CN101144505A - 具有塑料外圈的关节轴承及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节轴承的外圈，具有一个内置的滑动层和一个外置的承载层，其中，滑动层和承载层由卷绕的纤维复合材料构成。外圈的特征在于仅一个分界缝。本发明此外还涉及一种具有这种外圈的关节轴承及其制造方法，其中，依次将人造树脂浸渍纤维制成的一个滑动层和一个承载层卷绕在一个卷绕心轴上并在硬化后由这样产生的卷绕体形成外圈。滑动层和承载层依据本发明卷绕在一个圆柱体的卷绕心轴上，外圈具有仅一个打开其的分界缝且在其内侧上的滑动层材料的形状被磨蚀，以得到部分球面的轮廓用于容纳互补的内圈。

Description

具有塑料外圈的关节轴承及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种关节轴承的外圈或这种关节轴承，其中，外圈具有一个内置的滑动层和一个外置的承载层以及其中滑动层和承载层由卷绕的纤维复合材料构成。本发明此外还涉及一种用于制造这种外圈的方法，其中，依次将人造树脂浸渍纤维制成的一个滑动层和一个承载层卷绕在一个卷绕心轴上并在硬化后由这样产生的卷绕体形成外圈。

背景技术

这种方法例如由DE 42 20 327有所公开。在那里所公开的用于制造关节轴承的方法中，使用一个由交替设置用于形成外圈的罐形内部造型的造型圈和用于形成端侧面的分界圈组成的卷绕芯。作为滑动层材料提出卷绕在卷绕芯上的人造树脂浸渍的PTFE和/或高强度纤维。在这样形成的卷绕体硬化后并在将外圆周材料去除后，可以将外圈和分界圈单个从轴上取下。造型圈在这种方法中在从轴上取下后保留在外圈内并形成轴承的内圈。缺点是由于制造原因造成轴承间隙不能调整和外圈紧紧环绕造型圈或内圈。这种轴承易于快速磨损。

广泛公知的其他方法有，外圈和内圈分开制造并事后相互连接。在这种情况下始终面临的问题是，应该按照何种方式将外圈和内圈拼合在一起。DE 84 00 958 U1例如提出，径向关节轴承的外圈这样构成，使其在端面上具有轴向定向的弹性连接片，其在将轴承装入外壳孔内时变形，从而一部分外圈利用预张力紧贴在此前装入支承在里面的球面轴颈上。在这种情况下也存在的缺点是，轴承间隙按照这种方式只能不精确地进行调整。此外，轴承的承重能力由于圆周上单独的弹性连接片不能有限优化。

WO 89/02542公开了由两个相互压制和/或焊接的板罐组成的外圈，在其之间夹入内圈。在这种情况下，外圈的板罐与内圈之间包括的空腔随后利用塑料填充。与DE 42 20 327相类似，在这里也不能调整轴承间隙。制造过程此外复杂且加工精度不高。

DE 20 2004 013251U1和DE 10 2004 041 084 A1为解决该问题提出一种由两个圈组成的外圈。第二个圈依据DE 20 2004 013 251 U1端面借助焊接或者钎焊连接造型合理地相互连接。作为外圈的材料提出或者金属或者陶瓷。在DE 10 2004 041 084 A1中，分体外圈的圈借助卷绕的环绕外层径向和轴向定位。作为环绕外层的材料其中提出一种纤维复合材料。

DE 295 12 317 U1公开了一种由DE 42 20 327所公开方法的进一步构成。在这里卷绕芯如下进一步构成，即分界圈各具有两个轴向定向的相对凸起部。该凸起部形成向成型外圈导入槽的造型，其这样确定尺寸，使造型圈可以在转动下从硬化的外圈取出并随后插入本身的内圈。虽然按照这种方式可以单个独特整轴承间隙，但这种方法的缺点是，因导入槽减少了外圈的负荷横截面。此外，这些槽形成与转动方向横向分布的棱边，会使润滑油膜断裂并因此轴承润滑不够。最后这里增加了污染的危险。

DE 20 2005 005 829涉及塑料压力注塑的轴承外壳或者轴承体，其中轴承体或轴承外壳同样作为各自对应转动件的造型使用。由此与DE42 20 327的情况中相似产生的缺点是，在这种方法中不能调整轴承间隙。

DE 35 24 761 A1通过提出在一个位置上爆破外圈而采用另一种途径，在外圈的内表面上利用作为注模的模具圈注塑滑动轴承。为去除模具圈并为随后装入内圈，外圈在分界缝上分开并因此弯曲。

上述所有方法的缺点要么是制造的轴承没有足够的精度并因此特性达不到要求，要么是制造方法大多需要多个连续的过程步骤和加工不同的材料，这样使制造过程冗长和昂贵并限制了轴承的耐用性。

发明内容

本发明的目的在于克服所述的缺点。

该目的通过一种按权利要求1所述的外圈、一种按权利要求10所述的关节轴承并通过一种按权利要求13所述的方法得以实现。

依据本发明具有的打开外圈的分界缝与公知的现有技术不同，不是用于去除模具或者造型圈，而是仅用于组装，也就是用于事后装入内圈。与具有注塑滑动层的公知外圈相比，依据本发明外圈的滑动层具有一个加强件并提高了与承载层的附着结合，这样共同提高轴承的稳定性。依据本发明利用卷绕纤维复合材料的弹性和加工产生的材料张力。因此可以确定，通过卷绕技术制造的轴承圈具有切向上作用足够大的固有张力，其用于自动重新闭合分界缝。

在依据本发明的方法中，滑动层和承载层因此可以简单方式卷绕在一个圆柱体的卷绕心轴上。这一点由此进行，即滑动层或者由单长丝或者单纤维、成束的长丝或者纤维或者由预加工的织物或者针织物(预浸渍体)卷绕或环绕卷绕心轴放置。这样产生的圆截面管形卷绕体在塑料基质硬化后被去除。由此例如通过锯开单个圆柱体的外圈具有仅一个打开其的分界缝，其根据卷绕圈材料的固有张力闭合。分界缝最好分布在轴向上和特别优选分布在一个包括圈圆柱体轴线的平面上，从而弹力与两个端面的剖面垂直并不会导致敞开圈端的相对移动。在一种可选择的实施方式中，分界缝以锯齿形或者不规则分布。

圈的横截面在分界缝具有最终切割宽度的情况下闭合后，虽然不再是理想的圆形，但这并不是缺点，因为它依据本发明至少在内侧上再加工。在那里将滑动层材料从圈上磨蚀，从而滑动层获得用于容纳具有所要求尺寸的球缺形表面内圈的部分球面的内部轮廓。按照这种方式同样调整所需的轴承间隙。通过闭合的分界缝和精确的再加工，确保滑动面在整个圆周上获得最大的承重截面。

一般情况下，外圈在其外侧上也进行再加工。这一点取决于圈圆周与分界缝切割宽度的比例。

外圈的滑动层作为加强件最好具有含聚酯丝和加入PTFE颗粒的塑料长丝。依据本发明的方法以相应方式进一步构成。

如果滑动层间接或者直接由含聚酯丝和加入PTFE颗粒的塑料长丝卷绕-间接或者直接在上述意义上是指滑动层或者由单塑料长丝、成束的塑料长丝或者由塑料长丝构成的针织物或者织物卷绕-那么与公知的纤维复合材料相比明显提高可再加工性。

作为固体润滑材料自润滑的滑动层虽然公知使用PTFE(聚四氟乙烯)或者石墨，但这些物质或者以颗粒状与塑料基质混合或者在PTFE的情况下以丝的方式与其他塑料丝共同捻成滑动层的塑料长丝。作为长丝塑料此外公知大多使用聚酯。在此方面典型地将两个聚酯丝和一个PTFE丝相互捻成一个长丝。

然而尚没有取得对所有应用均令人满意的摩擦和机械特性。PTFE即由于碳和氟原子很强的分子间结合造成反应非常迟缓并具有非常小的表面张力。塑料基质与PTFE因此不进行或者仅进行不明显的化学反应。特别是在使用两个聚酯丝和一个PTFE丝的塑料长丝情况下确定，PTFE丝与塑料基质只能达到非常小的附着结合。这一点的后果是，公知的滑动层只能很难或者根本不能进行机械再加工，因为PTFE丝经常从复合纤维中脱落。大多数情况下后果是滑动层脱层、滑动层的摩擦特性和耐磨性变差。

这一问题通过依据本发明含有聚酯丝和加入其中，特别是织入PTFE颗粒的塑料长丝基础上的滑动层得以解决。这种长丝与公知的加捻纤维相比对此的优点是长丝或纤维的单个成分含量，特别是其PTFE的含量具有更大的可变性。因此在制造塑料长丝时其特性就可以非常精确地改变。出于PTFE颗粒与PTFE丝相反不能连接，也就是通过随机设置和固定在聚酯丝内部的PTFE颗粒的原因，塑料长丝起毛现象更高并在塑料长丝与塑料基质之间达到更好的附着结合。最后PTFE颗粒与塑料长丝的结合首先通过造型连接加强其机械稳定性。

滑动层因此可以进行良好的机械加工，也就是车削加工。在滑动层上使用含有PTFE颗粒的塑料长丝因此特别适用于依据本发明的外圈，其中事后才磨蚀卷绕体内侧上的滑动层材料。除了更好的可加工性外，通过提高PTFE颗粒的结合还提高了摩擦值，特别是在深度磨损方面。

与作为塑料基质上的固体润滑材料含有PTFE颗粒的公知滑动层相比，依据本发明的滑动层也是具有优点的。作为塑料基质上的固体润滑材料，PTFE还具有降低强度的作用，由此对高负荷下和潮湿环境中的摩擦特性产生不利影响并与塑料基质上的PTFE通过不同的材料密度大多数情况下不均匀分布相反，颗粒的分布通过整个滑动面所见非常均匀，因为颗粒与通过滑动层的整个厚度延伸的纤维/长丝固定结合。由于提高了均匀性并提供了机械结合，最终也提高了摩擦特性。这一点既适用于干摩擦也适合于在潮湿环境中使用。

事实证明具有优点的是，塑料长丝中PTFE颗粒的重量百分比在2Gew.-％和60 Gew.-％之间，且塑料长丝中聚酯丝的重量百分比在40Gew.-％和98 Gew.-％之间。在PTFE颗粒的比例更高时，颗粒与纤维的结合变差且滑动层的负荷能力下降。特别优选塑料长丝内PTFE颗粒的重量百分比在2Gew.-％和40Gew.-％之间，聚酯丝的重量百分比在60Gew.-％和98Gew.-％之间；且非常特别优选PTFE颗粒的重量百分比在30Gew.-％和36Gew.-％之间，而塑料长丝中聚酯丝的重量百分比在64Gew.-％和70Gew.-％之间。在该成分范围内，滑动层的耐用性和摩擦特性的比例对大多数情况下可以考虑的滑动副来说均可以最佳调整。

在这种重量关系上，塑料长丝与塑料基质之间的附着足够高，从而取得良好的可加工性。另一方面，PTFE颗粒的比例高得足以取得良好的滑动特性。

正如此前已经补充说明的那样，纤维复合材料的加强件可以具有由塑料长丝产生的织物或者针织物构成的结构或者典型地通过卷绕在一个卷绕芯上的单长丝或者多个平行或者成束的长丝产生的精整卷绕结构。

在这种情况下，依据本发明所使用的塑料长丝的优点是特别良好的承重。由于其起毛性，它非常适用于以卷绕方法制造滑动层，在这种方法中，长丝首先被导过含有人造树脂的浸渍槽并与此同时由人造树脂足够地完全浸透。该卷绕方法提供的优点是，由此可以产生根据滑动件或滑动层有目的的应用确定的卷绕结构。这样纤维可以尽可能地符合要求，也就是说，力和张力分布相应地在纤维复合材料内定位。

滑动层优选具有人造树脂和特别优选环氧树脂的塑料基质。

为某些用途一作为对织入塑料长丝内的PTFE颗粒的附加-优选为塑料基质添加PTFE颗粒。塑料基质中PTFE颗粒的比例在此方面最高为40Gew-％。

作为选择塑料基质可以含有石墨颗粒。塑料基质中石墨颗粒的重量百分比优选在1Gew-％和40Gew-％之间。

此外，塑料基质既可以添加PTFE颗粒，也可以添加石墨颗粒，其总重量百分比最好不超过40Gew-％。

如滑动层那样，承载层也由卷绕的纤维复合材料构成。承载层纤维加强的塑料具有优点地由具有作为加强件玻璃纤维的塑料基质组成，其中，塑料基质优选由人造树脂，特别优选同样由环氧树脂组成。

正如适用于滑动层的塑料基质那样，环氧树脂作为塑料基质由于突出的附着特性、机械和动态特性也适用于承载层。环氧树脂此外根据其分子结构具有非常好的耐潮湿性和比较低的膨胀倾向。由于在滑动层和承载层上使用相同的塑料基质，为此提高了滑动层与承载层之间的结合力。承载层的加强件优选也具有由玻璃纤维产生的环绕卷绕芯卷绕的织物或者针织物结构，或者在另一种优选的实施方式中具有通过玻璃纤维或玻璃纤维束卷绕在卷绕心轴上产生的卷绕结构。

如果滑动层和承载层以卷绕方法依次放置在卷绕心轴上，那么这样可以提高制造轴承复合材料的效率。

特别优选分界缝利用径向向内变细的横截面楔形构成。

在这种情况下，产生分界缝的切口这样选择，使两个端面剖面在分界缝闭合后整面彼此紧贴。分界缝切口的楔角因此必须相当于通过外圈构成的圆的角部分。

分界缝可以借助成型铣刀、锯条或者诸如此类的工具或者借助水枪切割或者激光切割而产生。由于工件的内部张力很大，水枪切割在方法技术上优选使用。此外在这种方法中不出现恰恰是在复合材料上导致工具使用时间过短的工具磨损。这样产生的分界缝都具有“末端切割宽度”。此外，可以公知的方式通过断裂分离或者所谓的“破裂”，产生分界缝而不损害圈的切割宽度并因此不损害圈的圆形形状。

附图说明

下面借助附图的实施例对本发明的其他目的、特征和优点进行说明。其中：

图1示出在依据本发明的滑动层上使用的塑料长丝横截面；

图2a、b示出依据本发明的关节轴承的透视图，为进行说明以部分剖面图和完整的视图示出；

图3a、b示出依据本发明的向心滑动轴承在干摩擦的不同负荷下摩擦系数的两个曲线图；

图4a、b示出依据本发明的向心滑动轴承在润滑运行的不同负荷下摩擦系数的两个曲线图；以及

图5示出依据本发明的关节轴承的剖面图。

具体实施方式

图1以放大剖面图示出依据本发明作为加强件用于外圈滑动层的塑料长丝10。该塑料长丝由沿长丝定向的聚酯丝12构成并包括作为第二组成部分的PTFE颗粒14，该PTFE颗粒在随机设置下织入聚酯丝12内。在制造过程中，存在改变长丝特性的大量可能性。例如，每个长丝10的聚酯丝12的数量根据使用情况可以变化。但在此方面应考虑与所结合的PTFE颗粒14足够的造型连接。

聚酯丝12与PTFE颗粒14之间的重量比例同样可以改变。但特别优选在考虑到附着、摩擦和滑动特性的情况下证明有益的是，塑料长丝内PTFE颗粒14的重量百分比在30Gew-％和36Gew-％之间且聚酯丝12的重量百分比在64Gew-％和70Gew-％之间。

依据图1塑料长丝10的纤度具有100dtex和600dtex之间，特别是400dtex和550dtex之间的优选值(1dtex＝1g/1000 m)。

通过这种参数达到PTFE颗粒14与聚酯丝12足够牢固结合的目的，这种聚酯丝既有益于耐磨强度，对进行加工也具有足够的强度。因此滑动层在其例如通过铣削槽或者通过钻孔进行再加工的情况下也能保持其良好的摩擦特性。

PTFE颗粒14此外在长丝长度上并因此在加强件的全部纺织、针织或者卷绕的结构上均匀分布。长丝10由于形成大量通道的部分松散连接而可以出色地浸润并因此良好加工。基质伸入通道深处的网状连接有助于提高附着结合。

整体上看塑料长丝10与成品滑动层同样起毛或者纤维状。这种感官上的粗糙度源于随机定向的PTFE颗粒14并由于其滑动特性与提高的摩擦系数无关。依据本发明的滑动层整体上在不同的使用中即使长时间持续负荷性能仍然良好，正如结合图3和4的曲线图可看到的那样。

图2a、2b和5以不同视图示出依据本发明的关节轴承20。该轴承由一个围住，也就是造型合理且不可松开地环绕内圈24的外圈22组成。外圈22在其内侧上具有一个滑动层26并在其外侧上具有一个承载层28。

两个层26、28依次以卷绕方法放置在一个卷绕心轴上，由此形成一种典型的卷绕结构。卷绕对于旋转对称的滑动件来说是一种特别简单和低成本的制造方法。两个层的结构可以单独按照简单方式与轴承的机械要求相配合。除了单个放置长丝的简单交叉结构外，也可以成束分组卷绕，由此可以快速卷绕相应的层。滑动层和承载层也可以不同的方法制造。

滑动层26和承载层28上使用不同的加强件，即图1所示承载层28上的塑料长丝或玻璃纤维，而两个层上的塑料基质优选相同，即使用环氧树脂。环氧树脂由于其突出的附着和机械特性而非常适用。但例如也可以选择使用不饱和的聚酯树脂或者乙烯树脂。

对承载层28除了所述的玻璃纤维外，例如还可以考虑碳素纤维作为加强件。长丝可以首先预加工成织物、针织物或者其他布。

滑动层26的塑料基质在许多应用情况下添加例如像石墨颗粒或者PTFE颗粒这样的固体润滑材料。而承载层28相反一般情况下则具有不添加附加成分的塑料基质。

滑动层26在其对着内部的面上具有球面的表面形状，其与由内圈24形成的球缺互补。这种表面形状在成品卷绕体硬化、一个圈分离和该圈沿分界缝30通过钻孔或者车削分离后产生。在此方面，根据此前介绍的依据本发明作为加强件使用的长丝的特性取得非常高的精确度并在此方面对滑动层的摩擦特性没有不利影响。特别是按照这种方式可以非常精确地调整所要求的轴承间隙。滑动层26由于这种形状而在顶端区域27内比承载层28径向更薄地构成。因此，在卷绕时就必须考虑到关节轴承20的几何形状并形成一个足够厚的滑动层26。

内圈24此后装入成品外圈22内，其中，后者在分界缝30的区域内分开。分开可以通过压入内圈24进行或者通过上拉外圈22进行支持。外圈此后根据其固有张力弹性合拢并将内圈不可松开地固定。分界缝30闭合。

内圈24如常规那样轴向具有大于外圈22的长度，从而它在两个圈同轴定向的情况下从其两侧对称凸出。内圈24同样如常规那样具有一个用于容纳轴承轴的贯通孔32。

图3a、b示出依据本发明的向心滑动轴承套与支承在其中的钢轴之间在干摩擦试验中测定的摩擦系数状况。在这种情况下，粗糙度R_a＝0.4-0.8的轴以45°角和0.01 m/s的圆周速度往复旋转。与此同时产生的径向单位负荷在上部测量曲线的情况下为25 MPa(图3a)。在下部测量曲线(图3b)的情况下在其他方面条件相同时产生50 MPa的径向单位负荷。

结果表明，在约2000转的短启动阶段后达到最小摩擦系数，该摩擦系数在较高负荷的情况下在60000转的整个检测时间上基本恒定在0.05。在负荷较低的情况下，摩擦系数在达到最小值后首先从约0.06缓慢上升，但在约15000转的持续时间后达到约0.1的饱和。在较低负荷情况下，略有增加的摩擦系数与摩损率一致。该摩损率在25 MPa时处于5.1μm/km(滑动距离)的值。而它在50 MPa的较高负荷情况下达到10.7μm/km的值。通过与较小负荷17.5μm相比在较大负荷35μm时整体提高磨损，释放出使摩擦值下降的更多的固体润滑材料。因此首先在较高负荷情况下，也可以确定承受压力的滑动轴承面本质上仍然平滑。

图4a和4b示出支承在向心滑动轴承套内的轴在湿摩擦条件下，也就是在水中的摩擦系数的状况。试验条件其他方面与上述相同。在这种情况下也表明，摩擦系数在图4b下部曲线所示的50 MPa较高负荷情况下低于图4a上部曲线所示的25 MPa较低负荷情况。摩擦系数在与25 MPa干摩擦相比略微延长的启动阶段后，大致达到相同数值0.1。在50 MPa时，测定与干摩擦相比略有增加的中间值0.06。在这里可以确定，与50 MPa时的27.2μm/km或70μm相比，25 MPa时的较低摩损率8.1μm/km以及因此在约47000转的整个检测持续时间上摩损降低到21.25μm。首先在较高负荷情况下，也可以确定承受压力的滑动轴承面本质上仍然平滑。

但在两种负荷情况下，没有看到滑动层本质上的分离。摩擦值明显低于公知的塑料滑动件。

如果作为由纤维复合材料及含有PTFE颗粒制成的纤维外圈的滑动副选择由钢制成或者至少具有钢表面的内圈，优选表面硬度>120HB和特别优选表面硬度>180 HB的钢内圈，那么上述结果和结论可以转移到依据本发明的关节轴承上。作为选择也可以考虑由依据本发明的纤维复合材料与由陶瓷或者金属陶瓷材料制成的内圈配对。

附图标记

10 塑料长丝

12 聚酯丝

14 PTFE颗粒

20 关节轴承

22 外圈

24  内圈

26 滑动层

28 承载层

30 分界缝

32 孔

Claims (16)

1.关节轴承的外圈，具有一个内置的滑动层和一个外置的承载层，其中，滑动层和承载层由卷绕的纤维合成材料构成，其特征在于仅一个打开外圈的分界缝。

2.按权利要求1所述的外圈，其中，滑动层包括塑料长丝作为加强件，其具有聚酯丝和加入PTFE颗粒。

3.按权利要求2所述的外圈，其中，PTFE颗粒织入聚酯丝内。

4.按权利要求2或3所述的外圈，其中，塑料长丝内PTFE颗粒的比例在2Gew.-％和60Gew.-％之间且聚酯丝的比例在40Gew.-％和98Gew.-％之间。

5.按权利要求4所述的外圈，其中，塑料长丝内PTFE颗粒的比例在30Gew.-％和36Gew.-％之间且聚酯丝的比例在64Gew.-％和70Gew.-％之间。

6.按前述权利要求之一所述的外圈，其中，滑动层具有由人造树脂构成的塑料基质。

7.按权利要求6所述的外圈，其中，塑料基质由环氧树脂组成。

8.按权利要求6或7所述的外圈，其中，塑料基质包括PTFE颗粒。

9.按前述权利要求之一所述的外圈，其中，分界缝利用径向向内变细的横截面楔形构成。

10.关节轴承，具有按前述权利要求之一所述的一个外圈和一个内圈。

11.按权利要求10所述的关节轴承，其特征在于，内圈具有表面硬度大于120HB的钢表面。

12.按权利要求11所述的关节轴承，其中，内圈具有表面硬度大于180HB的钢表面。

13.用于制造关节轴承外圈的方法，其中，依次将由人造树脂浸渍纤维构成的一个滑动层和一个承载层卷绕在一个卷绕心轴上并在硬化后在这样产生的卷绕体上形成外圈，其特征在于，滑动层和承载层卷绕在一个圆柱形卷绕心轴上，外圈具有仅一个将其敞开的分界缝，且在其内侧面上的滑动层材料的形状被磨蚀，以得到部分球面的轮廓用于容纳互补的内圈。

14.按权利要求13所述的方法，其中，滑动层间接或者直接由含有聚酯丝并含有加入的PTFE颗粒的塑料长丝卷绕。

15.按权利要求13或14所述的方法，其中，分界缝利用径向向内变细的楔形横截面产生。

16.按权利要求13-15之一所述的方法，其中，分界缝借助水枪切割产生。

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