötiges Stück der Uhr ist die Schnecke.
Sie dient der konstanten Kraftübertragung vom Federhaus auf das Übertragungsorgan. Wir
berechneten die Steigung und schnitten die Windungen von Hand mit einem speziellen
Werkzeug, welches für die Herstellung von Schnecken gebaut wurde.
Als alle Teile der Uhr fertig waren, begannen wir mit dem ersten Zusammenbau aller
Komponenten. Der Moment war gekommen, bei dem sich herausstellen sollte, ob wir gut und
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präzise gearbeitet hatten. Und tatsächlich funktionierte die Uhr, wenn auch nur für kurze Zeit.
Uns war jedoch bewusst, dass wir noch lange nicht das Ziel erreicht hatten. Die Uhr sah aus
wie ein König, welchem die Krone noch nicht aufgesetzt worden war.
Also machten wir uns an das Finissage, dem Verschönern aller Teile und Veredeln der
Materialien. Die Stahlteile wurden poliert, das Messing und Aluminium überschliffen und die
Kanten gebrochen. Die meisten Teile wurden von uns glasgestrahlt, einem Verfahren, bei
welchem Glaskörner durch eine Düse mit hohem Druck auf die Oberfläche auftreffen und
einen matten Schimmer hinterlassen.
Anschliessend wurden alle Messingteile zum Vergolden gegeben. Wir entschlossen uns, eine
Dicke von 3 Mikron auftragen zu lassen. Die Zifferblätter und die Platine wurden eingraviert
und die Aluminiumteile zum Eloxiern ausser Haus gegeben. Nebst den Zifferblättern, welche
wir silbernfarbig wollten, wurden alle anderen Teile schwarz eloxiert. Die Ziffern wurden von
uns schwarz auslackiert und die Namen von uns mit Blattgold ausgelegt. Alle 173 Schrauben
polierten wir, um sie anschliessend zu bläuen.
Der Zusammenbau der Uhr dauerte eine Woche. Wir arbeiteten mit Handschuhen, um keine
Flecken auf den Materialien zu hinterlassen. Jedes Stück wurde zum letzten Mal überprüft,
um anschliessend Teil der Congreve Clock zu werden.
Es dauerte 3 weitere Tage, bis alle Einstellungen durchgeführt waren und der Gang der Uhr
optimiert wurde.
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Das Funktionsprinzip einer Congreve Clock
Man nennt diese Uhren auch Kugellaufbahnuhren, da sie durch eine Kugellaufbahn
(Abb. 1.0) reguliert werden.
Eine Kugel rollt innerhalb von 30 Sekunden über eine Bahn, bestehend aus 13 Dreiecken, 4
Sonderstücken (Endstücke) sowie 3 Befestigungslatten und 2 Umkehrlatten. Das Ganze ist
mit 64 Schrauben befestigt. Die Bahn schwingt in zwei Kugellagern (Abb. 1.1).
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(Abb. 1.0)
Man könnte diese Bahn durchaus aus einer Platte fräsen. Wie im Buch erwähnt, ist es jedoch
besser, sie aus „Dreiecken“ herzustellen, da so viel Gewicht gespart wird.
(Abb. 1.1)
Die Laufbahn steht nun schräg, so dass die Kugel durch die Schwerkraft nach unten rollen
kann. Der Winkel, also die Neigung der Regulierplatte, kann durch die Reguliervorrichtung
(Abb. 1.2) verstellt werden.
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(Abb. 1.2)
Diese Vorrichtung dient zugleich dem Wenden der Platte alle 30 Sekunden. Die
Reguliervorrichtung ist auf der Verlängerung der Halbminutenachse aufgepresst.
Während die Kugel rollt, steht das Uhrwerk still, indem einer der 2 Stifte des
Halbminutenrades auf dem „Anker“ (Abb. 1.3) aufliegt.
(Abb. 1.3)
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An der Auslösungsstange (Abb. 1.4), welche sich unterhalb der hinteren Platine an der oberen
Grundplatte befindet, sind zwei Auslösestifte (Abb. 1.5), das Gegengewicht (Abb. 1.6) sowie
der Anker befestigt.
(Abb. 1.4)
(Abb. 1.5)
(Abb. 1.6)
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Löst nun die Kugel an einem Auslösungsstift aus, bewegt sich die gesamte Auslösungsstange.
Der Anker gibt somit das Räderwerk frei, und das Halbminutenrad macht einen halben
Umgang.
Die Reguliervorrichtung ist durch einen Stahlstab, welcher mit einem Gelenk (Abb. 1.7)
zusammen arbeitet, mit der Regulierplatte verbunden.
(Abb. 1.7)
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Die Platte neigt sich nun in die andere Richtung und gibt den Auslösungsstift wieder frei.
Durch das Gegengewicht, welches in entgegengesetzter Auslösungsrichtung wirkt, wird der
Anker wieder in die Ursprungsposition (Stoppen) gebracht.
Der Anker wird am Ende der Auslösung (Krafteinwirkung des Gegengewichts) durch seine
Begrenzungsfeder (Abb. 1.8) nicht zu weit zurückgedrückt.
(Abb. 1.8)
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Die Stoppvorrichtung
Die Stoppvorrichtung (Abb. 1.9 und 1.10), bestehend aus Stoppnase, Stopphebel und
Stopphebelfeder, verhindert das Überspannen der Feder und das Reissen des Stahlseiles.
(Abb. 1.9)
(Abb. 1.10)
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Umrechnung Inch - metrisch
1 Inch = 25.4 mm
1 mm = 0,03937 Inch
Um uns das Umrechnen von Inch in metrische Masse zu erleichtern, haben wir die Formel in
einer Exeltabelle eingegeben. So konnten wir die Masse aus dem Buch schneller umrechen.
Die Masse, welche im Buch gebraucht wurden, konnten wir trotz der Umrechnungen nicht 1:1
übernehmen.
So ist z.B. der Platinenabstand im Buch 3 Inch, was 76,2 mm entsprechen. Hierbei haben wir
uns auf 75,00 mm geeinigt.
Wir mussten demnach jedes Mass anpassen und dies natürlich mit Berücksichtigung auf
Pressungen usw.
Die einzigen Masse, welche wir 1:1 übernahmen, waren diejenigen der Regulierplatte
(Dreiecke).
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Räderwerkberechnungen
Zähn Achsen
Fusskre
Teilkrei Totalduissdurc
ssdurch rchmes hmesse
ezahl abstand Modul messer ser r Dicke
Stundenrad
Stundenrad
68
68
51.2 0.75
51.14
51.14
53.1
53.1
48.5
48.5
1.5
3
Schneckenrad
Zentrumsradtrieb
120
10
48.43 0.75
89.4
7.45
91.4
8.23
86.79
4.842
4
Zentrumsrad
Wechselradtrieb
120
12
39.6 0.6
72
7.2
73.7
7.95
69.9
5.04
1.5
Wechselrad
Halbminutenradtrieb
114
19
40.23 0.61
68.97
11.5
70.6
12.3
66.85
9.317
1.5
Halbminutenrad 2 39.7 2.5
Die Zähnezahlen wurden aus dem Buch entnommen.
Die Module haben wir für das Schnecken- und das Zentrumsrad bestimmt und anschliessend
alle erforderlichen Masse anhand dieser berechnet.
Das gesamte Räderwerk wurde von uns mit Ausnahme der Zähnezahlen konstruiert.
Den Triebflügeln (Zentrumsradtrieb, Wechselradtrieb, Halbminutenradtrieb) haben wir allen
den Durchmesser 0,8 mm gegeben, weil wir diese aus bereits gehärtetem Tamponstahl
herstellen konnten.
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Berechnung der Schnecke
Das Profil der Schnecke hängt von 4 Grössen ab:
!0 Spannungswinkel der Feder wenn die Uhr abgelaufen ist
r0 grösster Radius der Schnecke
r Aussenradius des Federhauses
e Steigung der Schneckenwindung
Wir haben folgende Parameter zum berechen der Schnecke:
Feder: l = 2700 mm h = 40 mm
e = 0,5 mm
Schnecke: r0 = 25 mm
e = 2,22 mm
Federhaus: Aussenradius Ra = 33,5 mm
Innenradius Ri = 31,0 mm
Federhausradius r = 9,5 mm
! max = 2 · l · " max E = Elastizitätsmoment = 2,1 · 10 5 N/mm 2
E · e "max = Elastizitätsgrenze = 2,2 · 10 3 N/mm 2
! max = 113,14 rad
N max = 113,14 = 18 Umdrehungen
2 · #
N max = 18 ! 0 = ! max – ! ymax – S+
N = 10,5 Na = Nmax – Nu – S+
Nu = 9,5 = 18 – 9,5 – 0,5 = 8 Umdrehungen
S+ = 0,5
S- = 0,5 ! 0 = 8 · 2 · # = 50, 27 rad
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Konstante c der Schnecke
Diese Konstante charakterisiert das Profil der Schnecke
c = ! 0 · r o · Ra · e = 8 · 2 # · 25 · 33,5 · 2,22
4 · # 4 · #
Berechnug der einzelnen Radien
= 7437
x1; x2; x3 … y ist die Höhe der Schnecke bei jeder Windung.
x = ro $ c y1 = 2,22; y2 = 4,44; y3 = 6,66 mm …
ro 2 · y + c
y muss für jede Windung berechnet werden. Anschliessend werden die Punkte in eine Grafik
eingetragen und zu einer Kurve verbunden. Diese Kurve dient uns als Lehre, um die
Grundform des Schnecken zu drehen.
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Bestandteilliste
Beschreibung Anzahl
Grundplatte 2 Teile
Säule gross 4 Teile
Grosse Zierblöcke 13 Teile
Kleine Zierblöcke 5 Teile
Grosse Spitze 5 Teile
Kleine Säule 2 Teile
Kleine Spitze 2 Teile
Lagerstifte 2 Teile
Winkelhalterung der Platte 2 Teile
Kugellagerabdeckung 2 Teile
Dreiecke 13 Teile
Endstücke 4 Teile
Befestigungslatten 3 Teile
Umlenklatten 2 Teile
Zwischensäulen 7 Teile
Gelenk samt Befestigung 4 Teile
Auslösestift mit Befestigung 4 Teile
Gegengewicht 4 Teile
Anker 3 Teile
Auslösestange 1 Teil
Befestigung für Stange 4 Teile
Kleine Zwischensäule 2 Teile
Platinensäulen 4 Teile
Unterlagscheibe 8 Teile
Platine 2 Teile
Kugellagerabdeckung 4 Teile
Lager 8 Teile
Dach 1 Teil
Zifferblattfuss 6 Teile
Zifferblatt 3 Teile
Zeiger 6 Teile
Stoppvorrichtung 5 Teile
Federhausgesperr 4 Teile
Reguliervorrichtung 7 Teile
Federhaus Komplett 9 Teile
Stahlseil 1 Teil
Schnecke 9 Teile
Zentrumrad+Triebflügel 13 Teile
Zwischenrad+Triebflügel 16 Teile
Halbminutenrad+Triebflügel 25 Teile
Stundenrad 3 Teile
Muttern und Schrauben 182 Teile
Total 406 Teile
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Schlusswort
Diese Uhr hat uns in den letzten zwei Jahren sehr viel Kraft und Zeit gekostet. Es gab Tage,
an denen wir nach dem Unterricht kaum noch Energie hatten, um an den freien Nachmittagen
für unser Projekt zu arbeiten. Wir mussten auch sehr darauf achten, dass der Schulunterricht
nicht zu kurz kam. In den Ferien war klar, dass wir mindestens eine Woche für die Congreve
Clock arbeiten, auch wenn die Sonne schien und alle im Schwimmbad waren. Die kleinen
Erfolge, welche wir während der Bauphase feiern durften, spornten uns an und wir gingen mit
neuem Eifer an die Arbeit. Es gab oft kleinere Streitereien, weil wir nicht immer gleicher
Meinung waren. Mit Kompromissen und Gesprächen versuchten wir, gemeinsame
Entschlüsse zu fassen und Ideen für Funktion und Design zu vereinen. Die Arbeit hat uns
menschlich näher gebracht und technisch sehr viel Wissen geschenkt. Nach einer solchen
Langzeitarbeit lernt man Probleme schneller zu erkennen und Fertigungstechniken zu
verbessern, um rationeller und besser zu einem Ergebnis zu kommen. Als die Uhr am Ende
vor uns stand, war das Gefühl von Stolz nicht zu unterdrücken. Aus einem einfachen Metall
etwas technisch Spezielles zu schaffen und schlussendlich zu sehen, dass es all die Mühe wert
war, ist eine sehr grosse Befriedigung.
Die Erbauer
Grenchen, den 27. April 2007
Lorenz Brandel Joé Wagner
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Mitwirkende
Wir danken herzlichst:
Herr Roland Wyss für die Idee des Projekts und die hilfreichen Auskünfte während der
Bauphase
Herr Hans Imboden für die Genehmigung und die genauen Zielformulierungen des
Projekts
Der Firma Ed. Schüpbach AG aus Biel für die Kugel und die Kugellager
Der Firma Schwab – Feller AG aus Büren für die Triebfeder
Der Firma Progravur AG aus Bern für die Gravuren
Der Firma Blösch AG aus Grenchen für das Vergolden
Der Firma Eloxal Wullimann aus Grenchen für das Eloxieren
Der Schreinerwerkstätte Claudio Caviezel aus Bern für den Holzsockel
Der Firma Büchler Glas AG aus Grenchen für die Glasabdeckung
Der Lehrwerkstatt der Firma Synthes in Bettlach für das Bereitstellen einer
Glasstrahlmaschine
How to make a
Congreve Clock
John Wilding
ISBN 0 903512 32 7
Brant Wright associates LTD
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