DE1915711C - Spiralfeder fur die Unruh einer Armbanduhr - Google Patents

Description

1 915 71 I

parallel zur Achse der Unruhwelle. Die Ersparnis im senkrechten Raum kann bei elektronischen Kleinuhren von besonderem Vorteil sein, wenn dort zwei Spiralfedern in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind. Ferner wiegt eine Spiralfeder mit rundem Querschnitt im Vergleich zu einer Spiralfeder mit einem rechteckigen Querschnitt von gleicher Kraft und Länge weniger. Die leichtere Feder von rundem Querschnitt hängt weniger durch, wenn die Klv-inuhr in ihrer senkrechten Lage ist. d. h. senkrecht zur Unruhachse. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Zeithaltung infolge eines geringeren Lagefehlers, da weniger schädliche Einflüsse auf die Zeithaltung in der senkrechten Lage vorhanden sind.

Ein Durchsacken, das in der horizontalen Lage der Uhr auftreten könnte, beeinflußt die Zeithaltung der Uhr nicht. Ferner kann die Spiralfeder mit rundem Querschnitt verhältnismäßig weniger durch Streu- magnetfelder und durch Lufidruckänderungen beeinflußt werden. Ferner kann die runde Spiralfeder aus einem verhältnismäßig billigen und rundgezogenen Draht hergestellt werden.

Die nachfolgende Beschreibung enthält im Zusammenhang mit der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1A eine Draufsicht auf eine bekannte Spiralfeder,

F i g. 1B einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fi g. IA,

Fig. 2 A eine Draufsicht auf eine Spiralfeder gemäß der Erfindung,

Fig. 2B einen Querschnitt nach Linie B-B der F i g. 2A und

F i g. 3 eine schaubildliche schematische Ansicht einer elektrischen Uhr mit Spiralfedern gemäß Fig. 2 A und 2 B.

Die übliche und bekannte Spiralfeder der F i g. IA und 1B besteht aus einem Streifen aus Federstahl, dessen Querschnitt rechteckig und gleichmäßig auf der ganzen Länge ist. Die Höhe der Feder entspricht der langen Seite des rechteck-gen Querschnitts parallel zur Achse der Unruhwelle. Die übliche Feder mit konstanter Steigung wird nach der folgenden Formel aufgewickelt:

ρ = A + ΚΘ.

In dieser Gleichung bedeutet:

ρ = Koordinate an einem Punkt der Spiralfeder,

A = Konstante für den Innenradius der Spiralfeder,

K = Konstante entsprechend der Steigung, d. h. die Größe der Wölbung,

0 = Winkelkoordinate.

Wenn eine Unruhwelle eine Nabe aufweist, die es erforderlich macht, daß die Spiralfeder einen bestimmten Radius A hat, so wird die obige Formel vereinfacht zu ρ = KO, einer Gleichung, welche UIe archimedische Kurve darstellt.

Die archimedische Kurve hat eine lange Geschichte, besonders im Mittelalter, da sie beinahe magische Eigenschaften aufweist. Auf einer mehr praktischen Basis wurde die archimedische Kurve als ein relativ einfaches Element zum Messen von vorgewählten Toleranzen betrachtet. Sie ist ferner einfach in ihrer Herstellung.

Der rechteckige Querschnitt wird bei Spiralfedern

verwendet, um der Spiralfeder eine Steifheit gegen das Durchsacken, d. h. eine Ahhiegung parallel /ur Achse der L nruhwelle. zu verleihen. Beim Vergleich mit einer Spiralfeder von rundem Querschnitt er-

fordert jedoch der rechteckige Querschnitt eine größere Querschnittsfiäche. um die gleiche Fetlerkraft zu erreichen. Mit anderen Worten, e:. kann durch eine Spiralfeder mit rundem Querschnitt ui einem bestimmten Raum mehr Kraft er/eugt werden aN

ίο durch eine Feder mit rechteckigem Querschnitt. Bei einer Feder von rechteckigem Querschnitt ist da·* Elastizitätsmomeni (das Riickführdrehmoment)

Ehw* ■
12/

In dieser Gleichung ist

E -- Eiastizitätskoefüzient,

iv = Breite,

Ii = Höhe des Querschnitts.

Eine Feder mit rundem Querschnitt hat ein Elastizitätsmoment

u- ^Enr'· ^x

Al

Hier ist

E = Elastizitätskoeffizient,

r = Radius des Querschnittes.

Wenn nun eine Spiralfeder mit einem runden Querschnitt mit einer Spiralfeder von rechteckigem Querschnitt verglichen unter den folgenden Annahmen verwendet wird, so ergibt sich, daß eine rechteckige Feder mit der gleichen Kraft wie eine runde Spiralfeder eine Querschnittsfläche Ar hat, die mehr als zweimal so groß wie die Querschnittsfläche Ad einer runden Feder ist, d.h. Ar: Ad = 1,00: 0,46. Dabei werden folgende Annahmen gemacht:

1. Es wird das gleiche Material verwendet, so daß E für beide Federn gleich ist;

2. beide Federn werden mit der gleichen Steigung aufgewickelt;

3. der Innenradius A der beiden Federn ist der gleiche;

4. die Länge / der beiden Federn ist gleich;

5. die Elastizitätsmomente beider Federn sind gleich d. h. Md = Mr;

6. das Verhältnis von Breite tr zu Höhe Ii ist beim rechteckigen Querschnitt wie bei üblichen Federn 1.5.

In einem speziellen Beispiel, das die Beziehung Ar: Ad = 1,00:0,46 ergibt, sind die typischen Dimensionen einer rechteckigen Feder, beispielsweise einer Armbanduhr, im üblichen Verhältnis von Breite w: Höhe // = 1:5, wobei die Breite 0,03 mm und die Höhe 0,15 mm ist. Unter der Annahme von Md = Mr ergibt sich:

EIi ii"¹ \
12/

En ^ χ
4/

Da der Elastizitätskoeffizient E, die Winkelkonstante λ und die Länge / als gleich für beide Federn, also die rechteckige und die runde Feder, ange-

nommcn werden, so wird die Gleichung (1) vereinfacht zu:

/ην3 _	,-rr1
12 ~~	4
	/ι»·3
r —	12

Md =

Wenn die Werte tv -- 0,03 mm und /; - 0,15 mm in den Ausdruck (3) eingesetzt werden, so ergibt sich:

0.15 (0.03)· 12

Da Md gleich Mr ist. so folgt hieraus:

nr

Mr oder '^ΤΓ< 33,8· 10 ». (5)
4 4

Heim Auflösen der Gleichung (5) für r ergibt sich

,-< 4(33.8 - 10-) _,

.τ
r - 2,56 · 10-² - 0.0256 mm.

Die Querschnittsfläche der rechteckigen Feder ist Ar wh =-- 0,03 · 0.15 - 0,0045 - 45 · 10-⁴mm^J.
Die Qucrschnittsfläche der runden Feder ist

Ad - π/·¹ = .τ · (0,0256)² - 20,6 · 10-⁴mm².
Das Verhältnis von Ar: Ad ist damit
Ar: Ad ^ 45· 10 *: 20.6· I0⁴

oder
Ar: Ad = 1.00:0.46.

Die regelmäßige archimedische Kurve, d.h. eine Kurve von konstanter Steigung, wird in den üblichen Spiralfedern allgemein benutzt, da der Gedanke weit verbreitet ist, daß sich hierdurch eine gleichmäßige Federkraft ergibt, und weit diese Feder verhältnismäßig leicht aufzuwickeln ist. Eine Feder kann jedoch nach einer vorbestimmten Kurve, d. h. mit veränderlicher Steigung, gemäß der folgenden Formel entsprechend der Erfindung aufgewickelt werden:

η = Λ 4 KO[FW. h. c ...)] Ok ...)).

In dieser Gleichung ist

P - Koordinate an einem Punkt der Spiralfeder. A - Konstante entsprechend dem Innenradius der Spiralfeder,

K Steigung der Spiralfeder, 9 Winkelkoordinate. F - Funktion, A. r ... Konstanten.

Die Funktion F (0. ft, c ... > wird so gewählt, daß eine oder mehrere der Forderungen für eine Spiral· feder erfüllt werden:

die durch theoretische Gleichungen der Chrono· metrie bestimmte Steigung,

das Resultat von experimentellen Prüfungen,
die Kennlinie des Federmaterials,
die Wärmebehandlung der Spiralfeder und des die Feder bildenden Drahtes,

ίο die mechanische Bearbeitung des Drahtes und andere Verfahrensschritte.

Die Funktion G (0, ;, k ...) ergibt die Steigung für die Außenwindung der Spiralfeder. Die Außen-

>s windung wird so ausgewählt, daß sie dem Regulator angepaßt ist und damit der Takt festgelegt wird.

Vorzugsweise haben die inneren Windungen der

Spiralfeder 10 gemäß F i g. 2 eine relativ kleinere Steigung als die äußeren Windungen. Das Zusammenschlagen der Außenwindungen wird dadurch vermieden, daß sie in einem größeren Abstand gehalten werden.

Als Beispiel für eine Spiralfeder gemäß der Erfindung hat die Spiralfeder zwölf vollständige Win-

»5 düngen und ist mit einer Steigung der doppelten Stärke der Spiralfeder an der ersten Windung bis zu einer endgültigen Steigung von drei oder vier oder fünf aufgewickelt, wobei die Steigung kontinuierlich von zwei zu drei oder zu vier oder zu fünf ansteigt.

Diese Art einer Spiralfeder kann im Vergleich zu Spiralfedern mit einer konstanten Steigung eine größere Länge innerhalb eines bestimmten Volumens haben, oder umgekehrt hat eine bestimmte Länge cinci Spiralfeder einen kleineren Außendurchmesser.

Die Spiralfeder gemäß der Erfindung mit einer nicht gleichmäßigen Steigung und einem runden Querschnitt kann in günstiger Weise in einer elektronischen Uhr verwendet werden. In der in F i g. 3 dargestellten elektronischen Uhr ist ein Unruhkörper 20 auf einer Unruhwelle 21 angeordnet. Die Unruhwelle dreht sich frei in Stein- oder anderen Lagern in einer Gestellplatle 22 und einer Brücke 23. Der Unruhkörper 20 trägt eine runde Spule 24 mit zwei Anschlüssen 26 und 26c. Die Spule 24 wirkt mit einer Gruppe von drei Nord-Süd-Nord-Permanentmagneten 25 zusammen, die auf einer Jochplatte 25a befestigt sind. Ferner ist ein Stromkreis 2" über Anschlüsse 30 und 31 mit einer nicht dargestellten Batterie oder einem Akkumulator verbunden. Der Strom-So kreis 27 überträgt Impulse auf die Spule 24 während des Durchgangs durch die Magnetfelder der Permanentmagneten 25. Einzelheiten über den Stromkreis und die Magnetbauart können beispielsweise aus dem USA.-Patent 3 046 460 entnommen werden.

Die Spulenanschlüsse 26 und 26a sind mit den entsprechenden Stromkreisanschlüssen 30 und 31 über Spiralfedern 32 and 33 verbunden. Die Spiralfedern h.iben einen runden Querschnitt und sind mit einer ungleichmäßigen Steigung aufgewickelt. Die eine

Spiralfeder 32 ist mit dem Spulenanschluß 26 verbunden und befindet sich auf der einen Seite des Unruhkörpers. Die andere, auf der anderen Seite des Unruhkörpers befindliche Spiralfeder 33 ist am Spulenanschluß 26a angeschlossen. Die äuße.-n Enden der Spiralfedern sind an Isoliersäulen 34, 35 der

Gestellplatte bzw. der Brücke befestigt. Ihre .".nderen Enden sind an Naben der Unruh welle fest angebracht. Ein auf dem Unruhkörper befestigter AntriebsstKt

36 wirkt mit den Armen eines Gabelhebels 37 zusammen und schwenkt diesen hin und her. Der Gabelhebel 37 ist auf einer Welle 38 schwenkbar gelagert und hat nicht dargestellte Anschlagstifte, die seine Bewegung begrenzen. Mit den Zähnen eines Klinkenrades 40 wirkt ein am entgegengesetzten Ende ■■; ;s Gabelhebels befestigter Stift 39 zusammen, der das Klinkenrad 40 wciterschaltet. Die Bewegung des Klinkenrades 40 wird über eine übliche Räderkette an die Zeiger der Kleinuhr weitergegeben.

Soweit einzelne Teile aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Metall, bestehen, sind noch entsprechende Isolierungen vorgesehen. Diese sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Spiralfeder gemäß der Erfindung ist ebenfalls

zur Verwendung in mechanischen Uhren geeignet, di( durch eine Zugfeder angetrieben sind. Die Zugfedei ist in einem Federhaus angeordnet, das außen Zähne aufweist, und kann über eine Krone mit Hilfe von einem oder mehreren Rädern aufgezogen werden Das Federhaus kämmt mit einer Gruppe von Rädern, um so die Zeiger anzutreiben. Die Freigabe dei Energie der Hauptfeder wird über eine Hemmung gesteuert, die einen Hebel und eine Unruh aufweist

ίο wobei der Hebel schwenkbar ist und einen Jmpuh auf die Unruh ausübt. Die Unruh ist zwischen den: Gestell und einer Brücke schwenkbar angeordnet Ferner ist eine Spiralfeder von rundem Querschnitl ungleichmäßiger Steigung zwischen der Brücke und einer Nabe der Unruhwelle angeschlossen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 behandlung der Spiralfeder wird sorgfältig überwacht. Patentansprüche: Die Spiralfeder wird genauso aufgewickelt, daü die Steigung, d. h. die Krümmung, sich konstant ver-

1. Spiralfeder von vorbestimmtem Außendurch- ändert und der archimedischen Spiralformel folgt, messer und vorbestimmtem Rückführdrehmoment 5 Diese Art der Aufwicklung der Spiralfeder ergibt für die Lnruh einer Armbanduhr, welche Spiral- insofern eine Schwierigkeit, als die äußeren Windunfeder aus einem einen schmalen Rechteckquer- gen so (licht beieinander sein können, daß sie beim schnitt aufweisenden Federdraht gebogen ist und Schwingen des Unruhkörpers, d. h. beim Aufwinden Windungen aufweist, die eine von der Innen- der Spiralfeder, gegeneinanderstoßen. Ein derartiges windung bis zur Außenwindung zunehmende io Aneinanderstoßen ergibt einen Verlust an Genauigkeit. Steigung zum Vermeiden des Aneinanderstoßens Was die Verwendung von Spiralfedern aus Rundder äußeren Windungen hat. gekennzeich- draht anbelangt, so war dies seit sehr langer Zeit net in Abwandlung dieser Spiralfeder durch bekannt, ja es kann gesagt werden, daß ursprünglich einen einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden überhaupt nur Runddraht für Spiralfedern verwendet Federdraht und durch eine solche Anordnung der 15 wurde, da Runddraht leichter genau herzustellen zunehmenden Steigung bei der in Querrichtung und billiger ist. Für ein bestimmtes Rückstelldrehvergrößerten Querschnittsabmessung dieses Feder- moment ergibt sich nun für einen bestimmten Draht- drahies, daß bei gleichem Außendurchmesser und querschnitt ein bestimmter Außendurchmesser, der entsprechen J :m Rückführdrehmoment die äußeren verhältnismäßig groß ist. Da gerade bei Armband-Windungen ausreichend voneinander entfernt sind. 20 uhren wenig Platz vorhanden ist und die Tendenz

2. Spiralfeder nach Anspruch I, dadurch ge- nach kleinen Armbanduhren stets vorhanden war, kennzeichnet, daß die Steigung kontinuierlich so wurde eine Spiralfeder aus Rechteckdraht gezunimmt, schaffen, die zwar teurer als die aus Runddraht ist,

3. Spiralfeder nach einem der Ansprüche 1 jedoch bei gleichem Rückstelldrehmoment einen oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung 25 kleineren Außendi'rchmesser aufweist. Dieser Vorteil um ungefähr 50 bis 150% zunimmt. war so groß, daß die Nachteile dieses Rechteckdrahtes

4. Spiralfeder nach Anspruch 1, dadurch ge- in Kauf genommen wurden.

kennzeichnet, daß die Steigung der Innenwindung Es ist nun bereits bekannt, daß das Aneinander-

der doppelten und die Steigung der Außenwindung stoßen der äußeren Windungen bei Spiralfedern von

der dreifachen, vierfachen oder fünffachen Stärke 30 Rechteckquerschnitt dadurch vermieden werden kann,

des Spiralfederdrahtes --ntsprLht. daß die äußeren Windungen einen größeren Abstand

voneinander haben als die inneren (USA.-Patentschrift 2 209 127).

Bei Bekanntheit dieser Konstruktion war es jedoch

35 für den Fachmann nicht naheliegend, eine ähnliche Bauart mit einer Spiralfeder aus Runddraht zu ver-

Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder für die Unruh suchen, weil er im Hinblick auf die bisherige Erfah-

einer Armbanduhr. rung annehmen mußte, daß dann die Größenverhält-

Ein zeithaltendes Gerät erfordert eine Vorrichtung, nisse auch im Hinblick auf die größere Querabmessung

um einen regelmäßigen Takt zu erzeugen. Bei einer 40 von Runddraht ungünstiger werden, d. h. daß dann

Standuhr kann für diesen Takt ein schwingendes der Außendurchmesser für ein bestimmtes Rückführ-

Pendel verwendet werden. Bei kleineren Uhren, ins- drehmoment so groß wird, daß der Platz in einer

besondere tragbaren Uhren, wie Taschenuhren und Armbanduhr nicht mehr vorhanden ist oder, was noch

Armbanduhren, ist seit vielen Jahren eine sogenannte ungünstiger wäre, die Abmessungen der Armbanduhr

Unruh für diesen Zweck vorgesehen. Der Unruh- 45 vergrößert werden müßten. Gerade die Tatsache, daß

körper ist auf einer Unruhwellc befestigt, die in La- Spiralfedern aus Runddraht eine uralte Bauart dar-

gern, wie beispielsweise Steinlagern, sich frei drehen stellen und ihre Vor- und Nachteile jedem Uhrmacher

kann. Der Unruhkörper schwingt mittels einer Spiral- bekannt waren, zeigt die Richtigkeit des obenerwähn-

feder und einer Impulsvorrichtung hin und her. Die ten Verhaltens der Fachwelt.

Spiralfeder ist üblicherweise in einer Anzahl von 50 Der Erfindung liegt daher die für den Fachmann Windungen aufgewickelt und aus einem Federstahl nicht naheliegende Aufgabe zugrunde, eine Rundgebildet, der einen rechteckigen Querschnitt hat. drahtspiralfeder mit einem vorbestimmten Rückstell-Mechanische Kleinuhren verwenden eine einzige drehmoment und einem vorbestimmten Außendurch-Spiralfeder. Bei elektrischen Uhren ist es ebenfalls messer zu schaffen, wobei beide Werte einer Spiralbekannt, eine einzige Spiralfeder zu benutzen, die 55 feder mit Rechteckquerschnitt entsprechen, um bei den elektrischen Strom einer Spule zuführt, wenn dieser Spiralfeder das Zusammenschlagen der äußeren diese Spule auf der Unruh angeordnet iät. Windungen zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gemäß Die Spiralfeder ist bei einer Kleinuhr maßgebend der Erfindung dadurch gelöst, daß die zunehmende für die richtige Zeithaltung. Wenn sich die Federkraft Steigung bei der in Querrichtung vergrößerten Querder Spiralfeder ändert, beispielsweise infolge von 60 schnittsabmessung dieses Federdrahtes so angeordnet Temperaturänderungen, einer längeren Benutzung wird, daß bei gleichem Außendurchmesser und ent- oder durch den Einfluß von Magnetismus, so leidet sprechendem Rückführdrehmoment die äußeren Windarunter die Genauigkeit der Uhr. düngen ausreichend auseinander sind.

Die übliche, für Kleinuhren verwendete, einen Die Spiralfeder wird also mit ihren Windungen

rechteckigen Querschnitt aufweisende Spiralfeder ist 65 dem Inneren zu dichter gewickelt als außen, so daß

als Ergebnis einer Forschung über eine Zeitdauer ein Zusammenprallen der äußeren Windungen ver-

von vielen Jahren aus teueren Stahllegierungen hoher hindert wird. Der runde Querschnitt der Spiralfeder

Qualität hergestellt. Die Reinigung und die Wärme- erfordert einen geringen senkrechten Raum, d. h.