Ian D. Fowler

Eugen Denkel
Beschreibung und Entwicklungsstadien einer
Elektromechanische Kugellaufuhr System Denkel
(Patent Nr. DE 3308 936 C1)
Fowler & Denkel fecit

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1. Vorwort
Kugellaufuhren wie sie von William Congreve erfunden wurde, sind allen Uhrenliebhabern bekannt. Weniger bekannt sind die Uhren von z. B. Hans Schlotheim (um 1599), Christoph Rohr (um 1600)(1). Allen diesen Uhren gemeinsam ist das Prinzip der schiefen Ebene auf der eine Kugel hinabläuft. Am Ende der Laufbahn muß die Kugel wieder auf ihre Ausgangsposition gebracht werden. Dies geschah bei den Modellen von Rohr und Schlotheim durch eine Mechanik für den Rücktransport der Kugel(n). Die Bahnen selbst sind starr, also unbeweglich.
Congreve verbesserte dieses System indem er einen Kipptisch (tilting table) erfand, in dem zur Laufzeitverlängerung die Bahn zick-zack-förmig eingearbeitet war. Hatte die Kugel das Ende der Bahn erreicht, so wurde die Mechanik ausgelöst, der Tisch an dieser Seite angehoben damit die Kugel nun in der entgegengesetzten Richtung zurückrollen konnte. Dieser Vorgang wiederholte sich kontinuierlich und diente als Zeitnormal in der Uhr. Die Kugellaufuhren von William Congreve stellten eine wesentliche Verbesserung dar, verlangten aber vom Hersteller große mechanische Fertigkeiten um einen befriedigende Kugellauf der sehr kleinen / leichten Kugel zu erzielen ohne dass die Uhr stehen blieb.

2. Zur Vorgeschichte der elektromagnetischen Kugellaufuhr System Denkel
1982 entstand die Idee eine Uhr zu konstruieren, die die Prinzipien einer Pendeluhr mit elektrisch angetriebenen Pendel und einer Kugellaufuhr miteinander verband. Der Grundgedanke war die Pendelstange durch eine gekrümmte Bahn zu ersetzen und die Kugel durch einen magnetischen Impuls anzutreiben.
Zu dieser Zeit gab es noch kein Internet. Fachliteratur war schwer zu beschaffen. Ob die Idee neu und patentfähig war, konnte am besten durch einen Prüfungsantrag beim Patentamt geklärt werden. Bei näherer Beschäftigung mit der Patentmaterie und dem Prozedere wurde sehr schnell klar, das es besser war, hierfür die Dienste einer Patentanwaltskanzlei in Anspruch zu nehmen.
1983 erteilte das Deutsche Patentamt München nach Prüfung und Offenlegung dann ein Patent.
Parallel zum Patentverfahren wurden erste Realisierungsversuche unternommen. So wurde schnell klar, dass die Impulsgebung am einfachsten beim Nulldurchgang am tiefsten Punkt der Bahn erfolgen sollte. Als Sensoren wurden Miniatur-Infrarotsensoren (Reflex-Lichtschranken) verwendet, die jedoch bei starkem Umgebungslicht keine eindeutige Kugelerfassung mehr gewährleisteten. Trotzdem konnte mit einer einfachen Bahn aus zwei Plexiglasstangen ein konstanter Kugellauf erzielt werden. Das Prinzip war also umsetzbar, praktikabel.
Durch berufliche Tätigkeit, Hausbau und familiäre Verpflichtungen geriet das Projekt ins Stocken und auf die so genannte lange Bank.
2009 kam dann der lang ersehnte Ruhestand und der Auf-/ Ausbau einer Hobbywerkstatt mit dem Projekt einer CNC Fräs- / Drehmaschine. In dieser Maschine kommen induktive Näherungsschalter als End- / Referenzschalter zum Einsatz. Der Gedanke lag nahe, diese auch als Schalter in der Kugellaufuhr zu verwenden. Der alte Versuchsaufbau wurde hervorgeholt und die Schaltung auf Näherungssensoren umgebaut. Das Ergebnis war überzeugend und spornte an, jetzt endlich eine komplette Uhr zu konstruieren und zu bauen.

3. Frühere Entwicklungen / Patente
Parallel zum Bau der Uhr wurden Recherchen im Internet zum Thema Kugellaufuhren geführt. Vielleicht hatte jemand früher schon einmal die selben Gedanken gehabt oder der eigene Entwurf wurde aufgenommen und umgesetzt.
Mit Hilfe des Internets ist es heute leichter, weltweit Patentrecherchen zu führen. Zum Thema elektrischer Kugellauf stiess ich auf einen Hinweis bezüglich eines Patentes "Application number: GBD191013662 19100606" (GB191013662 (A)-Improvements in or relating to Electro-magnetic Devices) aus dem Jahre 1910. Als Erfinder wird ein A. J. Boult genannt und in Klammern steht der Name Crowdus, W. A. Bei dem Namen A. J. Boult dürfte es sich um Alfred Julius Boult handeln der nach Andries de Man Patentanwalt und kein Techniker war. Bei dem Namen W. A. Crowdus dürfte es sich um Walter Ambus Crowdus aus Memphis Tennessee USA (später Chicago) handeln. Crowdus dürfte der eigentliche Erfinder sein. Dies wird untermauert durch eine Anzeige in "The London Gazette November 20, 1894" in der W. P. Thompson, Alfred Julius Boult und Harry Cecil Sheldon die Eröffnung und Partnerschaft ihrer Patent-Anwaltskanzlei in der 63 Long-row West, Nottingham bekanntgeben. Boult war also Jurist bzw. Patenanwalt.
Die Patentschrift von 1910 beschreibt eine Vorrichtung für einen Kugellauf. Diese besteht aus einer röhrenförmigen gebogenen Bahn aus Glas, in der die Kugel hin und her läuft. Die Kugel wird durch einen Elektromagneten angetrieben. Dieser erhält seinen Strom über einen magnetisch betätigten Schalter, der durch die Kugel aktiviert wird. Altenativ wird eine kreisförmige ebene Bahn beschrieben, deren Funktionszusammenhänge aus der Zeichnung und knappen Patent-Beschreibungen sich nicht ohne weiteres erschließen. Insgesammt wird nur das Grundprinzip beschrieben.
In dem Buch von Langmann und Ball "Electrical Horology" aus dem Jahre 1927 wird die Erfindung als "Boult's Electric Clock Controller" im Kapitel "Miscellance Electric Clocks" beschrieben. Wiedergegeben werden auch die in der Patentschrift zu findenden beiden Zeichnungen. Auch hier findet man keine detailierteren Ausführungen. Ob eine Uhr nach den beschriebenen Prinzipien gebaut wurde, konnte nicht ermittelt werden.
Unklar ist auch, wie die Uhr reguliert werden kann. Bei einer starren Glasröhre ist die Bahngeometrie nicht veränderbar, somit auch keine Regulierung möglich. Der Schalter zum Einschalten des Spulenstromes besteht aus einem kleinen Magneten und einem Kontakt aus ferromagnetischem Material. Befindet sich die Kugel über dem Schalter, so wirkt die Kugel als magnetische Brücke zwischen dem Magneten und dem Kontakt. Der Schalter wird geschlossen, es fließt ein Strom, die Kugel erhält einen Impuls. Jedoch wird die Kugel durch den Schaltmagneten auch kurzzeitig gestoppt. Wie schon erwähnt, konnte nicht ermittel werden, ob die Erfindung zu einer praktikablen Umsetzung geführt hat. Unbestreitbar ist jedoch die Grundidee einer kreisförmigen Kugellaufbahn mit magnetisch angetriebener Kugel. Die Umsetzung / Weiterentwicklung dürfte jedoch auch auf Grund der damaligen technischen Möglichkeiten nicht weiter verfolgt worden sein. Die Idee von Crowdus geriet in Vergessenheit.

4. Prinzip elektrische Kugellaufuhr System Denkel
Vorgestellt wird nachfolgend die Kugellaufuhr nach Denkel, die aus einer gekrümmten Kugellaufbahn besteht. Diese Bahn besteht aus zwei höher liegenden Bahnpunkten (jeweils am Ende der Bahn) und einem tiefer liegenden Punkt in der Mitte. Läuft auf dieser Bahn eine Kugel, so wird die Kugel entsprechend ihrer Position Energie der Lage oder Energie der Bewegung aufweisen. Wir sehen hier deutlich die Parallelen zum Pendel, auch hier findet ein Wechsel zwischen Energie der Lage und Energie der Bewegung statt. Sind alle Parameter optimiert kann man jeweils von einer konstanten Laufzeit (Schwingungszeit) ausgehen. Damit sind die Voraussetzung erfüllt, um als Gangregulator für eine Uhr Verwendung zu finden. Sowohl das Pendel als auch die hier vorgestellte Kugellaufuhr benötigen eine Vorrichtung um die Energieverluste (Reibungsverluste) des jeweiligen System zu kompensieren. Bei der Pendeluhr wird dies durch die Doppelfunktion des Hemmungssystems erreicht. Bei der elektrischen Kugellaufuhr erfolgt dies durch einen elektromagnetischen Impuls, der direkt auf die Stahlkugel einwirkt.


5. Kugellaufbahnen
Die Kugellaufbahn besteht im einfachsten Falle aus zwei Schienen (nichtmagnetisches Material), die beidseitig aufliegen und in der Mitte durchgebogen werden. Hierdurch wird im Idealfall eine segmentbogenförmige Bahn erzeugt. Die Laufzeitregulierung erfolgt in der Mitte durch eine Verstellmöglichkeit, die direkt auf die Durchbiegung wirkt. Diese Bahnkonstruktion findet in der hier vorgestellten Kugellaufuhr (Demonstrationsmodell) Anwendung.


Die Bahn kann jedoch auch aus dem vollen Material gefräst werden (Messing / nichtmagnetisches Material). Hierbei ist der Aufwand jedoch wesentlich höher, da stranggezogenes Material bei einseitiger Bearbeitung sich verzieht und damit die notwendige Bahngeometrie verfälscht wird. Hier sind Maschinenkapazitäten erforderlich (Glühofen, Fräsmaschinen oder Wasserschneidanlagen usw), die eine normale Uhrmacherwerkstatt oder Hobbywerkstatt meist nicht aufweisen kann.
Eine Feinregulierung der Kugellaufzeit bei gefräster Bahn erfolgt dadurch, dass der Abstand der Bahnsegmente parallel veränderbar ist. Die Kugel läuft auf unterschiedlichen Rollradien.
Eine dritte Möglichkeit eine Bahn zu erzeugen, besteht darin, zwei rechteckige Bahnelemente so zu verbinden dass der Abstand in der Mitte größer als an den Enden ist. Die Kugel "taucht" dann in der Mitte tiefer ein, der Rollradius wird nach außen verschoben. Auch hier ist eine Regulierung mit einfachen Mitteln möglich, indem der Bahnabstand verändert wird.
Bahnkrümmung, Bahnabstand, Rollradius und Kugelgröße sind Größen, die Einfluß auf die Laufzeit haben. Diese Abhängigkeiten lassen sich auch in einer mathematische Formel ausdrücken. Eine genaue Berechnung des Radius ist für eine gefräste Bahn vorab notwendig. Alternativ kann der Bahnradius näherungsweise durch Durchbiegung bestimmt und dieser Wert dann übernommen werden.

6. Elektronik
Siehe hierzu (in Vorbereitung) auch die Internetseite von Mario Walterfang : "Elektronic and Program of Denkel's Rolling Ball Clock"
Die Elektronik besteht aus Sensoren zur Erfassung der Kugelpositionen, einer Auswerte/-steuerelektronik und einer Spule zur Energieeinspeisung durch einen kurzen elektromagnetischen Impuls. Die Größe der eingespeisten Energie wird so hoch eingestellt, dass die Kugel minimal über die Bahn hinaus laufen würde. Dies wird durch Sensoren an den Bahnenden verhindert. Läuft die Kugel bis auf eine der dortigen Sensorpositionen, so wird beim nächsten Durchlauf keine Energie mehr in das System eingespeist. Diese Amplitudenregulierung verbessert auch bei der hier vorgestellten Bauart die Konstanz der Laufzeit, da die ideale Bahnform für eine gleichmäßige Laufzeit (Amplitudenunabhägige Laufzeit) nicht durch eine Durchbiegung zu erreichen ist. Das Problem ist bei den Pendeluhren allseits bekannt. Von großer Wichtigkeit für die benötigte Energiemenge ist die Oberflächengüte der Bahn / Kugel. Je geringer die Rauigkeit umso kleiner der Energieaufwand. Eine gute Politur ist auch Voraussetzung für einen Kugellauf mit geringen Laufgeräuschen. Die Bahn sollte durch entsprechende Maßnahmen vor Beschädigungen und Staub geschützt werden.

7. Zeitanzeigen
Die Kugelläufe werden registriert und durch eine konventionelle mechanische Anzeige, wie bei einer normalen mechanischen Uhr, angezeigt. Der Antrieb der Anzeige erfolgt durch einen kleinen Schrittmotor, dessen Schritte durch die Kugel und die nachfolgende Auswerteelektronik ausgelöst werden. Die Laufzeit der Kugel (Durchmesser 50mm Bahnabstand 12mm) für einen kompletten Durchlauf analog zum Pendel beträgt 10 Sekunden. Die Auslösung der Zeitanzeige erfolgt beim Nulldurchgang auf der Bahn alle 5 Sekunden. Dementsprechend springt der Sekundenzeiger um den Wert 5 alle 5 Sekunden weiter.
Denkbar ist auch eine rein mechanische Zeitanzeige ohne Schrittmotor. Wird eine große Kugel verwendet die genügend Bewegungsenrgie besitzt, so kann ein kleiner Teil der Bewegungsenergie dazu verwendet werden das Zählwerk / Anzeigewerk der Uhr anzutreiben. Der mechanische Aufwand und die hierzu benötigte Präzision dürften nicht unerheblich sein. Ein reizvolles Projekt für die Zukunft. Eine weitere Möglichkeit der Anzeige besteht darin, analog zur Congreve Rolling Ball Clock, einen kleinen Auslösehebel zu verwenden, der ein federgetriebenes Laufwerk auslöst. Hierbei ist anzumerken, dass die Kugel auf eine leichte mechanische Kontaktierung / Auslösung des Räderwerks sehr empfindlich mit einer Reduzierung des Laufweges (Amplitude) reagiert. Entsprechend höher muss der magnetische Impuls sein, um dies auszugleichen.

8. Stand der Entwicklung (Ende 2012)
Zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung verfügt das Demonstrationsmodell erst über eine Sekundenanzeige.
Das konventionelle Räderwerk für die Minuten- und Stundenanzeige ist zur Zeit in Arbeit. Nach Abschluss dieser Arbeiten wird das Demonstrationsmodell demontiert und zwecks Erscheinungsbild und Politur noch einmal überarbeitet. Ab diesem Zeitpunkt werden wir dann Detailfotos veröffentlichen.




9. Ausblicke
Das hier vorgestellte Demonstrationsmodell wurde gebaut, um Erfahrungen mit dieser neuen Art Kugellaufuhr zu gewinnen. Alle Komponeten sind austauschbar, um weitere Experiemente mit verschiedenen Bahnformen und Anzeigemöglichkeiten machen zu können. Auch die Laufeigenschaften verschiedener Bahnmaterialien können untersucht werden. Wie groß ist die Abnutzung, wo ist das Optimum von Bahnform und Kugelgröße. Welche Konstruktions- / Fertigungsprinzipien kommen zur Anwendung bei einer gefräßten Bahn. Weiterhin ist die Frage nach der Laufzeitstabilät und damit der Genauigkeit der Kugellaufuhr über einen größeren Zeitabschnitt zu untersuchen. Erste Messungen zeigen durchaus befriedigende Ergebnisse. Dies bedeutet aber nicht, dass es sich hier um ein "Chronometer" handelt. Der Reiz dieser Uhr liegt nicht im Bereich der genauen Zeitmessung sondern im konstanten ruhigen Lauf der Kugel.  Bekanntlich lebt die Uhrmacherei nicht nur von der genauen Zeit sondern auch von der Freude an der Mechanik und ausgefallenen Konstruktionen, auch wenn diese auf Kosten der präzisen Zeitanzeige gehen.
Die auf dieser Seite vorgestellte elektromechanische Kugellaufuhr bietet weiterhin die Möglichkeit von vielfältigen Ausgestalltungsmöglichkeiten und Bauformen. Es ist auch denkbar das Prinzip der elektromagnetischen Kugellaufuhr für kinematische Kunstwerke ohne Zeitanzeige zu verwenden.
Weitere Details und Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in der Patenschrift aus dem Jahr 1983 nachzulesen.

Wir würden uns freuen, wenn Uhrenfreunde mit mechanischen Ambitionen das Thema aufgreifen und eigene Entwürfe präsentieren würden. Ein kleiner Hinweis auf die Urheberschaft des Prinzips würde uns sehr freuen.

Wichtiger Hinweis / Haftungsausschluß: Alle Angaben / Bilder / Schaltpläne / Platinenlayout usw. zum Bau der elektrischen Kugellaufuhr beschreiben einen Labortyp und keinen Prototyp der frei von Mängeln oder Gefahrenquellen ist. Im Falle eines Nachbaues / eigener Entwürfe sind Sie selbst für die Einhaltung und Umsetzung nationaler und internationaler Vorschriften (Maschinenbau, Elektrotechnik, Störstrahlverhalten, Brandsicherheit usw) verantwortlich. Die Autoren übernehmen keinerlei Haftung für etwaige Schäden  jedweder Art, die durch einen Nachbau, Inbetriebnahme, oder die Anwendung / Umsetzung der hier vorgestellten Funktionsweisen / Vorgehensweisen / Verfahren / Projektrealisierungen entstehen.
siehe hierzu auch Rechtliches

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ANMERKUNGEN
1 Weitere Erfinder von Kugellaufuhren sind:
Christoph Margraf (tätig 1587-1624)
Nicolas Grollier de Servière (1596?1689)
Johann Sayller (1597-1669

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LINKS:
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    Patent Boult / Crowdus

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LITERATUR
Baillie, G. H: Watchmakers & Clockmakers of the World, London 1976, ISBN 7198 0040 4, S. 65.
Derek Roberts: English Precision Pedulum Clocks, Atglen USA, 2003, ISBN 0-7643-1846-2, S. 109-110.
Derek Roberts: British Skeleton Clocks, S. 79-82.
Drake T.A.S.: Congreve Clocks, in AHS Journal Vol.1, no.11, June 1956, S. 164.
Jagger Cedric: Royal Clocks, London 1983, S. 197-199.
Langmann H.R., Ball A.: Electric Horology, London 1927, S. 148-150.
Royer-Collard F.B.: Skeleton Clocks, London, 1969, S. 136-40.
Whitestone Sebastian: The Chimerical English Pre-Huygens Pendulum Clock, AHS Journal Vol. 33, No. 3, March 2012.
Wilding John: The Construction of a Congreve Rolling Ball Clock.
Whyte Donald: Clock & Watch Makers of Edinburgh and the Lothians 1539 - 1900, ISBN 0901061964.

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DANKSAGUNG
Hr. Fandler fertigte den Holzsockel in feiner Tischlerarbeit
Fa. Goodacre lieferte das ausgezeichnet gravierte Zifferblatt ( Goodacre Engraving )
Hr. Walterfang schrieb die Programme zur Auswerte- / Steuerelektronik und fertigte die Platine.

Bild- / Fotonachweis:
Fowler / Archiv-Fowler

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Ian D. Fowler
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Letzte Aktualisierung: 08.11.2012