Stimmgabeluhr Funktionsmodell                                                                   home

Stimmgabel-Funktionsmodell
Stimmgabel-Funktionsmodell
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Schon das Zerlegen,Reinigen und Zusammenbauen einer Stimmgabeluhr bietet ein besonderes Erfolgserlebnis. Noch mehr ist das aber bei einem selbstgebauten Funktionsmodell einer Stimmgabeluhr der Fall. Nach einigen Modellen mit geradezu riesigen Klinkenrädern und entsprechender Geräuschkulisse sollte nun ein vorzeigbares Modell gebaut werden.  Ziel war es eine Stimmgabel mit 60 Hz originalgetreu mit nur einer 1,5 Volt Batterie anzutreiben. Die folgenden Ausführungen können nur allgemeiner Art sein, da jeder je nach Wünschen und Werkstattausrüstung seine eigenen Vorstellungen hat. Es sollen dafür meine Erfahrungen die ich während dem Bau des Modells gesammelt habe zur Sprache kommen. Herausgekommen ist ein Modell welches nur einen Sekundenzeiger besitzt. Wichtig war mir also keine schöne Uhr im herkömmlichen Sinne, sondern eine bei der das Prinzip der Stimmgabeluhr sichtbar wird. Deshalb ist auch im Deckel eine Stroboskoplampe eingebaut. Das ganze Modell sollte transparent aufgebaut werden, deshalb ist es weitgehend aus Acrylglas gefertigt. Versuche die Stimmgabel aus Invar (eine temperaturstabile Fe-Ni Legierung) herzustellen haben eine umgekehrte Abweichung ergeben. Also bei niedriger Temperatur ist die Uhr langsamer geworden, sie müßte aber wegen der Schrumpfung der Gabel schneller gehen. Ich kann hier nur annehmen das die Stimmgabel noch temperiert werden muß, wie das auch bei Unruh-Spiralen gemacht wird. Das bedeutet einen mehrstündigen Prozess mit genau eingehaltenen Temperaturen die um die 800 Grad liegen. Die Lösung für mich war es eine fertige Stimmgabel zu verwenden.   Allgemein sind Stimmgabelmodelle ziemlich laut. Durch ein kleines Klinkenrad und Zahnräder aus Kunststoff habe ich dies auf ein erträgliches Maß gebracht. Das Modell war für mich ein willkommenes Projekt während der ersten und sogar zweiten Corona-Welle und hat auch etwa so lange gedauert bis alles fertig wurde. Wohlgemerkt hatte ich aber schon vorher  mit der Originalschaltung etliche funktionierende Modelle in verschiedenen Größen und Frequenzen gebaut.


Hier ist ein Film zu sehen der das Modell im Stroboskoplicht zeigt. Zuerst sieht man die Funktion der Stimmgabel. Im zweiten Abschnitt wird der Klinkenmechanismus beim Selbstanlauf und beim Abschalten gezeigt. Im letzten Abschnitt ist im laufenden Betrieb die Auswirkung beim  Verstellen der Antriebsklinke zu sehen. Der Film ist wegen der besseren Detaillierung im Querformat zu sehen.

Stimmgabel

125 Hz Stimmgabel
Stimmgabel
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 Die links zu sehende Stimmgabel wurde ursprünglich für die Wartung von Fernschreibern in den siebziger Jahren verwendet. Durch das Fenster oben an der Stimmgabel konnte man einen Stroboskopeffekt erreichen mit der sich die Drehzahl der Motore kontrollieren ließ. Auf der Verpackung war eine Angabe von 125,000 HZ angegeben, was etwa einer Abweichung von 1 Sekunde pro Tag entsprechen würde. Angaben über eine Temperaturabweichung fehlten allerdings.

Vor dem Bau des Modells sollte man die Frequenz der Stimmgabel und die Zähneanzahl des Klinkenrades festlegen. Die Frequenz kann nur mit der fertigen Stimmgabel mitsamt den Magneten, der Antriebsklinke und den Schellen der Fein-Frequenzregulierung bestimmt werden. Dabei hilft einem eine Sound-App auf dem Android Smartphone. "Sound Analyzer Free" ist hervorragend geeignet um die Frequenz einer Stimmgabel anzuzeigen, selbst wenn sie nur mit dem Finger angestoßen wird. Aus praktischen Gründen sollten die Magnete ganz oben sein um später noch genug Verstellraum für die Antriebsklinke und die Schellen der Fein-Frequenzregulierung zu haben.  Außerdem muss auch das Uhrwerk noch Platz finden. Hat man es geschafft die gewünschte Frequenz zu erreichen, so muß dann ein Probelauf mit den Spulen und der Elektronik erfolgen. Hier mißt man dann die Amplitude an der Antriebsklinke. Bei einer Spannung von 1.0 Volt sollte diese dann etwa eine Zahnlänge vom Klinkenrad betragen. Bei der normalen Betriebsspannung von ca. 1.5 Volt sollte dann die Amplitude etwa 1,5 Zahnlängen vom Klinkenrad sein. Beide Zinken der Stimmgabel sollten gleiche Amplituden aufweisen. Nur so kann man das Modell besonders leicht bauen und es treten keine unnötigen Vibrationen auf. Wie dieser Abgleich gemacht werden kann wird im Abschnitt Elektronik erklärt. Außerdem sollte auch ein Test mit dem fertigen Uhrwerk erfolgen, denn dadurch erhöht sich der Stromverbrauch um etwa ein Viertel, je nach Klinkenandruck.

Bei der verwendeten Stimmgabel war die Frequenz letzlich zu hoch, so das ich außen an beiden Seiten mit einer Naßschleifmaschine die Zinken an der Gabelbefußseite um ca. die Hälfte ihrer Dicke abgeschliffen habe. Durch die Naßschleifmaschine habe ich keine Erwärmung der Stimmgabel die eventuell die Temperatureigenschaften wieder ändern könnte.  Bis so eine Zinke die Hälfte abgeschliffen ist dauert es aber je nach Aufgagegewicht durchaus eine Stunde. Deswegen habe ich die Gabel mit einer Halterung auf die Schleifscheibe mit einem Gewicht drücken lassen. Man schleift also automatisch und braucht nur die Dicke mit einer Schieblehre zu prüfen.  Erst wenn die Frequenz stimmt und die Uhr in jeder Lage mit möglichst niedrigem Stromverbrauch einwandfrei läuft, kann man daran gehen die endgültige Grundplatte für die Uhr zu bauen. Aus dieser Beschreibung lässt sich erkennen das der Bau eines Modells welches auch noch die Zeit anzeigen soll nicht ganz einfach ist. Die App auf dem Smartphone löst nur bis 1/10 Hz auf. Eine Zeitwaage die auch Stimmgabeluhren prüfen kann übernimmt dann die Endabstimmung. Hat die Zeitwaage einen Ausgang für die Spannungsversorgung der Uhr sollte man diesen anstelle des magnetischen Abnehmers verwenden.
  
Die Halterungen für die Magnete und die Antriebsklinke sind aus Neusilberblech wie eine Schelle ausgeführt. Alles muß verstellbar sein, aber nach dem festziehen der Schrauben darf nichts verrutschen.  Die Südpole der beiden Magnete zeigen an beiden Seiten nach außen.   Besonders wichtig ist möglichst starke Magnete aus Neodym zu verwenden, bei mir sind sie 10 mm im Durchmesser bei 10 mm Länge.  Damit keine gegenseitige Beeinflussungen durch Magnetfelder auftreten, sollten wie beim Original die Magnete von Weicheisenbechern umgeben sein. Dazu habe ich Travobleche benutzt und diese gebogen und geschnitten zu einem Becher gelötet. Alle Schrauben und Muttern an der Stimmgabel sind aus Messing, damit dadurch keine magnetische beeinflussung passiert.

Angeschlossen an die Zeitwaage ergeben sich folgende Messwerte bei dem fertigen Funktionsmodell:

Stehend:         0 Sekunden/Tag

Waagerecht:   30      "           "

Liegend:          40      "           "

Kopfstehend:   70      "           "

Die Abweichung zwischen 1,5 zu 1.1 Volt beträgt 0,7 Sekunden/Tag

Im normalen stehenden Betrieb  bei  gleichbleibender Zimmertemperatur sind es 1 bis 3 Sekunden/Tag Abweichung

Das sind natürlich schlechte Werte. Für ein selbstentwickeltes Funktionsmodell aber noch brauchbar, außerdem hat es ja nur 60 Hz

Die größte Abweichung ergibt sich durch das Temperaturverhalten des Funktionsmodells, bzw. der Stimmgabel.

Meines Wissens habe ich als erster Amateur ein solches Modell mit der Originalschaltung zumindest in Deutschland gebaut. Natürlich gibt es da noch das in kleiner Serie von Uhrmacherlehrlingen gebaute Tisch-Stimmgabeluhrmodell aus der Schweiz. Das wurde 2019 sogar in einer Auktion angeboten. Wer über dieses Modell nähere Angaben weiß könnte mir eine E-Mail schicken.


Klinkenrad

Stimmgabeluhr Klinkenrad
Klinkenrad-Herstellung
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Dieses ist für mich der interessanteste Teil vom Bau des Funktionsmodells gewesen, habe ich doch die Klinkenräder ähnlich wie damals in "Serie" von zwar nur drei Stück gefertigt. Wegen der Geräuschentwicklung habe ich sie so klein und leicht wie möglich machen wollen. Damit die Zahnform dem Original nahekommt habe ich vorher alles maßstäblich vergrößert in einem Zeichenprogramm nachgebildet und konnte so die Position und die Zustellung vom Fräser bestimmen. Diese beträgt hier nur 20 Hunderstel Millimeter, da muß alles spielfrei laufen und die Fräse oder Drehbank muß mit Spannzangen ausgerüstet sein. Der Teilapparat von der Drehbank besteht aus 60 Löchern die in die Riemenscheibe gebohrt sind. Ein Stift drückt in das Loch und hält somit die Spindel in der jeweiligen Position fest. Der Fräser sollte neu sein und natürlich ganz scharfe Ecken haben.  Zugestellt habe ich in einem Durchgang, also je Zahn den Fräser nur einmal nach vorn und wieder zurück. Es ist doch bemerkenswert das eine Uhrmacherdrehbank aus den sechziger Jahren das mühelos geschafft hat. Sie hätte es wohl auch bei 5mm Durchmesser und sechzig Zähnen noch geschafft.

Klinken

Funktionsmodell Klinke
Klinken
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Die Klinkendrähte bestehen aus 0,1 mm dickem Neusilberblech welches mit einem Cuttermesser an einem Stahllineal mehrmals auf ca. 1mm Breite eingeritzt und abgetrennt wird. Die beiden 90 Grad Biegungen an der Klinkenseite werden mit zwei Blechen mit Steindicke als Hilfsmittel gebogen.  Sogenannte Ankersteine aus Taschenuhren werden dann mit heiß aushärtendem Zweikomponentenkleber an die Klinken angeklebt. Je kleiner und leichter der Klinkenmechanismus wird, umso leiser wird er später im Betrieb sein. Außerdem kann dadurch der Andruck der Klinken an das Klinkenrad geringer sein was den Stromverbrauch verkleinert. Normale Rubin-Lagersteine die an einer Seite mit einem Diamantfräser vorsichtig abgeschliffen werden lassen sich aber auch verwenden.

Spulen

Funktionsmodell-Spulen
Spulen-Herstellung
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Die Spulenkörper sind aus einem Polyamid-Stab gedreht. Auf der Antriebsklinkenseite ist die Spule mit der Antriebs- und Steuerwicklung. Dort wird zuerst die Antriebsspule und dann die Steuerspule im gleicher Wicklungsrichtung gewickelt. Zur Sicherheit habe ich alle vier Drähte der zwei Wicklungen herausgeführt, obwohl ja die mittleren Anschlüsse der Antriebs-und Steuerspule verbunden werden. Die Halterungen der Spulen bestehen aus Plexiglas und sind im rechten Winkel mit Sekundenkleber zusammengeklebt. Die Spulen werden mit je einer M3 Rändelschraube von hinten verstellbar mit der Grundplatte verschraubt. Das ist wichtig um den Abstand zu den Magneten einzustellen. Die beste Kraft für den Selbstanlauf entwickelt sich, wenn die Spulen halb in die Magnete eintauchen. Ein guter Anhaltspunkt für die Wicklungen sind 400 Windungen Cul mit 0,10 mm Durchmesser für die Antriebsspulen und 1300 Windungen Cul 0,10 mm für die Steuerspule. Bei der Spule mit den beiden Wicklungen wird zuerst die Antriebsspule gewickelt, danach die Steuerspule. Die Spulen habe ich auch auf der alten Uhrmacherdrehbank gewickelt, das Zählwerk für die Wicklungszahlen stammt aus einem alten Tonbandgerät. Der Innendurchmesser der Spulen beträgt 11 mm, also hat man bei 10 mm Magnetdurchmesser einen Luftspalt von 0,5 mm. Die Anschlüsse der Spulen stellen kleine Lötnägel dar die außen am Rand der Spule sind. Durch ein kleines Loch daneben wird der Spulendraht herausgeführt. Der Spulendraht wird dann um den Lötstift gewickelt und verlötet. An die Lötnägel wird dann die Litze für die Verkabelung mit der Elektonik angelötet. Das ganze hat den Vorteil das  der empfindliche Kupferlackdraht geschont wird.

Elektronik

Funktionsmodell Elektronik
Elektronik
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Die wenigen Elektronik-Bauteile sind von vorn sichtbar auf einer IC-Fassung aufgereiht und somit auch austauschbar. Ein BC 547, ein Widerstand von 100 k und zwei Elkos sind alles. Die verwendete Mignon-Zelle reicht für gelegentlichen Betrieb völlig aus denn das Modell verbraucht nur 0,8 mA im Betrieb. Berührt man die Stimmgabel im laufenden Betrieb, so steigt der Strom auf ca. 3 mA, die Amplitudenregelung funktioniert also auch. Ebenso der Selbstanlauf wenn Spannung angelegt wird. Um die Stimmgabel synchron schwingen zu lassen ist mir ein Versehen zu Hilfe gekommen. Als ich die Antriebs- und Steuerspulenanschlüsse an der Elektronik  versehentlich vertauscht hatte, lief die Stimmgabel  mit geringerem Strom als üblich. Ich konnte sehen wie durch gegenseitiges verschieben der Justierschellen der Strom sich auf ein Minimum einstellen ließ. Ein Minimum bedeutet also die Stimmgabel schwingt mit beiden Zinken gleich, somit ergibt sich auch ein Minimum an Vibrationen am Stimmgabelfuß, so das jetzt auch ein leichtes Material wie Plexiglas als Trägerplatte für die Stimmgabel infrage kommen kann. Hier ist es wichtig das die Weicheisenbecher montiert sind, denn ohne diese erhöht sich der Strom durch die gegenseitige Beeinflussung der beiden Magnete die bei dieser Stimmgabel ziemlich dicht beieinander liegen.

Uhrwerk

Stimmgabelmodell-Uhrwerk
Uhrwerk
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Auch das Uhrwerk sollte weitgehend durchsichtig sein. Um das Klinkenrad im Stroboskoplicht zu sehen werden zwei Plexiglas-Scheiben zusammen mit den Löchern der Zahnradachsen und der Abstandshalter gleichzeitig gebohrt. Das Uhrwerk muß sich leicht ohne zu klemmen drehen lassen. Das Klinkenrad ist besonders leicht ausgeführt, damit es auch den schnellen Bewegungen der Klinken folgen kann. Eine Ausführung wie hier mit Kunststoff-Zahnrädern und Ritzeln geht natürlich auch und ist dann auch noch leichter.  Die Antriebsklinke befindet sich vor der Sperrklinke, damit sich das ganze Uhrwerk leicht herausnehmen lässt.  Der Andruck der Sperrklinke ist durch einen Hebel im laufenden Betrieb verstellbar. Links unten ist eine Stellschraube für die Antriebsklinke vorhanden. Mit der kann im laufenden Betrieb der Abstand zur Sperrklinke verstellt werden. Um das gesamte Uhrwerk herauszunehmen oder es in Position zur Antriebsklinke zu bringen wird das Uhrwerk von hinten an der Trägerplatte durch eine Schraube festgehalten. Die Schraube läuft in einer senkrechten Nut der Trägerplatte, somit lässt sich auch der Andruck der Antriebsklinke einstellen.

Die  drei Polyamid-Zahnräder haben alle 60 Zähne und das Modul 0,3. Das Ritzel an dem Klinkenrad hat 16 Zähne, die anderen am oberen und mittleren Zahnrad haben 15 Zähne. Alle Lager bestehen aus Miniaturkugellagern mit 3mm Außen- und 1mm Innendurchmesser.

Stroboskoplicht für 60 Hz

60 Hz Stroboskop
Stroboskoplicht für 60 Hz
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Hier ging es nur darum das eine einfache Schaltung auf 60 Hz abgestimmt, die Bewegungen des Klinkenmechanismus verlangsamt darstellt. Durch ein Poti im Gehäusedeckel kann von außen eine Feinabstimmung der Frequenz vorgenommen werden. Dadurch das eine zentral gelegene Schraube den Deckel festhält lässt dieser sich drehen und somit kann die Stroboskop-Lichtleiste in verschiedenen Positionen die Uhr anleuchten. Die Lichtleiste besteht aus 12 einzel-SMD Led die alle parallel an zwei Drähte gelötet sind. Das ganze steckt ein einer Glasröhre mit einem Schlauchstück, damit das Rohr nicht abbrechen kann. Durch drehen des Gehäusedeckels kann die Lichtleiste verschoben werden.

 


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