Die Erfindung betrifft ein Kleingetriebe mit geringen Reibungsverlusten zur Übertragung kleiner Kräfte in einem Zeitmessgerät, insbesondere zur Untersetzung einer schnellen Rotationsbewegung, sowie ein Verfahren zu dessen Herstel lung und eine Verwendung des Kleingetriebes.
Moderne Uhren, speziell Stimmgabel-, Biegeschwinger und Quarzuhren, sowie ganz allgemein elektronische Uhren arbeiten mit relativ hohen Schwingungsfrequenzen. In Schwingungsmotoren der elektrischen und elektronischen Uhren, bei denen ein Schwinger Teil eines elektromagne tischen Oszillators ist, der den Gangordner einer Uhr bildet und dessen Resonanzschwingungen durch elektrischen An trieb unterhalten werden, werden die periodischen Bewegun gen in der Regel mit Hilfe eines Klinkenmechanismus auf ein Schaltrad übertragen. Dieses liefert dann seinerseits die für den Antrieb der Uhrzeiger notwendige Drehbewegung. Die Betriebsfrequenzen von Schwingungsmotoren der genannten Art können etwa 200 bis 1000 Schwingungen pro Sekunde betragen. Der Durchmesser des Schaltrades muss dabei möglichst klein gehalten werden.
Er liegt bei bekannten Konstruktionen bei etwa 1 bis 3 mm. Dementsprechend ist auch die mögliche Anzahl der Zähne des Schaltrades be schränkt. Somit ist dann die Drehgeschwindigkeit des Schaltrades relativ hoch. Es muss zur Anpassung der Dreh bewegung des Schaltrades an die Zeigerbewegungen ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen werden, welches in den ersten Stufen der Antriebsseite mit hohen Drehzahlen ar beitet. Erfahrungsgemäss führen aber hohe Drehzahlen zu relativ hohen Reibungsverlusten. Diese sind aus verschiede nen Gründen unerwünscht.
Schwingungsmotoren zeichnen sich durch verhältnismässig grosse innere Energie und geringen Energieumsatz nach aussen aus. Es stehen daher in der Regel nur geringe An triebsleistungen zur Verfügung. Sie liegen bei einer Armband uhr in der Grössenordnung von nur wenigen Mikrowatt. Deshalb können schon sehr kleine Störkräfte auf das Schwingsystem zurückwirken und die Schwingungen des Oszillators beeinträchtigen, was dann wiederum die Gang genauigkeit ungünstig beeinflusst. Höhere Reibungskräfte führen ferner zu Verschleiss oder gar zur Zerstörung des Schwingungsmotors. Die Forderung nach möglichst reibungs freier Transformation der Bewegung und hohem Wirkungs grad der Anordnung besteht aber auch deshalb, weil der Raum, der für eine Energiequelle, z.
B. eine Batterie, zur Verfügung steht, sehr gering ist und auch der Wunsch besteht, dass die Batterie nicht zu oft ausgewechselt oder aufgeladen werden muss.
Von der Maschinenbaukunde her ist es bekannt, dass ein Getriebe, um möglichst reibungsfrei zu laufen, in einem Ölbad untergebracht werden kann. Zu diesem Zwecke wird in der Regel das Getriebe in einem Gehäuse untergebracht, das zum grössten Teil mit 0I aufgefüllt ist. Dabei bietet aber die Kraftübertragung von aussen zum Getriebe und umge kehrt gewisse Schwierigkeiten. In der Regel werden Stopf büchsen oder Wellenabdichtungen vorgesehen, die einerseits Reibungsverluste verursachen und anderseits nie eine abso lut völlige Abdichtung gewährleisten. Für Kleinuhren er scheint daher ein solches Getriebe nicht geeignet.
Dazu kommt, dass bei einer nicht vollständigen Füllung des Ge triebegehäuses Unregelmässigkeiten im Lauf sich einstellen könnten, denn je nach der jeweiligen Lage des Gehäuses wären nicht immer alle Zahnräder völlig im Ölbad. Anderseits ist es nicht möglich, das Getriebegehäuse ganz mit<B>Öl</B> zu füllen, weil bei einer Temperaturerhöhung das Öl sich stärker ausdehnt als das Metall, so dass die dabei entstehenden Kräfte das Gehäuse zum Bersten bringen könnten. Umge kehrt kommt es beim Absinken der Temperatur bei einem geschlossenen Gehäuse zur Bildung von Blasen im 0I, die wiederum den Lauf des Getriebes ungünstig beeinflussen können. Angesichts dieser Schwierigkeiten wurde bisher überhaupt nicht versucht, ein im Ölbad laufendes Getriebe für Uhren zu schaffen.
Vielmehr wurden bisher andere Wege eingeschlagen, die vor allem darauf zielten, die Notwendigkeit eines schnellen Getriebes zu vermeiden. So wurde beispiels weise die Schwingungsfrequenz von Stimmgabeluhren relativ niedrig gehalten. Dabei wurde bewusst auf die bei höheren Stimmgabelfrequenzen mögliche grössere Ganggenauigkeit verzichtet.
Es ist bereits bekannt, bei einem Uhrwerk ein von einem Gehäuse umschlossenes Schrittschaltwerk vorzusehen, wobei das Gehäuse zwecks Geräuschminderung mit einer vorbe stimmten Menge eines flüssigen Schmiermittels gefüllt ist (britische Patentschrift 23 628). Um die vorher beschriebe nen Probleme der Wellenabdichtung zu vermeiden, erfolgt die Kraftübertragung mittels permanenten Magneten durch eine Membran. Das Gehäuse ist nicht vollständig mit Schmiermittel gefüllt und auch nicht vollständig abgeschlos sen, sondern es ist eine kleine Öffnung vorgesehen, die als Entlüftung dient. Eine vollständige Abdichtung ist daher nicht gewährleistet.
Es ist auch ein Schwingungsmotor für Zeitmessgeräte bekanntgeworden (CH Patent 516 589), bei dem Klinken und ein Schaltrad in einer eine Flüssigkeit enthaltenden geschlossenen Büchse angeordnet sind, die ihrerseits auf einem Gangordnungsschwinger angebracht ist. In der als älteres Recht zu berücksichtigenden CH Patentschrift 538 143 ist ebenfalls ein Schwingungsmotor für Zeitmessgeräte vor gesehen, der eine mit Flüssigkeit gefüllte, Schaltrad und Klinke aufnehmende Kammer aufweist, sowie ein mit dieser Kammer durch eine kapillarwirkende Verbindung zusam menwirkender Expansionsraum, welcher zusätzlich zur Flüssigkeitsaufnahme der Aufnahme eines gasförmigen Me diums dient.
Das ältere Recht betrifft jedoch im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung einen Schwingungsmotor und kein Kleingetriebe.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles, wartungsfreies Kleingetriebe mit geringen Reibungsverlusten zur Übertragung kleiner Kräfte, insbesondere bei grossem Untersetzungsverhältnis und kleinen Abmessungen zu schaf fen, das sich beispielsweise zur Anwendung in Stimmgabel und quarzgesteuerten Uhren, insbesondere solchen mit höhe ren als bisher üblichen Schwingfrequenzen eignet.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Gehäuse vollständig hermetisch abgeschlossen ist, die Kammer vollständig mit Flüssigkeit ge füllt ist, und dass ein Kanal mit einem Expansionsraum ver bunden ist, welcher zusätzlich zur Flüssigkeitsaufnahme der Aufnahme eines gasförmigen Mediums dient.
Dieses Kleingetriebe besitzt äusserst kleine Reibungsver luste bei der Übertragung kleiner Kräfte.
Gemäss einer Ausführungsform ist das Kleingetriebe da durch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium in Form einer Blase in der Flüssigkeit vorhanden ist. Zweckmässiger weise ist dabei der Kanal kapillarförmig gestaltet, um das Hindurchtreten einer kleinen Blase aus der Expansions kammer in die Getriebekammer zu verhindern.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kleingetriebes. Dieses Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, dass man das Gehäuse mit nach aussen offener Expansionskammer in die Flüssigkeit eingelegt, das Ganze unter Hochvakuum setzt, so dass die Luft entweicht, an- schliessend Normaldruck herstellt, wobei die Flüssigkeit in der Expansionskammer und in die Getriebekammer ein dringt, dass man die Temperatur erhöht und sie anschlies- send wieder erniedrigt, so dass sich eine Gasblase in der Expansionskammer bildet, und dass man anschliessend die Öffnung der Expansionskammer gasdicht verschliesst.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 ein Schnitt durch das Kleingetriebe, Fig. 2 ein Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Kleinge triebe entlang der Linie 1-I, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer magnetischen Kup plungsscheibe mit aufgesetzten magnetischen Elementen, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer magnetischen Kup plungsscheibe mit aufgesetztem magnetischem Ring, Fig. 5 eine prinzipielle Anordnung zur radialen magne tischen Kraftübertragung.
Das in Fig. 1 dargestellte .Ausführungsbeispiel eines Kleingetriebes zeigt den grundsätzlichen Aufbau und die Anordnung der verschiedenen Bestandteile. Das Kleinge triebe besteht aus einem Gehäuse 1 zur Aufnahme eines Räderwerkes, das von herkömmlicher Konstruktion sein kann, und den zur Kraftübertragung zum und vom Kleinge triebe notwendigen Teile. Das Gehäuse 1 besteht zweck- mässigerweise aus einem kastenförmigen Unterteil 2 und einem Deckel 3. Der kastenförmige Unterteil 2 kann als selbständiger, mit passenden Befestigungsmitteln 6 ausge rüsteter Körper ausgebildet sein, oder Bestandteil einer ent sprechend geformten Werkplatte einer Uhr sein. Das Ge häuse 1 weist mindestens zwei Kammern 9 und 5 auf.
Die Kammer 9 dient zur Aufnahme des Räderwerkes und die Kammer 5 ist eine Expansionskammer, welche verhindern soll, dass ein übermässiger Druck im Gehäuseinnern entsteht.
Die Expansionskammer 5 ist mittels eines kleinen ka- pillarförmigen Kanals 7 mit der Getriebekammer 9 verbun den. Der Deckel 3 schliesst den kastenförmigen Unterteil 2 hermetisch ab. Die hermetische Abdichtung kann auf ge eignete Weise, z. B. durch Kleben, Löten, Einpressen, Kitten, Aufzementieren oder dergleichen erfolgen. Als Klebstoff eignet sich insbesondere ein Zweikomponentenkleber, z. B. Araldit (geschützte Marke). Für die Öffnung 11 der Ex pansionskammer 5 ist ein Deckel 12 vorgesehen. Die Expan sionskammer 5 braucht nicht unbedingt in der Nähe der Getriebekammer 9 angeordnet zu werden.
In der Praxis wird man die geometrischen Raumverhältnisse für die Anordnung der Kammern 5 und 9 in Betracht ziehen. Dabei muss lediglich für die Verbindung der Kammern 5 und 9 mittels eines Kanals 7 gesorgt werden, der vorteilhaft kapillarförmig ist.
Sowohl der Deckel 3 als auch der kastenförmige Unter teil 2 können mit Lagern 13 zur Lagerung der Getrieberäder 15 des Räderwerkes versehen werden. Zweckmässigerweise gelangen dabei Steinlager zur Anwendung. Für die Anwen dung des Kleingetriebes bei Stimmgabeluhren kann das Räderwerk auf bekannte Weise gestaltet werden und etwa 3 bis 4 Räderpaare aufweisen. Wenn das Schaltrad des Schwingungsmotors mit beispielsweise 4 Umdrehungen pro Sekunde dreht, wird eine Untersetzung von 1 zu 240 not wendig, um das Zeigerwerk einer Uhr anzutreiben, wenn der Sekundenzeiger 23 direkt vom Ausgang des Getriebes angetrieben wird.
Die Minuten- und Stundenzeiger können dann über ein bekanntes Räderwerk, das ausserhalb des Kleingetriebes liegt, angetrieben werden.
Zur Verdeutlichung der Kraftübertragung ist in Fig. 1 der Eingang durch den Pfeil E und der Ausgang durch den Pfeil A bzw. als Alternativlösung A dargestellt. Sowohl die Kraftübertragung zum Getriebe als auch die Kraftübertra gung vom Getriebe werden, magnetisch durchgeführt. Die Kräfte werden somit berührungslos durch die Wände des Gehäuses übertragen. Zu diesem Zwecke muss jeweils die Gehäusewandung, durch welche hindurch die magnetische Kraftübertragung erfolgt, aus einem nichtmagnetischen Ma terial bestehen. Die Kraftübertragung erfolgt dabei mittels Kupplungsscheiben, die an ihrer Peripherie magnetische Ele mente 27 tragen.
Je nachdem die Kraftübertragung axial oder radial erfolgt, was später noch näher beschrieben wird, weisen die zu einer Kupplung gehörenden Kupplungsscheiben 21, 22 bzw. 26, 29 eine gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl derartiger magnetischer Elemente auf. Diese magne tischen Elemente 27, für die beispielsweise Samarium-Kobalt (SmCo5) verwendet wird, sind wie Fig. 3 zeigt, an der Peripherie der jeweiligen Kupplungsscheibe 21, 22, 26, 29 befestigt, so dass sich die magnetischen Orientierungsrichtun gen in Umfangsrichtung gesehen abwechseln. Die magneti schen Elemente 27 haben die Form kleiner Plättchen und sind durch Kleben oder ähnliche Weise mit der Kupplungs scheibe 21, 22, 26 oder mit einem der Zahnräder 29 des Räderwerkes verbunden.
Gemäss einer anderen Ausführungsform sind die Kup plungsscheiben bzw. das oder die auch als Kupplungsscheiben wirkenden Zahnräder anstelle der magnetischen Elemente 27 mit einem magnetischen Ring 31 (Fig. 4) versehen, der ent lang seinem Umfang Zonen wechselnder Magnetisierungs- richtung aufweist, also abwechslungsweise Nord- und Südpole. Der magnetische Ring besitzt somit die gleiche Funktion wie die magnetischen Elemente 27.
Ein dafür geeignetes stanz- bares duktiles Material ist beispielsweise eine Platin-Kobalt- Legierung. Die magnetischen Elemente 27 können auf spe ziellen Kupplungsscheiben 21, 22, 26 oder direkt auf einem Zahnrad aufgebracht sein. Im letzteren Falle hat also das Zahnrad die Funktion einer Kupplungsscheibe, wie dies beispielsweise in Fig. 1 beim Zahnrad 29 ersichtlich ist.
Die beiden Kupplungsteile, z. B. Kupplungsscheiben 21 und 22 oder Zahnrad 29 und Kupplungsscheibe 26 werden möglichst eng benachbart zueinander angebracht, so dass sich ein kurzer magnetischer Kraftflussweg ergibt. Gemäss Fig. 1 erfolgt die Kraftübertragung zum Getriebe mittels eines als Kupplungsscheibe ausgebildeten Schaltrades 21 eines Schwingungsmotors auf eine diesem Schaltrad gegenüber liegende Kupplungsscheibe 22, wobei der Deckel 3 des Ge häuses dazwischen liegt. Diese Kupplungsscheibe 22 gibt ihrerseits die Drehbewegung auf das Ritzel 24 und damit auf das Räderwerk ab.
Die Kupplung der Drehbewegung aus dem Kleingetriebe erfolgt mittels des mit magnetischen Elementen 27 versehenen Zahnrades 29. Dieses koppelt die magnetischen Kräfte der auf ihm angebrachten magnetischen Elemente 27 auf die gegenüberliegende Kupplungsscheibe 26. Von dieser wird dann die Drehbewegung an das Zeigerwerk, das schematisch durch den Sekundenzeiger 23 angedeutet wird, weitergeleitet. Im Sinne einer möglichst wirksamen Kraftübertragung ist der Luftspalt<B>28</B> für die magnetischen Kreise möglichst klein zu halten und die Drehachsen der beiden Kopplungsteile sollten identisch sein oder für den Fall einer radialen Kraftübertragung möglichst parallel zu einander liegen.
Werden die Kupplungsscheiben, wie in Fig. 1 dargestellt, einander gegenüber, d.h. mit gleicher Drehachsenlage ange ordnet, wird von einer axialen Kraftübertragung gesprochen, bei der sich die beiden Teile der magnetischen Kupplung im Normalfall mit gleicher Drehgeschwindigkeit bewegen, wie wenn eine starre Achse sie verbinden würde. Es ist aber auch möglich, die beiden Drehachsen parallel zueinan der in Abstand anzuordnen und die magnetischen Kräfte nur einseitig am Umfang der beiden Kupplungsscheiben 25 wirken zu lassen. Wie Fig. 5 zeigt, kann dabei durch unter schiedliche Wahl der Polpaarzahlen eine Unter- bzw. Über setzung erreicht werden.
Dies wird hier als radiale Kraftüber tragung bezeichnet. Die Hohlräume 5, 7, 9 werden nach Einbau aller mecha nischen Getriebeteile mit einer Flüssigkeit gefüllt. Diese Flüssigkeit hat in erster Linie die Aufgabe, ein Schmiermittel zu sein, um die Reibungsverluste der schnell rotierenden Getriebeteile zu vermindern, und zu gewährleisten, dass die immer vorhandenen Bewegungswiderstände ständig gleich bleiben. Hier wirkt sich der hermetische Abschluss vorteilhaft aus, indem keine die Bewegungswiderstände erhöhende Verstaubung oder Verschmutzung auftreten kann. Auch sind Alterungserscheinungen der als Schmiermittel dienenden Flüssigkeit infolge von Gasaufnahme aus der Umgebungsat mosphäre nicht zu befürchten.
Servicearbeiten, wie Reinigen, Ölen oder Austausch der Flüssigkeit fallen daher weg.
Als Flüssigkeit, die als Schmiermittel verwendet werden kann, eignen sich dünnflüssiges 0I und andere, nicht korrosive Flüssigkeiten, wie z. B. Petrol. Da die Getriebekammer 9 über den kapillarförmigen Kanal 7 mit dem Expansionsraum ver bunden ist, können sich die bei Temperaturänderungen auf tretenden Volumenänderungen der Flüssigkeit, welche um eine Zehnerpotenz grösser sind als diejenigen der festen Teile nicht schädlich auswirken. Im Expansionsraum befindet sich eine Blase 19, die je nach Temperatur grösser oder kleiner wird.
Dank den geringen Abmessungen des Kanals 7 kann die Blase 19 nie in die Getriebekammer 9 gelangen, weil in dem vorgesehenen Temperaturbereich von beispiels weise -10 bis +60 C die Grösse der entstehenden Blase stets geringer ist als die Grösse des Expansionsraumes 5 und zudem der geringe Querschnitt des Kanals 7 das lagebedingte Durchtreten der Blase 19 in die Getriebekammer 9, wie es bei einem grösser dimensionierten Kanal der Fall wäre, verhindert.
Die Grösse der Getriebekammer 9, des Kanals 7 und des Expansionsraumes 5 sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer vorbestimmten tiefsten Temperatur von z. B. -10 C die Blase 19 ein geringeres Volumen einnimmt, als der Expansionsraum 5, und dass anderseits bei einer Tempera tur von +60 die Expansion der Flüssigkeit die Blase wohl verkleinert, sie jedoch nicht völlig zum Verschwinden bringt, so dass sie gewissermassen als Kristallisationspunkt bei erneutem Temperaturabfall dient, aber noch nicht durch den kapillarförmigen Kanal 7 hindurchtreten kann.
Dadurch, dass bei allen Betriebstemperaturen die Ge triebekammer 9 immer vollständig mit<B>01</B> gefüllt ist, kommt es nie vor, dass das eine oder das andere der Zahnräder nur teilweise im Öllaufen, wobei Turbulenzen entstehen könnten, die zu schwankenden und erhöhten Belastungen des an treibenden Schwingungsmotors führen würden.
Das Einfüllen der Flüssigkeit in das Kleingetriebe kann auf folgende Weise geschehen. Der kastenförmige Unterteil 2, in welchem die Getriebekammer 9 mit dem Räderwerk und der Expansionsraum 5 vorgesehen sind, wird nach der Mon tage aller Getriebeteile mit aufgesetztem Deckel 3 aber abgedeckter Öffnung 11 in eine mit einer Flüssigkeit ver- sehenen Schale getaucht, und das Ganze in einer Vakuum kammer evakuiert, beispielsweise auf 10-z Torr. Dabei entweicht die Luft aus der Getriebekammer 9, dem Kanal 7 und dem Expansionsraum 5. Hernach wird das Vakuum aufgehoben, wodurch sich die Getriebekammer 9, der Kanal 7 und der Expansionsraum 5 mit der Flüssigkeit auffüllen.
Danach wird das Gehäuse aus dem Bad genommen und die Anordnung mit einem saugenden Material, beispielsweise Filterpapier von überschüssiger Flüssigkeit gereinigt. Hierauf erfolgt eine Erhitzung auf eine Temperatur, welche etwas über derjenigen liegt, bei welcher das Getriebe noch funk tionieren soll, also beispielsweise auf 70 C. Es dehnt sich dann die sich in der Getriebekammer 9 und der Expansions kammer 6 befindliche Flüssigkeit entsprechend aus, tritt durch die Öffnung 11 nach aussen und wird von dem Filterpapier aufgenommen. Anschliessend wird das Ganze auf 60 C abgekühlt, wobei sich durch ein entsprechendes Zusammenziehen der Flüssigkeiten in den besagten Räumen 9, 5 im Expansionsraum 5 eine durch die Öffnung 11 ein gesaugte feine Blase 19 bildet.
Hierauf wird mittels eines Plättchens 12, das auf die Öffnung 11, z. B. mit Hilfe eines Klebers aufgeklebt wird, die Öffnung 11 verschlossen, so dass der Expansionsraum 5 und die Getriebekammer 9 nach aussen luftdicht abgeschlossen sind. Der Kleber, vor zugsweise ein Zweikomponentenkleber, z. B. Araldit (ein getragene Schutzmarke) wird hierauf mit der vorgeschriebe nen Aushärtungszeit bei 60 C ausgehärtet.