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Feder, insbesondere Triebfeder von Uhren Die Erfindung bezieht sich
auf eine Feder, insbesondere eine Triebfeder für Uhren, vorzugsweise Kleinuhren.
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Die üblichen bisherigen Federn, insbesondere Triebfedern von Uhren,
bedurften der Schmierung mit Fett oder Öl zur Verminderung der Reibung der Federwindungen
gegeneinander beim Aufziehen und Abwickeln. Diese Schmierung erfolgte üblicherweise
vor dem Einbau in das Federgehäuse.
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Daß diese Art des Schmierens nicht unerhebliche Nachteile besitzt,
da das Fett oder Öl im Laufe der Zeit altert, d. h. verharzt, oxydiert, eintrocknet
und verseift, ist seit langem bekannt. Diese Nachteile sind wesentlich, da infolge
der Alterung die Reibung der Federwindungen gegeneinander steigt, so daß die abgegebene
Kraft kleiner wird. Die Federn müssen also nach einer gewissen Betriebszeit der
Uhr gereinigt und neu geschmiert werden. Ferner läßt sich nicht immmer vermeiden,
daß ein Teil des Schmiermittels aus dem Federhaus bzw. Gehäuse austritt und sich
mit Staub und Schmutz vermischt. Die Schmiermittelschicht ist auch insofern nachteilig,
als sie im Federhaus immerhin einigen Raum beansprucht, der also dem Volumen der
Triebfeder verlorengeht.
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Derartige Federn zeigen im übrigen den Übelstand, daß sie sich gegen
Ende der Abwicklung infolge Klebens der Schmierschicht ruckweise entspannen, was
sich auf den Gang der Uhr ungünstig auswirkt. Ein weiterer Nachteil ist die Beeinflussung
der Viskosität des Schmiermittels durch hohe und tiefe Temperaturen. Die Notwendigkeit
des Schmierens solcher Uhrenfedern, insbesondere von in ein Gehäuse eingeschlossenen
Triebfedern, ist also nachteilig, insbesondere auch, da das von Hand auszuführende
Schmieren jeder Triebfeder verhältnismäßige Kosten verursacht.
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Trotz dieser Nachteile und obwohl diese Nachteile bekannt waren, blieb
diese Art des Schmierens üblich, weil notwendig und weil Versuche, sie auszuschalten,
zu keinem oder zu keinem befriedigenden Erfolg führten.
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Zwar nicht für Federn, jedoch für andere Uhrenteile ist vorgeschlagen
worden, die Reibung der Teile aneinander zu vermindern oder aufzuheben durch Vorsehung
von Kunststoffüberzügen auf einem der aneinanderzureibenden Teile oder auf beiden
Teilen. Auch bei solchen Uhrenteilen wie Wellen und Lager führten diese Vorschläge
nicht befriedigend zum Ziel, ganz abgesehen davon, daß die verhältnismäßig dicken
Kunststoffüberzüge einen nicht unerheblichen Teil des für gewöhnlich knappen zur
Verfügung stehenden Raumes beanspruchen. Überdies sind solche verhältnismäßig dicke
Kunststoffüberzüge -als Kunststoffe dafür wurde vorgeschlagen Trifluoräthylen, Superpolyamide
u. dgl. - temperaturempfindlich, soweit es sich um Thermoplaste handelt, und verhältnismäßig
spröde und brüchig, soweit es sich um gehärtete Harze handelt. Der Vorschlag konnte
sich für Uhrteile nicht in die Praxis einführen; als Ersatz der Ölschmierung von
Federn wurde dieses Vorgehen nicht vorgeschlagen.
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Bekannt sind Dispersionen von Fluorchlorkohlenstoffpolymeren mit einer
sehr kleinen Teilchengröße von etwa 0,1 bis etwa 10 Mikron in der Dispersion zur
Herstellung von Überzügen, wobei freilich weder Überzüge von Federn vorgeschlagen
noch die Vermeidung von Reibung als Zweck und Wirkung der Überzüge genannt wird;
die Überzüge waren bestimmt zur Erzielung einer Korrosionsbeständigkeit der überzogenen
Stoffe, guter elektrischer Eigenschaften, wasserabweisender Eigenschaften und Flammbeständigkeit,
wobei die Überzüge von der Dicke von 0,1 bis 5 mils, d. h. mindestens 2,5 Mikron,
durch mehrmaliges Tauchen der zu überziehenden Gegenstände in die Dispersion erzeugt
wurden.
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Mit dem Problem, die Reibung von Federn zu vermindern, ohne Schmierung
mit Öl oder Fett, beschäftigen sich Vorschläge, die ebenfalls nicht Eingang in die
Praxis gefunden habän; z. B. ein Federmotor mit einer zwischen den Windungen der
Spiralfeder angeordneten Zwischenschicht aus nichtmetallenem Stoff; als ein Stoff
wird bei diesem Vorschlag
Papier oder ein glatter Stoff genannt,
der mit einem Schmiermittel, z. B. Graphit, eingerieben sein kann. Daß ein solcher
Vorschlag keinen Eingang in die Praxis gefunden hat, leuchtet ein, da solche auf
eine Seite der Federn aufgeklebten Papierschichten in den meisten Fällen schon wegen
des hohen Platzbedarfs sieh verbieten und in allen Fällen den Nachteil einer raschen
Abreibung aufweisen. Ein anderer bekannter Vorschlag richtet sich auf eine Gleitpunkt-Zugfeder
zum Antrieb von Uhren usw., wobei ein kleiner Abstand zwischen den einzelnen Umgängen
der Zugfeder durch Belegen des Federbandes auf einer Seite mit Auflageblättchen
erreicht werden sollte. Dieser Vorschlag geht von der Schmierung mit C51 und Fett
nicht generell ab, sondern benötigt sie, wobei als Vorteil angegeben wird, daß Öl
oder Fett aus der Feder infolge der vorgesehenen Auflageblättchen nicht herausgepreßt
werden könne. Als Material für die Auflageblättchen ist z. B. Messing genannt. Auch
ein solcher Vorschlag schafft keine Lösung des Problems, ganz abgesehen davon, daß
ein wesentlicher Teil, der Übelstand der Schmierung von Federn mit Öl oder Fett,
bestehenbleibt.
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Die Nachteile werden gemäß der Erfindung unter Erreichung von Vorteilen
vermieden durch eine Feder, insbesondere Triebfeder von Uhren, mit einer zwischen
den Windungen der Feder angeordneten, mit der Feder fest verbundenen Schicht aus
einem schmierfähigen, nichtmetallischen Stoff, wobei Schichten aus einem selbstschmierenden
Kunststoff für die reibenden Teile verwendet werden und die Feder derart ausgebildet
ist, daß auf beiden Seiten der Feder solche Schichten aus dem selbstschmierenden
Kunststoff vorgesehen sind, wobei diese Schichten eine Dicke von Mikron-Größenordnung
aufweisen.
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Als Material für diese Schichten eignen sich insbesondere Polyfluorcarbon-Kunststoffe,
Polyamid-Kunststoffe oder ein benzyliertes Phenolharz als Schichtbildner.
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Die Dicke der Schicht beträgt zweckmäßig etwa 1 Mikron und darunter,
vorzugsweise i/2 Mikron und darunter.
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Durch Tauchen in Kunststoffdispersionen bzw. Emulsionen oder Lösungen
erzeugte Schichten sind mit Vorteil geeignet.
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Oberflächenschichten recht geringer Dicke sind an sich bei Federn
bekannt, jedoch nicht Oberflächenschichten in Mikron-Größenordnung aus Kunststoffen.
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So sind Bimetallfedern vorgeschlagen worden, die aus Stahl bestehen
und metallene Nichteisenaußenschichten, z. B. aus Kupfer, aufweisen. Die Dicke dieser
Außenschichten beträgt z. B. 0,0004 Zoll, wobei Diffusionsschichten zwischen der
äußeren Kupferschicht dem inneren Stahlkern der Feder, der z. B. 0,005 Zoll dick
sein kann, in der Stärke von 0,0001 Zoll vorliegen. Die eigentliche Oberflächenschicht
besitzt also eine Dicke von etwa 10 Mikron; etwa eine solche Dicke einer überzugsschicht
liegt auch dann vor, wenn eine Stahlfeder mit einer dünnen metallischen, praktisch
nicht oxydierbaren Schicht nach einem anderen bekannten Vorschlag versehen wird,
der sich im übrigen nicht mit der Vermeidung des Schmierens mit 01 oder Fett
befaßt.
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Bei dem Vorgehen gemäß der Erfindung wird eine Feder geschaffen, deren
Raumbedarf sehr gering ist und die ein Schmieren mit C51 oder Fett durchaus unnötig
macht, jedoch die Reibung der Federwindungen, d. h. der beiden extrem dünnen: Kunststoffschichten
auf den Federflächen, auf ein Minimum herabsetzt, ohne daß z. B. gegen Ende der
Abwicklung eine ruckweise Entspannung eintritt oder die Temperatur die Reibung beeinflussen
könnte. Insbesondere bei Taschenuhren und Armbanduhren sowie kleinen eingekapselten
Uhrwerken wirkt sich die Raumersparnis vorteilhaft aus. Der Einbau kann ohne Mitverwendung
von Fett oder öl geschehen.
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Die Federüberzüge gemäß der Erfindung sind nicht klebrig und in der
Kälte fest und gleiten leicht aufeinander, so daß Reibungen praktisch kaum auftreten,
jedenfalls nur in einem zulässigen Maße.
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Von Vorteil sind Überzüge der Kunststoffe, die gleitend wirkende Stoffe
von der Art des Molybdänsulfids enthalten.
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Der Anteil an solchen gleitend wirkenden Stoffen in dem Kunststoff
kann z. B. 50 % betragen.
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Das Aufbringen der extrem dünnen KunststoffÜberzüge auf beiden Seiten
der Feder ist an sich beliebig - bevorzugt ist die Aufbringung durch an sich bekanntes
Tauchen.
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Weitere Möglichkeiten der Aufbringung der Überzüge auf der Feder sind
die folgenden: Bei Verwendung von in Wasser und üblichen organischen Lösungsmitteln
unlöslichen Kunstharzen, wie z. B. Polyfluorcarbonen, kann der Kunststoff durch
1. Aufstäuben eines feinkörigen Pulvers und Sintern des trockenen Pulverbelages
unter erhöhten Druck und bei erhöhter Temperatur, 2. Aufreiben des Kunststoffes
auf die zu behandelnde Oberfläche, z. B. durch Trommeln der Feder in Gegenwart eines
Kunstharzpulvers in einer Rolltrommel, und gegebenenfalls Sintern des an den Oberflächen
der Bestandteile haftendbleibenden Materials, 3. Aufwalzen des Kunststoffes und
gegebenenfalls Sintern oder 4. Eintauchen der zu überziehenden Bestandteile in eine
Dispersion des Kunstharzes in Wasser oder einer organischen Flüssigkeit, Trocknen
und gegebenenfalls Sintern des entstehenden Überzuges aufgebracht werden oder auch
durch Aufbringen des Monomeran und Bilden des Polymeren auf der Feder selbst.
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In einer Reihe von Fällen ist das Aufbringen des Kunststoffes in Form
einer Suspension, z. B. das Tauchen, angebracht. Mit Vorteil können die Federn in
Suspensionen von Polytetrafluoräthylen oder anderen Polyfluorcarbonen in Wasser
oder einer organischen Flüssigkeit eingetaucht werden, worauf der nach Entfernen
der überschüssigen Suspension erhaltene Belag getrocknet wird, zweckmäßigerweise
in leicht erwärmter Luft. Gegebenenfalls kann man den trockenen Belag noch unter
erhöhtem Druck sintern.
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Die Polyfluorcarbonkonzentration der beim Tauchverfahren verwendeten
Suspensionen kann z. B. zwischen 0,02 und 1 Gewichtsprozent liegen.
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Die Suspension kann Molybdändisulfid, z. B. in einer Menge von 0,1
bis 2 Gewichtsprozent, enthalten, wodurch die Gleitwirkung des Kunststoffbelags
erhöht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird während des Aufbringens
des Belages die Feder mit Ultraschallschwingungen behandelt. Dies hat sich insbesondere
bei darr Aufbringen eines Überzugs von Polyfluorcarbon auf Triebfedern als vorteilhaft
erwiesen.
Die Federn erhalten bei diesem Vorgehen eine auf der ganzen
Länge besonders gleichmäßige Schicht. Die Schicht haftet besonders ,gut an dem Federmaterial.
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Das folgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung in einer bevorzugten
Ausführungsform: Gereinigte Triebfedern für Uhren aus Federstahl werden in ein Bad
aus einer 0,5gewichtsprozentigen wäßrigen Suspension von Polytetrafluoräthylen,
die 0,1 Gewichtsprozent Molybdändisulfid enthält, eingetaucht. Die die Triebfedern
enthaltende Badflüssigkeit wird mit Ultraschall beschallt. Man läßt die Triebfedern
während 30 Minuten im Bad liegen. Nach Herausnehmen aus dem Bad und Entfernen überschüssiger
Suspensionen werden die Triebfedern unter leichtem Erwärmen getrocknet.
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Die Polytetrafluoräthylenschicht wird dann bei 320 °C und 50 At. Druck
gesintert. Der eine Dicke von weniger als 0,0005 mm aufweisende Polytetrafluoräthylenfilm
haftet außerordentlich fest an der Metalloberfläche der Triebfedern.
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Ähnliche gute Ergebnisse werden erzielt durch Tauchen der Feder in
eine Suspension von Polyamiden in Toluol oder anderen organischen Flüssigkeiten,
in denen der Kunststoff unlöslich ist, oder in Wasser, in einer Konzentration von
0,02 bis 2 Gewichtsprozent, und Trocknen in Luft, vorzugsweise unter leichter Erwärmung,
oder durch Tauchen in eine Suspension von benzyliertem Phenolharz in Wasser in einer
Konzentration von 0,01 bis 1 Gewichtsprozent, Trocknen und anschließendes Erwärmen
zur Härtung der Harzschicht.
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Infolge der geringen Dicke des Belages beansprucht eine derart behandelte
Feder im Federhaus weniger Raum als eine nach der üblichen Methode geschmierte Feder.
Die erfindungsgemäße, der Schmierung nicht bedürftige Triebfeder entspannt sich
gleichmäßig und bis zum Ende des Federablaufs stoßfrei, da die Windungen auch nach
längerem Gebrauch der Feder nicht aneinanderkleben. Die Reibungsverhältnisse sind
günstiger, das abgegebene Kraftmoment ist höher. Die Feder kann somit dünner und
länger gemacht werden, wodurch ein weniger steiler Abfall des Drehmoments bei der
Abwicklung und eine größere Gangreserve der Uhr erhalten wird. Die Feder ist ferner
- dies im Gegensatz zu den bisher bekannten Federn - für ihre gesamte Lebensdauer
wartungsfrei. Das Schmieren der Feder mit Fett oder Öl beim Einbau erübrigt sich,
so daß die Montage der Uhr verbilligt wird.
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Vergleichsmessungen haben ergeben, daß die mit dem Kunststoffbelag
versehene Triebfeder gegenüber den nach der bisher üblichen Methode geschmierten
Federn aus gleichem Werkstoff infolge der günstigeren Reibungsverhältnisse zwischen
den einzelnen Windungen ein um 5 bis 10-% höheres Kraftmoment abgibt. Die erfindungsgemäße
Triebfeder kann deshalb um etwa 5% dünner gemacht werden als die bisherigen Federn.
Durch die Einsparung an Raum im Federhaus ist es möglich, die Feder entsprechend
länger zu machen. Im Dauerversuch zeigte die erfindungsgemäße Feder nach 16 000
Aufzügen noch ein gleich gutes Kraftdiagramm wie im Neuzustand.
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In der Zeichnung stellen die Fig. 1 und 2 Federdiagramme dar.
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Das in Fig. 1 gezeigte Federdiagramm bezieht sich auf eine Triebfeder,
die in der bisher üblichen Art mit Fett geschmiert wurde, während das in Fig.2 dargestellte
Federdiagramm eine erfindungsgemäße Triebfeder aus gleichem Werkstoff mit Polytetrafluoräthylenbelag
betrifft.
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In den beiden Figuren sind mit a Aufzugskurven und mit b die Ablaufkurven
bezeichnet. Aus der Fig.l geht hervor, daß die nach der klassischen Methode gewhmierte
Feder einen großen Reibungsverlust aufweist, was an dem breiten Zwischenraum zwischen
der Kurve a und der Kurve b erkennbar ist. Die am Ende der Kurve b vorhandenen Zacken
weisen .auf eine ungleichmäßige Abwicklung hin. Aus der Fig.2 geht hervor, daß die
erfindungsgemäße Feder einen geringeren Reibungsverlust, somit ein höheres Kraftmoment,
als die Vergleichsfeder und eine gleichmäßige Abwicklung aufweist.