Congreve-Uhr und Schlagwerk für Meccano-Uhren

(Bulletin 91/2024)
von Wilfried von Tresckow, AMS

Erstes Modell Kugellauf-Uhr – Technik und Historisches

Da, wo sich bei anderen Tischuhren eine durch das Pendel
regulierte Hemmung befindet, wird bei der Kugellauf-Uhr (auch bekannt als Congreve’s Rolling Ball Clock) anstatt eines Pendels eine Kugel verwendet, die entlang einer Zickzackbahn auf einem Neigungstisch rollt, um die Zeit zu regulieren. Sie wurde – daher der Name – 1808 von Sir William Congreve erfunden.

Je nach Bauart braucht die Kugel zwischen 10 Sekunden und einer Minute, um auf einer schiefen Ebene die Zickzackbahn hinunter zu laufen und setzt dabei – unten angekommen – mechanisch eine Richtungsumstellung in Gang, die sie an ihren Ausgangspunkt zurückrollen lässt, indem sowohl die Neigung der schiefen Ebene umgekehrt und gleichzeitig der Minutenzeiger vorwärts bewegt werden. Nachdem die Kugel an ihren Ausgangspunkt zurückgerollt ist, wiederholt sich ihr Ablauf im Takt des eingestellten Zeitintervalls (= Länge des Kugellaufweges).

Die „Extreme Detached Escapement“ (wie Congreve sein Hemmungsdesign nannte) wurde 1808 patentiert. Congreve, der kein Uhrmacher, sondern Artillerie-Offizier und Universalerfinder war, beauftragte Gravell & Tolkien mit der Herstellung der ersten funktionierenden Version, die er dann 1808 dem Prinzen von Wales präsentierte. Diese Version war gewichtsgetrieben, aber die zweite Konstruktion, die anscheinend von John Moxon konstruiert wurde, war federgetrieben. Das zweite Modell befindet sich in der Sammlung des Buckingham Palace.

Congreve-Uhren sind unzuverlässige (!) Zeitmesser – die Zeit, welche die Kugel benötigt, um sich entlang der Bahn zu bewegen, variiert stark je nach Sauberkeit der Bahn und der Kugel, und da die schiefe Ebene horizontal ausgerichtet ist, kann sich leicht Staub ansammeln.

Umsetzung mit dem Metallbaukasten

Als ein Schrauberkollege beim 2023er Jahrestreffen des Freundeskreises Metallbaukastens in Bebra seinen anhand der Baubeschreibung in CQ Nr. 73 – Sept. 2006 entstandenen Nachbau präsentierte, hatte der mich so fasziniert, dass ich dieses Modell selber nachbauen musste. Meine Uhr tut und geht auf die Stunde eine Minute außer der richtigen Zeit (vergl. vorher dazu gemachte Anmerkung). Für reine Vorführzwecke stört diese Abweichung nicht.
Deshalb zur Ganggenauigkeit dies vorweg: Die Uhr muss absolut waagerecht betrieben werden, damit die Kugel nicht stehenbleibt. Ich habe deshalb in der Unterkonstruktion des Gerüsts mittig eine 5 x 9 Loch Platte montiert, auf der eine kreuz/quer arbeitende Wasserwaage mit Magnetboden „klebt“. Jedes der vier Beine kann mit einem Schraubgewinde verstellt werden bis die Uhr „im Wasser“ steht. Mit aussagekräftigen Bildern soll im Folgenden erklärt werden, wie der Zeitgeber-Mechanismus die Minutenzeiger-Welle antreibt: Zum besseren Verständnis gliedert ist die Beschreibung in Baugruppen bzw. -teile gegliedert.

A – Motor / Getriebeplatte als Hebelkraft

Uhrenrückseite: Der 12-V-Getriebemotor verbirgt sich in einem Zylinder, geformt aus einer Märklin 11 x 5 Loch Verkleidungsplatte # 11421. Der Zwischenraum zum Motorgehäuse ist mit Ballast versehen. Der so beschwerte Motor, montiert auf der ihn tragenden Märklin Getriebeplatte #11359, ist einseitig und frei drehend aufgehängt auf einer Märklin 13 cm Welle #10213 bezeichnet „W“. Sie ist die Hauptantriebs-Welle und führt – vom Uhrenkastenrand gezählt – durch das jeweils achte Loch der Mittelstege am Uhrenkasten. Auf dieser Welle ist außerhalb des Uhrenkastens ein Märklin 95-z Zahnrad # 10595 montiert und befindet sich im Eingriff mit dem auf der Motorwelle befestigten Märklin 19-z-Ritzel #10719.
Da das Motorgewicht an der es tragenden Getriebeplatte einseitig drehend aufgehängt ist, also dabei in Form einer
Kreisbogenbewegung nach unten zieht, wirkt diese Baugruppe als Hebelkraft.

B – Kraftübertragung

Auf besagter Hauptantriebs-Welle „W“ ist innerhalb des Uhrenkastens das Stokys 26-z Kettenrad #Z052 montiert [vergl. Bild 4].

Welle W > X: Es treibt mit einer Stokys Gelenkkette #K063 das Stokys 13-z Kettenrad #Z051 an. Dies
ist auf einer Märklin 9 cm Welle #10209 befestigt (bezeichnet „X“),.die – vom Uhrenkastenrand gezählt – im jeweils neunten Loch der Mittelstege am Uhrenkasten lagert.

Welle X > Y:.Auf derselben X-Welle gleich neben dem 13-z
Kettenrad ist ein Märklin 50-z Zahnrad #10450 montiert, das im Eingriff ist mit dem Märklin 25-z Ritzel #10725, befestigt auf der zwei Loch benachbarten Märklin 9 cm Welle #10209*, bezeichnet „Y“.

Welle Y > Z:.Letztere trägt neben dem 25-z Ritzel ein Stokys 57-z Zahnrad #Z003, das im Eingriff ist mit dem Märklin 19-z Ritzel auf der zwei Loch weiter benachbarten Märklin 11 cm Welle #10211, bezeichnet „Z“.

Eine kurze Bewegung der Hauptantriebs-Welle wird also in eine zwölffache Drehung auf der letztgenannten Welle
übersetzt.
*) < Einschub: Diese (mittlere) Welle ist zusätzlich mit einer Schnecke bestückt als Ausgangspunkt des Minutenzeiger-Antriebs. Ich erspare dem Leser an dieser Stelle die Getriebeaufbau-Beschreibung des eigentlichen Uhrwerks mit seinen div. Übersetzungen. Denn so ziemlich alle gebauten Uhrwerke ähneln einander darin, mit ½“-Baukasten-Systemteilen Ratio 60 : 1 zu kreieren. Ende Einschub >

C – Hemmung und Entsperr-Mechanismus

Die – vom Uhrenkastenrand gezählt – im jeweils fünften Loch der Mittelstege am Uhrenkasten gelagerte Märklin 11 cm Welle #10211 [vergl. Bild. 5] trägt den Torso eines Meccano Schnurlaufrades #19b (eine geflanschte Hälfte fehlt; hier kommt es wegen Verstellbarkeit auf Langlöcher des Teiles an!).

Aufgrund der Hebelkraft [vergl. Abschnitt A, letzter Absatz] und des über die Übersetzung weitergegebenen Schubes [vergl. Bild 5] hat die Märklin 11 cm Welle #10211 die Tendenz, sich zu drehen. Auf dem Meccano #19b-Torso liegt deshalb Druck. Dem kann das Rad aber nicht nachgeben, weil es zwei sich gegenüberliegende Schrauben trägt, deren Köpfe als Hemmung funktionieren. Weshalb hier im Folgenden vom „Stopprad“ die Rede sein wird.

Gestoppt bzw. entsperrt wird es durch eine Hebelkonstruktion, die – von der rückseitigen Rahmenseite gezählt – jeweils im achten Loch der beiden inneren Märklin Winkelträger #10125 pendelnd gelagert ist.

Was bei herkömmlichen Uhrwerken als Anker bezeichnet wird, stellt bei der Kugellauf-Uhr diese Hebelkonstruktion dar. Sie besteht aus

• einer 38,5 cm langen 4-mm-Welle
• 2 x Metallus Achshalter #4680-14: mit ihren Stellringen jeweils zueinander zeigend an der 38,5-cm-Welle befestigt
• 2 x Märklin Abschlusslasche #10134: in ihrer 1. Lochreihe jeweils verschraubt mit den Achshalterschenkeln
• 2 x Metallus Schmales Lochband #1001-15 als Anschlaghebel für die Kugel: jeweils verschraubt mit der 2. Reihe der Abschlusslaschen
• 1 x Meccano Kupplungsmuffe #63: vertikal auf der langen 38,5-cm-Welle montiert
• 1 x Märklin 7 cm Welle #10207: befestigt in Kupplungsmuffe und den Anschlag gegen die Schraubenköpfe des Stopprades bildend [vergl. Bilder 5 und 6]
• 1 x Meccano kurze Kupplungsmuffe #63d: horizontal auf der langen 38,5-cm-Welle montiert
• 1 x Märklin 5 cm Welle #10205: befestigt in Kurz-Kupplungsmuffe als Trägerarm für Gegengewicht
• 1 x Gegengewicht (gebasteltes Drehteil): für variierbare Fixierung zur Feinjustierung der Hebelkonstruktion im
  Betrieb

Beim vorherigen Vergleich bleibend, könnte man das Stopprad mit der Unruhe herkömmlicher Uhren vergleichen. Der in einem der Langlöcher des Stopprades montierte Meccano Gewindebolzen #115a trägt als Kurbel die Märklin Lagergabel #10044. Sie ist Aufhängung einer Meccano Gewindewelle #79. Letztere ist das Verbindungselement zum mittig gelagerten Neigungstisch mit der Zickzackbahn.

Im Betrieb und entsperrten Zustand macht das Stopprad eine kurze 180°-Drehung: Je nach Ausgangsstellung der Kurbel [vergl. Bild 9 = „oben“] schiebt die Gewindewelle den Neigungstisch einseitig nach unten. Bei der nächsten Entsperrung und Drehung [vergl. Bild 10 = Ausgangsstellung „unten“] zieht sie ihn wieder hoch. Weshalb hier für die Gewindewelle die Bezeichnung „Zug-/Schubstange“. gewählt wird. Sie ist am Neigungstisch durch ein Märklin Kugelgelenk #11793 befestigt.

Bild 11 zeigt, wie das Metallus Schmale Lochband #1001-15 des Hebelwerks als Anschlag in das Ende der Kugelbahn ragt.

D – Die Kugel rollt… – Funktionsablauf

Ausgehend vom Motor befasste sich die bisherige Beschreibung mehr oder weniger mit der chronologischen Darstellung von Teilen und/oder Baugruppen. Aber dies in der eigentlich umgekehrten Reihenfolge. Denn im Betrieb triggert die rollende Kugel auf der schiefen Ebene den Ablauf und setzt damit den Motor in Bewegung. Und zwar wie folgt:

1. Während die Kugel auf der schiefen Ebene rollt, ist die Stellung des Stopprades diese: Die am Hebelwerk vertikal
montierte Welle – im Folgenden „Stoppfinger“ genannt – hält mit dem Wellenstumpf einen der beiden auf dem Stopprad befestigten Schraubenköpfe fest. [vergl. Bilder 5, 6 und 9]. Wie beschrieben [vergl. Abschnitt C], liegt auf dem gesamten Uhrengetriebe und somit auch auf der Rastung Wellenstumpf / Schraubenkopf Druck.

2. Läuft die Kugel an einem der beiden in die Bahn ragenden Anschläge auf, wird der Stoppfinger aus seiner Rastung gezogen,…

3. … wobei das Stopprad frei wird und sich um 180° dreht (bis zur nächsten Rastung – der Stoppfinger liegt wieder am Schraubenkopf an), gleichzeitig wird die schiefe Ebene in die Gegenrichtung geschwenkt und die Kugel rollt zurück zum gegenüberliegenden Bahnende-

4. Während der Entsperrung passiert dies: Noch stromlos, aber durch sein Gewicht senkt sich der Motor und dreht bei noch ruhendem Eingriff seines 19z-Ritzels mit dem auf der Hauptantriebswelle befestigten 95z-Zahnrad [vergl. Bild 4] dieses um eine Sequenz nach links; wobei das gesamte Räderwerk bewegt wird, mithin auch der Minutenzeiger. Die Abwärtsbewegung in Form des erwähnten Kreisbogens [vergl. Abschnitt A] von Motor/Motorenplatte endet dann, wenn das an die Motorenplatte montierte Märklin Bogenband #11605 den Nocken des Schalters niederdrückt (hier gewählt Fischertechnik, ähnliche Bauweise wie Schalter von „Märklin plus“):

5. Der Motor erhält dadurch einen kurzen Stromstoß, das 19er-Ritzel „klettert“ am 95z-Zahnrad hoch – bei inzwischen wieder gesperrtem Stopprad, um damit Motor und Motorenplatte in die Ausgangsposition zurück zu bringen.

Dabei wird die Motorenplatte soweit angehoben, dass der Schalternocken frei und der Strom unterbrochen wird. Bei jedem nächsten Entsperren wiederholt sich dieser Vorgang. Und hier ist der Unterschied zur Originalbeschreibung des Modells in CQ bzw. bei dem in Bebra bewunderten Nachbau: in beiden Fällen wurden Neigungsschalter für den Stromstoß verbaut; CQ schlägt ein Elektronikteil vor, der Schrauberkollege verwendete einen (mittlerweile verpönten) Quecksilberschalter. Letzteres versuchte ich zunächst auch, aber das Quecksilber floss in dem Glasröhrchen viel zu träge hin und her, so dass ich auf die Schalterlösung ausgewichen bin. Nebenbei habe ich dabei gelernt, warum man von „flinken“ und „trägen“ Schaltern spricht.

Zweites Modell Schlagwerk – Technik

Gepackt vom Ehrgeiz, der entstandenen Congreve-Uhr einen eigenen „Fingerabdruck“ hinzuzufügen, durchforstete ich alle meine CQ-Hefte nach einem Schlagwerk. Und wurde in CQ Nr. 51, März 2001 fündig.

John Wilding war der gleiche Autor dieses „Schlagwerks für Meccano Uhren“, der später auch den Artikel über die Congreve-Uhr in CQ Nr. 73 geliefert hatte. Der Bau war eine Freude, aber auch eine Herausforderung. Dass die Stiftzahl der „Schlagscheibe“ die Summe der Stundenschläge innerhalb von 12 Stunden 78 betragen muss, wurde mir erst durch die Beschäftigung mit der Materie klar. Aber das nicht ganz einfache Teilen des Außenrandes in 78 Teile, um die Pins für die Glockenschläge 1, 2 …… bis 12 genau auf der Schlagscheibe zu positionieren, war zunächst ein Problem für mich: Teilt man nämlich 360° durch 78, landet man bei 4,6153846° – also nichts für den Umgang mit einem einfachen Winkelmesser und eher schon etwas für den Teileapparat. Die Lösung: „Follow the whole book“ – halte dich an die Baubeschreibung! Das fällt dann leicht, wenn man – als hauptsächlich Märklin Schrauber – auch über ausreichende Vorräte von Meccano-Teilen verfügt: Denn Märklin Kettenräder mit ihren 11 bzw. 23 Zähnen erlauben keine Lösung für die erforderliche Übersetzung von 1/2. So konnte es zur hier beschriebenen Schlagscheibe kommen, die auf 360° jene 78stel Teilung auf der Schlagscheibe ermöglichte. – Aber jetzt erstmal der Reihe nach.

Umsetzung mit dem Metallbaukasten… und einem „Alien“

Der Schlagwerk-Mechanismus und sein durch zwei im Verbund wirkende Mikroschalter ausgelöster Anlauf/Stop der Schlagscheibe ist nicht trivial!.

Zunächst: Das Getriebe hat fünf Antriebsstufen.

1. Was die erste Übersetzung [14-z- Meccano Kettenrad # 96a > 18-z- Meccano Kettenrad # 96] betrifft, dient diese zwischen dem Minigetriebemotor und der ersten (=Haupt-)Welle (bezeichnet „A“), auf der außen auch das den Glockenklöppel bewegende „Spannrad“ läuft, offenbar nur dazu, das Zeitintervall zwischen den Schlägen festzulegen. Die vier folgenden Stufen ergeben eine Übersetzung von 1/2 x
   1/4 x 1/2 x 1/5 = 1/80 (sic.: nur annähernd 78!), und zwar im Einzelnen:
2. 1/2 Übersetzung: Auf der Hauptantriebs-A- Welle ist ein 14-z- Meccano Kettenrad # 96a montiert, welches per Kette ein Meccano 28-z-Kettenrad # 95a treibt. Letzteres ist auf einer Halbachse montiert bezeichnet „B1“, die – frei drehend – bis ins mittlere Loch des 11 L langen, an die Schlagscheibe geschraubten Getriebekastens ragt.
3. 1/4 Übersetzung: Auf besagter erster Halbachse B1 ist vor dem 28-z- Meccano Kettenrad # 95a ein 15-z- Meccano Ritzel # 26c montiert, das im Eingriff mit einem Meccano 60-z-Zahnrad #27d und außen am Getriebekasten montiert ist. Ein auf derselben Welle, bezeichnet „C“, im Getriebekasten montiertes 14-z- Meccano Kettenrad # 96a treibt per Kette…
4. 1/2 Übersetzung: … ein im Getriebekasten montiertes Meccano 28-z-Kettenrad # 95a. Das auf derselben Welle, bezeichnet „D“, außen am Getriebekasten montierte 19-z-Märklin Ritzel # 10719 befindet sich dabei im Eingriff…
5. 1/5 Übersetzung: … mit dem fest am Rahmen verbauten Märklin 95-z-Zahnrad # 10595, dessen Stellring gleichzeitig die Halterung der zweiten Halbachse (bezeichnet B2“) ist, auf welcher sich die Schlagscheibe dreht.

Damit wird auch ersichtlich, weshalb es wichtig war, die Ratio 1/2 x 1/4 x 1/2 x 1/5 einzuhalten: Eine 360°-Umdrehung des Spannrades schiebt nämlich die Schlagscheibe um annähernd 1/78 vor – bei Berücksichtigung geringst gehaltenem Kettenschlupf! Dort, wo dieser auftrat, sind extra Kettenspanner verbaut.

In meinem Vorrat von Teilen befand sich ein großes Rad für die Stundenschläge aus einer alten Industrieuhr, die wohl eine Stechuhr gewesen sein muss. 78 Markierungen mussten also in einem Probeaufbau des Schlagwerks auf der Schlagscheibe mittels einer simplen Methode übertragen werden: Auf dem Außenrund der Schlagscheibe wurde eine ringförmige Pappschablone montiert. Nach jeder 360°-Kurbel-Umdrehung der Hauptantriebswelle wurde – wie in Bild 19 gezeigt – die Schablone angezeichnet, um mit entsprechenden Abständen der Stundenschläge zueinander die zu setzenden Pins abbohren zu können.

Beginnend bei einem der gesetzten Bleistiftstriche wurde die Pappschablone als Bohrloch-Vorlage benutzt, somit als erste Markierung dienend für die „0“ = Stopp-Pin des letzten
Schlages beim 12-Uhr-Läuten. In Drehrichtung der Schlagscheibe einen Teilstrich weiter die nächste Bohrung für die „1“; von dort aus wiederum zwei Teilstriche weiter Wiederholung desselben für die „2“; danach um drei Teilstriche weiter die Bohrung für die „3“ und so fort mit jeweils zunehmenden Teilstricheabständen bis zur „12“.

Der Mikroschalter „S1“ ist auf der Uhrenkastenrückseite oberhalb der Welle montiert, die den Minutenzeiger bewegt. Diese Welle trägt ein Lochscheibenrad; in einem seiner Löcher ist eine längere, zum Uhrenkasten zeigende Schraube befestigt; sie dient als Mitnehmer. Kurz vor Erreichen der vollen Stunde drückt nun der Schraubenkopf die „S1“-Mikroschalterzunge nieder. Die Baubeschreibung nennt diese Situation „Warning.

„Durch „Warning“ läuft der Minigetriebemotor an und bewegt die Schlagscheibe nur ganz kurz, so dass die Zunge von Mikroschalter „S2“ – bisher von einem Pin der Schlagscheibe gedrückt gehalten – …… frei wird und dabei den Motor augenblicklich wieder stoppt.

Wenn kurz danach der Minutenzeiger schließlich die volle Stunde erreicht hat, gibt der Mitnehmer die Zunge von „S1“ frei – sie schnellt wieder in ihre Normalposition – und die entsprechende Anzahl Glockenschläge ertönt (die
Schlagscheibe dreht sich dabei „auf die nächste Stunde“), und zwar solange bis der auf „S2“ zufahrende nächste Pin die Mikroschalterzunge wieder niederdrückt.

Noch ein kurzes Wort zum eigentlichen Läutwerk (vergl. Bild 18): Die unregelmäßige Lochung der Getriebekastenwangen (DUX ?) erlaubte eine raumsparende Montage der Glocke (= Märklin Runde Platte # 10365) per gekröpftem Galgen (an zwei Seiten abgesägte Märklin Handkurbel # 10200), befestigt mit einer Kurzkupplung. Das den Klöppelhebel triggernde Spannrad stammt aus einem Auktions-Beifang (Marke ?).

Um das vorher Beschriebene von seinem Ablauf nachvollziehbarer zu machen, gibt es ein anschauliches Video von John Wilding‘s Clock Striking Mechanism: https://www.youtube.com/watch?v=7SqpEDxx3QY