CN100564913C - 烧结滑动轴承及其制造方法和实施该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个用于马达和传动装置上、具有一个圆的轴承孔(14)的烧结滑动轴承(5)，在该烧结滑动轴承(5)中，轴承孔(14)具有分布在圆周上交替的高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域(9)和低度压缩的、孔隙开放的区域(10)，其中，高度压缩区域和低度压缩区域(9，10)的轴承孔直径至少大致相同，以及制造该烧结滑动轴承(5)的方法和装置。

Description

烧结滑动轴承及其制造方法和实施该方法的装置
技术领域
本发明涉及一种用于马达和传动装置上的烧结滑动轴承。
背景技术
烧结滑动轴承在马达和传动装置上被广泛使用，其中，所述轴承制造成本低、使用简单。传统烧结滑动轴承的使用范围界限是被最大径向负荷给定的，其中该径向负荷取决于轴承的其他参数，譬如烧结材料、滑动速度、润滑剂、工作温度等。同烧结滑动轴承相反，通常在较高径向负荷和滑动速度时可以使用实心滑动轴承(Massivgleitlager)，因为在轴和轴承之间形成的润滑层在较高的负荷下也可以将摩擦副分开。在烧结滑动轴承中，这只有在一定条件下才会发生，因为润滑剂在相应高的压力下被压到烧结材料的孔隙中。这样，就会发生轴承和轴之间的固体接触、摩擦的增大、磨损的增大、最终导致烧结滑动轴承失效。
现有技术中公开了如按DE 19937567所述的一种烧结滑动轴承。该烧结滑动轴承具有一个具有分布在圆周上交替的高度压缩的、小孔的工作面和轴向伸展的低度压缩的、孔隙开放的润滑剂储存处的轴承孔，其中该润滑剂储存处由具有至少两个纵向沟槽的沟槽结构构成。这种烧结滑动轴承的缺点如下：在一定的工作状态下，会产生相对较强的噪声，而且由于在工作中在沟槽上的油层可能被刮掉，由此无法保证对轴承缝隙的润滑剂供给。
按DE 19947462所述的烧结滑动轴承也是这样，在该文献中，沟槽以一个尖角朝向轴承孔的中心轴线。DE10107485中也公开了一个具有上述缺点的烧结滑动轴承。
在按现有技术所述的相应的烧结滑动轴承中，工作面在工作中具有一种所谓的流体动力润滑，其中，基于所产生的压力在轴和轴承之间产生一种分离的润滑剂层。但在孔隙开放部分的区域，润滑剂层被压到烧结材料的开放的孔隙中，以致于轴在这些区域会运转在一种所谓的混合摩擦状态下。在这种运转状态下，譬如轴承的摩擦和磨损都会比在流体动力运转状态下大。
发明内容
本发明的任务是，利用烧结滑动轴承获得近似于实心轴承的优点(小摩擦系数、高承载能力、高滑动速度)，同时保持烧结滑动轴承的优点(使用寿命、通过存储于烧结材料中的润滑剂的润滑)。
根据本发明，这项任务通过一个用于马达和传动装置的具有一个圆轴承孔的烧结滑动轴承来解决。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于马达和传动装置的、具有一个圆形轴承孔的烧结滑动轴承。在该烧结滑动轴承中，轴承孔具有在圆周上交替分布的高度压缩的、孔隙封闭的区域和低度压缩的、孔隙开放的区域。其中，高度压缩区域和低度压缩区域的轴承孔直径相同，并且密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域和低度压缩区域之间是连续变化的。
根据本发明的第二方面，提供了一种用来制造上述烧结滑动轴承的方法。其中，将粉末加入到一个模具中，通过压制来制造具有一个在周向上为近似正弦形轮廓的轴承孔的一个毛坯件，对该毛坯件进行烧结，然后将轴承孔的近似正弦形轮廓通过校准形成一个圆形。其中，密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域和低度压缩区域之间是连续变化的。
根据本发明的第三方面，提供了一种用来制造上述烧结滑动轴承的方法。其中，将粉末加入到一个模具中，通过压制来制造具有一个在周向上为近似正弦形轮廓的轴承孔的一个毛坯件，其中在轴承的沿宽度方向上的每个半部上压制一个正弦形轮廓，该正弦形轮廓与另一个半部上的另一个正弦形轮廓错开一个角度，对该毛坯件进行烧结，然后将轴承孔的正弦形轮廓通过校准形成一个圆形。其中，密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域和低度压缩区域之间是连续变化的。
根据本发明的第四方面，提供了一种用来实施根据本发明的第二方面所述的方法的装置，其设有一个压制模具。该压制模具由一个母体和一个具有外成形轮廓的成形芯棒组成，该成形芯棒对应有轮廓相同的一个上冲头和一个下冲头。其中，成形芯棒和上、下冲头的轮廓是在周向上的一个正弦形轮廓。
根据本发明的第五方面，提供了一种用来实施根据本发明的第三方面所述的方法的装置，其设有一个压制模具，该压制模具由一个母体和一个具有外成形轮廓的上部成形芯棒和一个具有外成形轮廓的下部成形芯棒组成，这两个成形芯棒对应有轮廓相同的上冲头和下冲头。其中，所述上部、下部成形芯棒和上、下冲头是在周向上的正弦形轮廓，并且上部成形芯棒和上冲头相对于下部成形芯棒和下冲头转过一个角度。
在这种烧结滑动轴承中，轴承孔具有分布在圆周上交替的高度压缩、至少大致孔隙封闭的区域和低度压缩的、孔隙开放的区域，其中，高度压缩区域和低度压缩区域的轴承孔直径至少大致相同。高度压缩的区域作为在轴承孔支承的轴或轴线的滚动面。在高度压缩区域内，粉末微粒之间的孔隙是几乎或者完全封闭的，使得在至少高于传统的烧结滑动轴承的径向负荷和滑动速度时，按本发明所述的烧结滑动轴承可以类似于实心轴承使用，因为在高压力的情况下，在高度压缩区域中润滑剂不会被压到烧结材料的孔隙中。同按现有技术所述的烧结滑动轴承不同的是，在较低的转速的情况下就达到了流体动力润滑。这样，在低转速情况下就可以使用根据本发明的烧结滑动轴承，而被公知的烧结滑动轴承在低转速情况下还处于混合摩擦状态，这样就会产生较高的磨损。由此就避免了轴承与轴之间的固体接触，该固体接触会导致摩擦增大、磨损增大，最后会导致轴承失效。此外，与按现有技术所述的烧结滑动轴承不同的是，可以使用较低粘稠度的油类，因为油在高度压缩区域中不能进入几乎封闭的孔隙。这样，尤其可以提高烧结滑动轴承对于冷启动的适用性，因为在零下40度左右的低温，使用高粘稠度的油类的情况下，标准混合滑动轴承(Standardsintergleitlager)不能保证良好的工作。尽管使用低粘稠度的油类，还是可以获得足够的承载能力。现有的低度压缩或未压缩区域具有已公开的烧结滑动轴承的优点，即润滑剂可以进入孔隙，使得低度压缩区域也可以起到润滑剂储存处的作用。这样就可以实现通过在烧结材料中储存的润滑剂进行长期润滑。有关高度和低度压缩的滚动面的不均匀性不影响对轴承缝隙的润滑剂供应，最主要的是这种不均匀性对轴承的负荷方向的中性没有影响。根据本发明，高度压缩区域和低度压缩区域的轴承孔直径至少大致相同，这可以理解为未设现有技术公开的呈沟槽或槽形的润滑剂储存处。高度压缩区域和低度压缩区域的轴承孔直径之间的可能的差别是由制造的不准确性产生的，并且属于通常的圆度误差范围。轴承孔直径几乎近似相同，从而，润滑层由于直径的连续变化不会像在根据现有技术的烧结滑动轴承上可能发生的在一个梯级上中断。
在本发明有利的方案中，高度压缩区域和低度压缩区域的轴承孔直径是相同的。本发明的一个如此的方案具有如下优点，即低度压缩区域和高度压缩区域之间没有梯级，使得滚动面和润滑剂储存处之间的梯级及边缘上的润滑剂层不会被刮去。这样就提高了轴承的工作可靠性和使用寿命。
在本发明尤为有利的方案中，密度在轴承孔圆周上在高度压缩区域和低度压缩区域之间是至少近似连续变化的。在低度压缩区域，密度至少近似相当于轴承的基体密度。在最大密度区域，几乎所有的孔隙都被封闭，使得在孔表面达到材料的几乎饱和密度。从孔出发向外，密度又下降，直到该密度在零点几毫米之后再次达到轴承的基体密度值。根据本发明的烧结滑动轴承具有在轴承孔区域中在高度压缩区域和低度压缩区域之间压缩程度的连续变化，其中，压缩程度的变化取决于孔轮廓的类型和材料挤压行程
Figure C20048000781500071
的范围。最重要的是，高度压缩区域和低度压缩区域之间无压缩程度的跳跃式变化，而由现有技术公开的烧结滑动轴承有跳跃式变化。
在本发明的另一个有利的方案中，烧结滑动轴承具有至少两个高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域。尤其有利的是，安排数量，使得产生一个对所有负荷方向都足够的烧结滑动轴承的功能。根据本发明的烧结滑动轴承具有如下优点，即整个烧结滑动轴承起到润滑剂储存处的作用，因为油存储在孔隙中，并且可以在低度压缩区域流出。
在本发明的有利的方案中，孔至少在轴承宽度的一部分上具有高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域和/或低度压缩的、孔隙开放的区域。高度压缩区域和低度压缩区域可以从一个轴承边延展到对置的轴承边或者只是在轴承宽度的一部分上。高度压缩区域的宽度和它们彼此之间的距离是可以变化的。距离和宽度在一个轴承中也不是保持不变的，而可以譬如统计式地变化。
在本发明的尤为有利的方案中，孔至少在一半轴承宽度上具有高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域和/或低度压缩的、孔隙开放的区域。在轴向方向上、而不仅仅在周向上压缩程度的变化是有利的，因为通过孔圆周上不均一的压缩程度产生具有不同承载能力的区域，即在强烈压缩区域具有高承载能力，在低度压缩区域具有低一些的承受能力。这样就避免了烧结轴承的工作能力对承载方向的依赖。考虑到所谓的棱转子
Figure C20048000781500072
，尤为有利的是，如果压缩区域的数量是奇数，以使得在轴承边非同轴置入的轴不仅仅只是位于低度压缩区域上。通过奇数数量的压缩区域，轴承的噪声性能要比在具有偶数数量的压缩区域时要好，这也得到了证明。
在本发明的另一有利的方案中，高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域和低度压缩的、孔隙开放的区域被相对错开地设置。
在本发明的尤为有利的方案中，每个高度压缩的、至少大致孔隙封闭的区域都轴向对置地对应了一个低度压缩的、孔隙开放的区域。在轴向错开的压缩区域中，在该压缩区域中，一个高度压缩区域位于一个低度压缩区域的对面，一个在轴承内的轴总是位于一个高度压缩区域上。
该任务通过一种制造烧结滑动轴承的方法也得到解决，其中，粉末被加入到一个模具中，具有一个带有在周向上近似正弦形轮廓的孔的毛坯件通过压制被制造，该毛坯件被烧结，然后将孔的近似正弦形轮廓通过校准形成一个圆的孔几何形状。其中，有利的是，在校准过程中不发生材料向低度压缩区域的挤压。在此，低度压缩区域的密度相当于轴承的基体密度，譬如对于铁轴承是6.0克/立方厘米。最大的材料挤压行程发生在密度最高区域，其中其目的是将所有孔隙封闭。这样，在孔表面上就可以达到材料的几乎饱和密度。从孔出发向外，密度又减小，直到在零点几毫米后又达到轴承的基体密度。在按本发明所述的一个具有8毫米孔直径的烧结滑动轴承中，在校准过程中，材料挤压行程发生在径向上大约100至300微米。该值还可以与材料或孔直径相匹配。通过按本发明所述的方法，可以制造一种在轴承孔区域中压缩程度连续变化的烧结滑动轴承，其中，压缩程度的变化和强度取决于孔轮廓的类型和材料挤压行程的范围。
按本发明所述的成形芯棒被制成在周向具有正弦性轮廓，按本发明所述的上冲头和下冲头具有相同的轮廓。这样就得到毛坯件的在周向上变化的孔几何形状。其中，正弦形轮廓在最深处具有一个底圆(最小轴承孔直径)，在最高处具有一个顶圆(最大轴承孔直径)。正弦形轮廓的底圆和顶圆直径的差别为在校准时材料的挤压行程。校准芯棒的直径在烧结中尺寸的变化上与毛坯件的孔轮廓的顶圆匹配。这样在孔里的直径比顶圆直径小的区域被压缩，底圆区域不发生或发生程度很小的压缩。在最高压缩程度处，几乎所有孔隙都被封闭了。
在本发明的尤为有利的方案中，粉末被加入到一个模具中，具有一个带有在周向上近似正弦形轮廓的孔的毛坯件通过压制产生，其中，在轴承的每个半部上压制一个以一定角度与另一个正弦形轮廓错开的正弦形轮廓，毛坯件被烧结，然后将孔的近似正弦形轮廓通过校准形成一个圆的孔几何形状。
在本发明的尤为有利的方案中，粉末在低度压缩区域被压缩至近似烧结滑动轴承的基体密度，在高度压缩区域被压缩至近似轴承材料的密度。这样就可以使低度压缩区域的孔隙保持敞开，使得润滑剂可以被存储。将轴承用润滑剂浸渍可以譬如在真空中进行。
在本发明的另一个有利的方案中，粉末在径向上被压缩100至300微米。这样就可以使高度压缩区域的孔隙至少近似完全封闭。
本任务也通过一个用来制造烧结滑动轴承、实施按本发明所述的方法的装置得到解决，其中，设置了一个压制模具，该压制模具由一个母体和一个具有在外成形轮廓的芯棒组成，该成形芯棒对应有轮廓相同的上冲头和下冲头，其中，芯棒和冲头的轮廓是在周向上的正弦形轮廓。
在本发明的尤为有利的方案中，设置了一个压制模具，该压制模具由一个母体和一个具有外成形轮廓的上部和下部的成形芯棒组成，这两个成形芯棒对应轮廓相同的上冲头和下冲头，其中，轮廓是在周向上的正弦形轮廓，上部成形芯棒和上冲头相对于下部成形芯棒和下冲头绕转一定角度。
附图说明
利用实施例的示意附图对本发明加以描述。附图表示：
图1：按现有技术的烧结滑动轴承
图2：烧结后按本发明所述的烧结滑动轴承的轴承孔
图3：校准后按本发明所述的烧结滑动轴承的轴承孔
图4：对无轴向变化的具有不同压缩程度区域的轴承孔展开图
图5：对具有叠置轴向变化的具有不同压缩程度区域的轴承孔展开图
图6：对具有非叠置轴向变化的具有不同压缩程度区域的轴承孔展开图
图7：处于填充状态的按本发明所述的压制装置的截面图
图8：处于退出状态的按本发明所述的压制装置的截面图
具体实施方式
图1显示了一个按现有技术，如DE 199 37 567、DE 199 47 462和DE101 07 485所述的烧结滑动轴承1，其中，在高度压缩区域2和低度压缩区域3之间存在一个具有梯级4的过渡，其中，该梯级具有如下缺点：在工作中梯级4上的油层可被刮去，从而就无法保证给轴承缝隙提供润滑剂。
图2显示了烧结后按本发明所述的烧结滑动轴承5的轴承孔14。在成形过程中形成轴承孔14的正弦形轮廓6，该轮廓在最深处具有一个底圆7(最小的轴承孔直径)，在最高处具有一个顶圆8(最大的轴承孔直径)。正弦形轮廓6的底圆7和顶圆8的直径差值是在校准时材料的挤压行程。在烧结时尺寸变化上校准芯棒的直径适应于毛坯件孔轮廓的顶圆8。这样，在孔中直径比顶圆直径8小的区域被压缩，而在底圆7区域中不发生压缩，或者发生压缩的程度很小。在压缩程度最高处，几乎所有的孔隙都被封闭。
图3显示校准后按本发明所述的烧结滑动轴承的轴承孔，其中，按图2所示的轴承孔14的正弦形轮廓6通过校准被改变成一个圆的轴承孔14。
图4显示本发明的具有不同压缩程度区域9和10的轴承孔14展开图，其中，画阴影线的区域表示压缩程度较高的区域10。压缩程度低的区域11未画阴影线。具有不同压缩程度的区域从上部的轴承边缘12延伸到下部的轴承边缘13。
图5显示根据本发明的具有不同压缩程度区域9和10的轴承孔14展开图，其中，从轴承宽度b的一半开始，压缩区域被相对转任一角度。这样就可以保证，一个位于轴承5中的未被展示的轴在一个轴承半部上总是可以位于一个高度压缩区域9上。
图6显示本发明的具有不同压缩程度区域9和10的轴承孔14展开图，其中同附图5相反，高度压缩区域或低度压缩区域9，10在轴向方向上不再叠置。具有较高压缩程度的区域9的宽度和这些区域彼此之间的间距可以是变化的。在轴承5中，这些间距和宽度也不必保持不变，而是可以譬如统计式地改变。低度压缩区域10的最小宽度由制造技术的界限给定。当区域的数量被提高，孔直径被缩小时，使在校准时在较低密度区域更多的材料被移动。在极端情况下，这会导致孔隙封闭。这样会产生如下结果，即必须选择最小宽度，使得在所希望的低度压缩区域10中，孔不会被封闭，以保持作为润滑剂存储处的功能。譬如在孔直径为8毫米时，在周向上最高压缩度的两点之间的距离不应该小于3.5毫米。
由于在校准过程中在低度压缩区域应当不发生材料挤压行程，在低度压缩区域10中的密度相当于轴承5的基体密度，譬如对于一个铁轴承来说为6.0克/立方厘米。
最大材料挤压行程发生在最大密度区域10，其中，目标为使所有孔隙都被封闭。这样，在孔表面可以达到所使用材料的几乎饱和密度。从孔出发向内密度又减小，直到该密度在经过了零点几毫米之后又达到了轴承的基体密度。譬如在孔直径为8毫米时，在校准过程中在径向方向上发生的材料挤压行程为100至300微米。
附图7显示处于填充状态的按本发明所述的压制装置15的截面图。该压制装置15具有一个带硬质合金衬套17的母体16。此外，还设有下冲头18和上冲头19，其中下冲头18具有一个孔23，上冲头19具有一个具有正弦形轮廓的孔20。一个成形芯棒21对应下冲头18和上冲头19。该成形芯棒具有一个相同的正弦形轮廓。在填充状态下，粉末被填充到成形室22中，该成形室由硬质合金衬套17，下冲头18和成形芯棒21组成。在上冲头19和/或下冲头18上施加压制力，使得粉末被压缩成一个毛坯件。由于成形芯棒21、上冲头18和下冲头19的正弦形轮廓，该毛坯件具有一个具有相应的正弦形轮廓6的轴承孔14。
图8显示按本发明所述的压制装置15在推出压成的毛坯件的截面图，该毛坯件具有一个按图2所示的轴承孔14。在推出时，上冲头19被从母体中拉出，毛坯件借助下冲头18被推出。毛坯件接着被烧结，其中，如果必要接着将产生的毛刺去除。
在制造这种毛坯件时，会产生一个在周向上的具有一个正弦形轮廓6的孔几何形状，这个在周向上的具有一个正弦形轮廓6的孔几何形状可以使得在没有被描述的烧结过程之后通过校准过程产生一个具有不同压缩程度区域9和10的轴承孔14的圆的孔几何形状，该过程是通过使用一个圆的校准芯棒对具有正弦形轮廓6的轴承孔14进行校准，使得在烧结滑动轴承5中产生一个按图3所示的圆的轴承孔14来实现的。高度压缩区域9的压缩程度可以通过对成形模具，譬如上冲头19和成形芯棒21的尺寸设计来调整。通过两个相对错开的成形芯棒21和冲头19实现孔的按图5或图6所示的烧结滑动轴承5的轴承孔14的压缩程度的轴向变化。
根据本发明，毛坯件通过使用一个压制模具被压制，其中，成形芯棒21和成形冲头18和19具有一个在周向上的正弦形轮廓6的几何形状。如果轴承孔14中的压缩程度在轴向方向上也要变化，就要使用两个相对错开的成形芯棒21和冲头18和19。为了产生小容差，使用一个圆的校准芯棒校准具有在周向上的正弦形轮廓6的轴承孔14，这样，可以产生轴承孔14的平整的工作面和部分高度压缩的区域9。接着，在真空条件下轴承5被用润滑剂浸渍。
按本发明所述的烧结滑动轴承5可以用于同现有技术所公开的烧结滑动轴承相同的使用目的。这种烧结滑动轴承尤其可以使用在各种电机上，其中，可以使用低粘度的油类，这样可以提高在马达“冷启动”时的性能。按本发明所述的烧结滑动轴承在较低转速时就处于流体动力区域，通过一个至少近似圆的轴承孔避免刮去位于润滑剂储存处边缘的润滑层。

Claims (10)

1.用于马达和传动装置的、具有一个圆形轴承孔(14)的烧结滑动轴承(5)，在该烧结滑动轴承中，轴承孔(14)具有在圆周上交替分布的高度压缩的、孔隙封闭的区域(9)和低度压缩的、孔隙开放的区域(10)，其中，高度压缩区域(9)和低度压缩区域(10)的轴承孔直径相同，并且密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域(9)和低度压缩区域(10)之间是连续变化的。
2.按权利要求1所述的烧结滑动轴承(5)，
其特征是，
烧结滑动轴承(5)具有最少两个高度压缩的、孔隙封闭的区域(9)。
3.按权利要求1所述的烧结滑动轴承(5)，
其特征是，
轴承孔(14)至少在一半轴承宽度(b)上具有高度压缩的、孔隙封闭的区域(9)和低度压缩的、孔隙开放的区域(10)。
4.按权利要求3所述的烧结滑动轴承(5)，
其特征是，
在一个轴承半宽区域内的高度压缩的、孔隙封闭的区域(9)和低度压缩的、孔隙开放的区域(10)分别相对于在另一个轴承半宽区域内的高度压缩的、孔隙封闭的区域和低度压缩的、孔隙开放的区域错开。
5.按权利要求3所述的烧结滑动轴承(5)，
其特征是，
每个高度压缩的、孔隙封闭的区域(9)都轴向对置地对应有一个低度压缩的、孔隙开放的区域(10)。
6.用来制造按权利要求1所述的烧结滑动轴承(5)的方法，
其特征是，
将粉末加入到一个模具中，通过压制来制造具有一个在周向上为近似正弦形轮廓的轴承孔的一个毛坯件，对该毛坯件进行烧结，然后将轴承孔的近似正弦形轮廓通过校准形成一个圆形，其中，密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域(9)和低度压缩区域(10)之间是连续变化的。
7.用来制造按权利要求1所述的烧结滑动轴承(5)的方法，
其特征是，
将粉末加入到一个模具中，通过压制来制造具有一个在周向上为近似正弦形轮廓的轴承孔的一个毛坯件，其中在轴承的沿宽度方向上的每个半部上压制一个正弦形轮廓，该正弦形轮廓与另一个半部上的另一个正弦形轮廓错开一个角度，对该毛坯件进行烧结，然后将轴承孔的正弦形轮廓通过校准形成一个圆形，其中，密度在轴承孔圆周上的高度压缩区域(9)和低度压缩区域(10)之间是连续变化的。
8.按权利要求7所述的方法，
其特征是，
粉末在径向上被压缩100至300微米。
9.用来实施按权利要求6所述的方法的装置，其特征是，设有一个压制模具，该压制模具由一个母体和一个具有外成形轮廓的成形芯棒(21)组成，该成形芯棒对应有轮廓相同的一个上冲头(19)和一个下冲头(18)，其中，成形芯棒(21)和上、下冲头的轮廓是在周向上的一个正弦形轮廓。
10.用来实施按权利要求7或8所述的方法的装置，其特征是，设有一个压制模具，该压制模具由一个母体(16)和一个具有外成形轮廓的上部成形芯棒和一个具有外成形轮廓的下部成形芯棒组成，这两个成形芯棒对应有轮廓相同的上冲头(19)和下冲头(18)，其中，所述上部、下部成形芯棒和上、下冲头的轮廓是在周向上的正弦形轮廓，并且上部成形芯棒和上冲头相对于下部成形芯棒和下冲头转过一个角度。
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