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Feder, insbesondere Triebfeder von Uhren, und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung und eine Weiterbildung einer Feder, insbesondere
einer Triebfeder für Uhren, vorzugsweise Kleinuhren, nach dem Hauptpatent
1143 152.
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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 immer 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 verloren geht.
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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 aneinander zu reibenden 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 dicken
Kunststoffüberzüge - als Kunststoff 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 überzöge genannt wird;
die überzöge waren bestimmt zur Erzielung einer Korrosionsbeständigkeit der überzogenen
Stoffe, guter elektrischer Eigenschaften, wasserabweisender Eigenschaften und Flammbeständigkeit,
wobei die überzöge von der Dicke von 0,1 bis 5 mils, d. h. mindestens 2,5 Mikron,
durch mehrmaliges Tauchen der zu überziehenden Gegenstände in die Disperson 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 haben; z. B. ein Federmotor
mit einer zwischen
den Windungen der Spiralfeder angeordneten Zwischenschicht aus nicht metallenem
Stoff; als ein solcher 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 sich verbieten und in allen Fällen den Nachteil
einer raschen Abreibung aufweisen. Ein anderer bekannter Vorschlag richtet sich
auf eine Gleitpunktzugfeder 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 Öl 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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Diese Nachteile werden gemäß dem Hauptpatent vermieden durch die Verwendung
von Schichten aus einem selbstschmierenden Kunststoff für die reibenden Teile, jedoch
derart ausgebildet, daß auf beiden Seiten der Feder solche Schichten aus selbstschmierenden
Kunststoffen in einer Dicke von Mikrongröße aufgebracht sind. Die Weiterbildung
gemäß der Zusatzerfindung besteht in der Verwendung nichtklebriger Schichten aus
selbstschmierenden Polysiloxan-Harzen (Silikonen), Harnstofformaldehyd-Kondensationsprodukten,
modifizierten oder nichtmodifizierten Phenolaldehyd-Harzen, Polyäthylen-Kunststoffen,
Polyvinylehlorid-Kunststoffen, Melamin-Harzen, Phenoplasten, Aminoplasten, Furanharzen,
Polyestern, Polyurethan, Äthoxylinharzen (Silikonen), Polyäthylen, Polyisobutylen,
Polystyrol, Polyvinylcarbazol, Gümaronharzen, Indenharzen, Terpenharzen, Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenchlorid, Polychlorfluorcarbonen, Polyvinyläther, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol,
Polyvinylformal, Polyvinylazetal, Polyvinylbutyral, Polyarylnitril, Palyacrylester,
Polymethacrylester, Aldehydharzen, Ketonharzen, Butadienpolymerisaten, Isoprenpolymerisaten,
Chloropren-Polymerisaten, organischen Polysulfiden, Zellulosen, Zelluloseestern,
Zelluloseäthern, Kasein-Kunststoffen, halogenierten Paraffinen, Halogennaphthalin
und ähnlichen Stoffen 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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Der Kunststoffüberzug soll aus einem Polymerisationsprodukt, einem
Kondensationsprodukt oder einem Polykondensationsprodukt bestehen, soweit diese
Produkte in der Kälte feste Überzüge mit nichtklebrigen Eigenschaften ergeben.
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Unter Umständen ist es angebracht, auf der Federoberfläche zunächst
eine Zwischenschicht eines klebenden Kunststoffes anzubringen, was dann zu empfehlen
ist, wenn der Kunststoff des Überzuges nicht fest genug an der Federoberfläche haftet.
Die Dicke der Schicht beträgt zweckmäßig etwa 1 Mikron und darunter, vorzugsweise
Mikron und darunter.
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Durch Tauchen in Kunststoff-Dispersionen 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 Difusionsschichten zwischen der
äußeren Kupferschicht und 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 Öl 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 Öl 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. 5011/o 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 z. B. in eine Lösung des Kunststoffes, z. B. eine alkoholische Lösung eines
Phenolformaldehyd-Resols, Verdampfen des Lösungsmittels und Härten des Harzes, z.
B. bis zum Resitolzustand.
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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 kann der Kunststoff durch: 1. Aufstäuben eines feinkörnigen
Pulvers, z. B. eines thermoplastischen Kunststoffes, und Sintern des trockenen Pulverbelages
bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls unter erhöhtem Druck; Z. 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 haftenbleibenden Materials;
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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 Monomeren und Bilden des Polymeren
auf der Feder selbst.
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5. Auch ein Aufsprühen einer Emulsion oder einer Lösung des Kunstharzes
und Brechen der Emulsion und Verdampfen des Emulsionsmittels bzw. Verdampfen des
Lösungsmittels ist mitunter angebracht.
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Bei Überzügen aus polymeren Kunststoffen kann auch das Monomere oder
das Gemisch von Monomeren auf die Federoberfläche aufgebracht werden und die Polymerisation
auf der Oberfläche durchgeführt werden.
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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 der Kunststoffe 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 Kunststoffkonzentration 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; vorzugsweise wird die
Feder in ein Bad eingetaucht, auf das vor und während des Eintauchens Ultraschall
einwirkt. 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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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 Windung ein um 5 bis 10% höheres Kraftmoment abgibt. Die erfindungsgemäße
Triebfeder kann deshalb um etwa 511/o 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. In der beiliegenden
Zeichnung stellen die F i g. 1 und 2 Federdiagramme dar.
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Das in F i g. 1 gezeigte Federdiagramm bezieht sich auf eine Triebfeder,
die in der bisher üblichen Art mit Fett geschmiert wurde, während das in F i g.
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 F i g. 1 geht hervor, daß die nach der klassischen Methode geschmierte
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 F i g.
2 geht hervor, daß die erfindungsgemäße Feder einen geringeren Reibungsverlust,
somit ein höheres Kraftmoment, als die Vergleichsfeder und eine gleichmäßige Abwicklung
aufweist.