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Rotationslager aus Hartpolyäthylen, insbesondere für
Elektrizitätszähler
Die Erfindung betrifft ein Rotationslager aus Hartpolyäthylen, insbesondere für Elektrizitätszähler od. ähnl. Präzisionsgeräte.
Bekannt sind feinmechanische Rotationslager aus metallischen Werkstoffen, wie z. B. Messing und Aluminium, die zur Verbesserung ihrer Laufeigenschaften bei Verwendung in Präzisionsgeräten nocherchromt oder vernickelt wurden. Derartige Lager haben bei einer Beanspruchung, wiesieetwa beioberlagern von Elektrizitätszählern auftritt, eine Lebensdauer von zirka 5 bis 7 Jahren. Innerhalb dieses Zeitraumes werden die feinmechanischen Rotationslager für Präzisionsgeräte unbrauchbar, da durchAbrieb der Gleitfläche einerseits, aber anderseits auch durch Verharzung des unbedingt notwendigen Schmieröls sich die Laufeigenschaften derart verschlechtert haben, dass sie z. B. bei Elektrizitätszählern Anzeigeungenauigkeiten zur Folge haben.
Es ist weiterhin bekannt, in die feinmechanischen Rotationslager Einlagen aus nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise aus seidenverstärktem Epoxyharz, einzufügen. Die Lebensdauer dieser Rotationslager ist auch für Elektrizitätszähler zwar höher als die der metallischen, jedoch ist ihre Herstellung für kleinere Rotationslager-Innendurchmesser, z. B. unter 1 mm, sehr aufwendig und in der erforderlichen Präzision kaum noch erreichbar. Geringe Abweichungen in den Massen der Einlagen bewirken einen exzentrischen Sitz mit all den bekannten unerwünschten Mängelerscheinungen.
Ferner ist es bekannt, feinmechanische Rotationslager aus Plastwerkstoffen, wie Polyurethan, Polyamid oder Polystyrol herzustellen. Diese Lagerelemente besitzen die Vorteile der einfachen Herstellungsweise durch Spritzgiessen mit geringsten Toleranzen der Masse, des geräuscharmen Laufes ohne Ölschmierung und eines niedrigen Reibungskoeffizienten, der durch inkorporierte Stoffe, wie Graphit oder Molybdändisulfid, noch etwas weiter herabgesetzt werden kann. Plastwerkstoffe besitzen jedoch einen erheblich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Metall. Darüber hinaus zeigen die Plastwerkstoffe mit guten Reibeigenschaften, wie z. B. Polyamide und Polyurethan, ein von der Luftfeuchtigkeit abhängiges Quellverhalten.
Diese Eigenschaften wirken sich bei feinmechanischen Rotationslagern, insbesondere für solche in Elektrizitätszählern, besonders nachteilig aus. Durch die entstehenden Massänderungen und Verformungen der Rotationslager beim Erwärmen und Abkühlen sowie bei Änderung der Luftfeuchtigkeit kann die Funktionssicherheit der Rotationslager wesentlich beeinträchtigt werden.
Da beispielsweise bei Elektrizitätszählern eine wartungsfreie Laufzeit über einen Zeitraum von 10 Jahren und mehr Bedingung ist und hiebei eine möglichst grosse Formtreue der Rotationslager auch bei höheren Temperaturen, wie sie bei hoher Belastung oder in tropischen Ländern auftreten, bei gleichzeitiger hoher Konstanz der Reibungsmomente erzielt werden muss, wurden bisher die verschiedensten Massnahmen vorgeschlagen, um die unerwünschten Abmessungsänderungen möglichst zu kompensieren. So ist es bekannt, das Rotationslager radial ausdehnungsfähig oder frei fliegend seitlich der Tragplatte anzuordnen. Diese Möglichkeit gestattet es jedoch nur, den Nachteil der auftretenden Abmessungsänderungen in engen Grenzen zu kompensieren und ist sehr aufwendig.
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Ebenfalls bekanntgeworden ist es, feinmechanische Rotationslager mit einem sehr dünnen Plastwerkstoffbelag auszukleiden, der mit Hilfe einer Folie im Vakuumtiefziehverfahren hergestellt wird. Für solche Lager, wie z. B. in Elektrizitätszählern, mit Bohrungen in der Grössenordnung eines Millimeters und darunter ist dieses Verfahren jedoch kaum anwendbar und ebenfalls sehr aufwendig.
Weiterhin sind Konstruktionen von Zapfenlagern bekanntgeworden, die aus Vollkörpern bestehen. Diese sitzen so in einer Lagerplatine, dass der die Lagerung enthaltende Teil ausserhalb der Platine liegt. Auch diese Rotationslager weisen den Nachteil auf, dass die Abmessungsänderung nur in engen Grenzen kompensiert wird und die Formgestaltung kompliziert ist.
Schliesslich sind noch Rotationslager bekanntgeworden, die schraubenförmige Längsschlitze aufweisen, damit die Abmessungsänderung sich nur in einer Längenänderung des Rotationslagers bei konstantbleibendem Durchmesser bemerkbar macht. DieseAusführungen lassen sich jedoch nur bis zu einem solche Mass- nahmen gestattenden Innendurchmesser des Rotationslagers durchführen, dürften also für kleinere Durchmesser, wie sie den feinmechanischen Rotationslagern entsprechen, nicht in Betracht kommen.
Alle geschilderten Ausführungen der Rotationslager aus Polyamiden und Polyurethan weisen jedoch einen wesentlichen Nachteil auf. Neben den thermisch und durch Quellung bedingten Abmessungsänderungen, die durch die geschilderten Massnahmen zum Teil kompensiert werden, tritt im Dauerbetrieb durch Abrieb oder Erweiterung eine Abmessungsänderung auf, die eine wesentliche Funktionsbeeinflussung hervorruft und insbesondere für Elektrizitätszähler die Anzeigegenauigkeit stark verschlechtert.
Schliesslich ist bekannt, Rotationslager aus andern Plastwerkstoffen, wie beispielsweise Polyäthylen, herzustellen. Diese Lager genügen für bestimmte Verwendungszwecke, u. zw. dort, wo die Belastung nicht gross ist oder die Lager keinen hohen Beanspruchungen in bezug auf ihre Masshaltigkeit, Abrieb, Temperaturbeständigkeit, Lebensdauer und gleichbleibendem Reibungskoeffizienten unterworfen sind. Für die Herstellung von hochbeanspruchten feinmechanischen Rotationslagern, beispielsweise in Elektrizitätszählern, hat sich Polyäthylen bisher nicht bewährt. Die Nachteile sind noch wesentlich grösser als bei den geschilderten Lagern aus Polyamiden und Polyurethan.
Von den bekannten Polyäthylensorten scheidet das Weichpolyäthylen (Dichte 0, 92-0, 94 g/cm3) von vornherein aus, da bereits bei Temperaturen über 60 - 700C durch eine starke Abnahme der kristallinen Anteile eine grosse Abnahme der Härte und der Festigkeit eintritt und das Material nicht mehr abriebfest ist. Selbst bei Temperaturen von nur 200C ist der Abrieb bei Weichpolyäthylen so stark, dass die zulässigen äusserst geringen Toleranzabweichungen schon nach kürzester Zeit überschritten werden. Hartpoly- äthylen, das mehr kristalline Anteile als Weichpolyäthylen enthält, zeigt eine geringere Abnahme der kristallinen Anteile bei Temperaturen bis fast 1000C. Seine Härte und Festigkeit ist somit in weniger starkem Masse von der Temperatur abhängig.
Trotzdem lässt sich auch Hartpolyäthylen (Dichte > 0, 94 g/cm3) für hochbeanspruchte Rotationslager, beispielsweise in Elektrizitätszählern nicht verwenden, da es bei Temperaturen oberhalb 700C langsam versprödet, was sich in einem verstärkten AbriebundsomitinMass- änderungen der Lagerbohrungen äussert. Die Versprödung ist auf thermischen und oxydativen Abbau des Hartpolyäthylens zurückzuführen.
Es ist zwar bekannt, Hartpolyäthylen gegen den thermischen und oxydativen Abbau durch Zusatz von Hitzestabilisatoren, die gleichzeitig als Antioxydantien wirken können, zu schützen, jedoch zeigen auch Rotationslager, beispielsweise in Elektrizitätszählern, aus stabilisiertem Hartpolyäthylen kein besseres Verhalten als solche aus unstabilisiertem Material. Durch Abrieb war nach kurzer Zeit auch bei stabilisiertem Hartpolyäthylen die Abweichung der Lagerbohrung von dem zulässigen Mass beträchtlich.
Weiterhin ist die Verwendung von Russ zur Stabilisierung von Hartpolyäthylen gegen UV-Licht bekannt. Mit verschiedenen Russmengen versetztes Hartpolyäthylen weist als Rotationslager beispielsweise in Elektrizitätszählern ebenfalls kein besseres Verhalten als unstabilisiertes Material auf.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass man einen Plastwerkstoff auf Hartpolyäthylen-Basis für feinmechanische Rotationslager mit einer Temperaturbeständigkeit von über 100 C, einer hohen Mass-
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Festigkeit- bis-und/oder 2, 2'-Thio-bis-phenols und als Gleitmittel Metallstearate zugesetzt.
Die Verwendung von Russ- und Hitzestabilisatoren in Hartpolyäthylen ist zwar beispielsweise für die Herstellung von Polyäthylenrohren bekannt, ebenso die Verwendung von Gleitmitteln zur Herstellung von Folien- oder gut fliessendem Spritzgussmaterial. Eine gleichzeitige Verwendung der drei genannten, zum
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Teil zu völlig andern Zwecken bestimmten Zusätze aber ist neu und die damit erzielten hochqualitativen Eigenschaften dieses erfindungsgemässen Plastwerkstoffes für hochgradig beanspruchte feinmechanische Rotationslager sind vollkommen überraschend.
Beispiel l : In einer 6fach Spritzgussform wurden Oberlagerführungshülsen mit einer Lagerbohrung von 0,55 mm aus Hartpolyäthylen (Dichte 0,950 g/cm8 Schmelzindex 0,5), dem l, Olo Aktiv-Russ, 0, 2% Bleistearat und 0, 2% N, N'-Di-naphthyl-p-phenylendiamin zugesetzt waren, hergestellt. Die Bohrung konnte mit einer Toleranz von 0, 02 mm hergestellt werden.
DieOberlagerführungshülsen wurden in Elektrizitätszählern eingebaut und die Zähler bei Temperaturen zwischen 20 und 1200C belastet. Nach 110 Millionen Umdrehungen der Scheibe wurde bei allen Temperaturen keine Erweiterung der Lagerbohrung festgestellt, die die Herstellungstoleranz überschreitet.
Alle gefundenen Änderungen sind so klein, dass sie die Funktion des Zählers nicht beeinflussen.
Die Eigenschaften der Rotationslager sind völlig unabhängig von der Luftfeuchtigkeit. Die mechanische Beanspruchung, so wie vorstehend beschrieben, entspricht einer Funktionszeit des Zählers von über 20 Jahren.
Beispiel 2 : In einer 6fach Spritzgussform wurden Oberlagerführungshülsen mit einer Lagerbohrung von 0,45 mm aus Hartpolyäthylen (Dichte 0,945 g/cms, Schmelzindex 0,8) unter Zusatz von 1, 5% Aktiv-
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Diese Oberlagerführungshülsen zeigten in Elektrizitätszählern nach 100 Millionen Umdrehungen (600 bis 700 Umdr/min) bei 100 und 1200C keine Änderung des Bohrungsdurchmessers.
Beispiel 3 : In einer 4fach Spritzgussform wurden Unterlagerführungshülsen für Doppelsteinlager von Elektrizitätszählern aus Hartpolyäthylen (Dichte 0,948 g/cms, Schmelzindex 0,2) unter Zusatz von
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Diese Unterlagerführungshülsen wiesen nach einer Laufzeit von einigen 100 h (600 Umdr/min) keine Änderung und keinen merklichen Abrieb auf.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Rotationslager aus Hartpolyäthylen, insbesondere für Elektrizitätszähler od. ähnl. Präzisionsgeräte, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hartpolyäthylen (Dichte > 0, 94 g/cm ) 0, 5-3, 0%, vorzugs-
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Rotary bearings made of hard polyethylene, especially for
Electricity meter
The invention relates to a rotary bearing made of hard polyethylene, in particular for electricity meters od. Precision equipment.
Precision mechanical rotary bearings made of metallic materials, such as. B. brass and aluminum, which have been chromed or nickel-plated to improve their running properties when used in precision devices. Such bearings have a service life of approximately 5 to 7 years when subjected to stress, such as occurs with the upper bearings of electricity meters. Within this period of time, the precision mechanical rotary bearings become unusable for precision devices, since the running properties have deteriorated in such a way that they are damaged e.g. by abrasion of the sliding surface, but also by resinification of the absolutely necessary lubricating oil. B. in electricity meters display inaccuracies result.
It is also known to insert inserts made of non-metallic materials, for example made of silk-reinforced epoxy resin, into the precision mechanical rotary bearings. The service life of these rotary bearings is longer than that of the metallic ones, even for electricity meters, but their production is more difficult for smaller rotary bearing inner diameters, e.g. B. less than 1 mm, very expensive and hardly achievable with the required precision. Slight deviations in the dimensions of the insoles cause an eccentric fit with all the known undesirable defects.
It is also known to produce precision mechanical rotary bearings from plastic materials such as polyurethane, polyamide or polystyrene. These bearing elements have the advantages of simple production by injection molding with the smallest tolerances in terms of mass, low-noise operation without oil lubrication and a low coefficient of friction, which can be further reduced by incorporated substances such as graphite or molybdenum disulfide. However, plastic materials have a significantly higher coefficient of thermal expansion than metal. In addition, show the plastic materials with good friction properties, such. B. polyamides and polyurethane, a swelling behavior that depends on the humidity.
These properties have a particularly detrimental effect on precision mechanical rotary bearings, in particular for those in electricity meters. The functional reliability of the rotary bearings can be significantly impaired by the resulting changes in dimensions and deformations of the rotary bearings during heating and cooling as well as when the humidity changes.
Since, for example, a maintenance-free running time over a period of 10 years or more is a condition for electricity meters and the greatest possible dimensional accuracy of the rotary bearings, even at higher temperatures, such as those that occur with high loads or in tropical countries, with a simultaneous high degree of constancy of the frictional torques , a wide variety of measures have been proposed so far to compensate for the undesired dimensional changes as far as possible. So it is known to arrange the rotary bearing radially expandable or free-floating laterally of the support plate. However, this possibility only allows the disadvantage of the dimensional changes that occur to be compensated within narrow limits and is very expensive.
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It has also become known to line precision mechanical rotary bearings with a very thin plastic material covering, which is produced with the aid of a film in a vacuum deep drawing process. For such camps, such as B. in electricity meters, with holes of the order of a millimeter and below, this method is hardly applicable and also very expensive.
Furthermore, constructions of journal bearings have become known which consist of solid bodies. These sit in a bearing plate in such a way that the part containing the storage is outside the plate. These rotary bearings also have the disadvantage that the change in dimensions is only compensated within narrow limits and the shape is complicated.
Finally, rotary bearings have also become known which have helical longitudinal slots so that the change in dimensions is only noticeable in a change in length of the rotary bearing while the diameter remains constant. However, these designs can only be carried out up to an internal diameter of the rotary bearing that allows such measures, and should therefore not be considered for smaller diameters, such as those corresponding to the precision mechanical rotary bearings.
However, all of the described designs of the rotary bearings made of polyamides and polyurethane have a significant disadvantage. In addition to the dimensional changes caused by thermal and swelling, which are partially compensated by the measures described, a dimensional change occurs in continuous operation due to abrasion or expansion, which has a significant effect on the function and, in particular for electricity meters, greatly deteriorates the display accuracy.
Finally, it is known to produce rotary bearings from other plastic materials, such as polyethylene. These bearings are sufficient for certain purposes, u. between where the load is not great or the bearings are not subjected to high stresses in terms of their dimensional accuracy, abrasion, temperature resistance, service life and constant coefficient of friction. For the production of highly stressed precision mechanical rotary bearings, for example in electricity meters, polyethylene has not yet proven itself. The disadvantages are even greater than with the described bearings made of polyamides and polyurethane.
Soft polyethylene (density 0.92-0.94 g / cm3) is ruled out from the known types of polyethylene from the outset, because even at temperatures above 60-700C there is a large decrease in hardness and strength due to a sharp decrease in the crystalline content and that Material is no longer resistant to abrasion. Even at temperatures of only 200C, the abrasion of soft polyethylene is so strong that the permissible extremely low tolerance deviations are exceeded after a very short time. Hard polyethylene, which contains more crystalline proportions than soft polyethylene, shows a smaller decrease in crystalline proportions at temperatures up to almost 1000C. Its hardness and strength are therefore less dependent on temperature.
Nevertheless, hard polyethylene (density> 0.94 g / cm3) cannot be used for highly stressed rotary bearings, for example in electricity meters, as it slowly becomes brittle at temperatures above 700C, which is expressed in increased abrasion and consequently changes in the dimensions of the bearing bores. The embrittlement is due to thermal and oxidative degradation of the rigid polyethylene.
Although it is known to protect hard polyethylene against thermal and oxidative degradation by adding heat stabilizers, which can also act as antioxidants, even rotary bearings, for example in electricity meters, made from stabilized hard polyethylene do not behave better than those made from unstabilized material. Due to abrasion, the deviation of the bearing bore from the permissible dimension was considerable after a short time, even with stabilized hard polyethylene.
The use of carbon black to stabilize hard polyethylene against UV light is also known. Hard polyethylene mixed with different amounts of soot shows no better behavior than unstabilized material as a rotary bearing, for example in electricity meters.
It has now surprisingly been found that a plastic material based on hard polyethylene for precision mechanical rotary bearings with a temperature resistance of over 100 C, a high degree of
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Strength bis- and / or 2, 2'-thio-bis-phenols and added metal stearates as lubricants.
The use of carbon black and heat stabilizers in hard polyethylene is known, for example, for the production of polyethylene pipes, as is the use of lubricants for the production of film or injection molding material with good flow properties. A simultaneous use of the three mentioned, for
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However, some additives intended for completely different purposes are new and the high-quality properties of this plastic material according to the invention for highly stressed precision mechanical rotary bearings are completely surprising.
Example 1: Upper bearing guide sleeves with a bearing bore of 0.55 mm made of hard polyethylene (density 0.950 g / cm8 melt index 0.5), 1.0% active carbon black, 0.2% lead stearate and 0.2% N were made in a 6-fold injection mold , N'-di-naphthyl-p-phenylenediamine were added. The hole could be made with a tolerance of 0.02 mm.
The upper bearing guide sleeves were installed in electricity meters and the meters were loaded at temperatures between 20 and 1200C. After 110 million revolutions of the disk, no enlargement of the bearing bore that exceeded the manufacturing tolerance was found at any temperature.
All changes found are so small that they do not affect the counter's function.
The properties of the rotary bearings are completely independent of the humidity. The mechanical stress, as described above, corresponds to a function time of the meter of over 20 years.
Example 2: Upper bearing guide sleeves with a bearing bore of 0.45 mm made of hard polyethylene (density 0.945 g / cms, melt index 0.8) with the addition of 1.5% active substance were made in a 6-fold injection mold.
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These upper bearing guide sleeves showed no change in the bore diameter in electricity meters after 100 million revolutions (600 to 700 rev / min) at 100 and 1200C.
Example 3: In a quadruple injection mold, underlay guide sleeves for double stone bearings of electricity meters were made of hard polyethylene (density 0.948 g / cms, melt index 0.2) with the addition of
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After a running time of a few 100 hours (600 rev / min), these support guide sleeves showed no change and no noticeable wear.
PATENT CLAIMS;
1. Rotary bearings made of hard polyethylene, especially for electricity meters od. Precision devices, characterized in that the hard polyethylene (density> 0.94 g / cm) 0.5-3.0%, preferably
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