CN102105704A - 高温轴承组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种高温轴承组件及制造该高温轴承组件的方法。高温轴承组件大体上包括设置在承窝中的回转装置、以及设置在承窝与回转装置之间的座圈，其中座圈由高温塑料制成。

Description

高温轴承组件及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年7月25日提交的美国临时申请No.61/083834的权益，该临时申请的公开在此明确结合作为参考。
背景技术
先前设计用于车用发动机的杆端轴承主要结合直销和U形钩(对准的)枢轴接头。这些枢轴接头具有多个缺点、包括粘合、过度磨损、和侵蚀斑。在许多现代的发动机在高温下需要较紧公差和较好响应的情况下，需要新的枢轴接头设计。
已有多种解决上述问题的失败尝试。例如，已设计具有不理想的失准(或者轴承中更多的自由运动)的杆端轴承，以试图避免粘合。此外，已研制高温涂层和/或润滑剂的多种变体，以帮助提高耐蚀性和耐磨性。这些涂层或润滑剂在提高润滑性并防侵蚀的同时，不具有经得住苛刻的发动机环境、极端振动、或高的排气温度条件所需的寿命或耐磨性。另外，尝试利用高温专用合金钢，但通过专用合金钢形成表面的涂层同样具有相同的问题：在高温时对振动磨损几乎没有或没有抗耐性。先前较高温度塑料的使用同样是失败的，因为该材料太脆或者不能够形成为该高温轴承座圈所需的形状。
因此，存在对新的高温杆端轴承的需求，其具有对高温、振动、寿命周期和腐蚀的抗耐性。
发明内容
提供该发明内容，以简化方式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。该发明内容不用于识别要求保护的主题的关键特征，也不用于用作在确定要求保护的主题的范围方面给予帮助。
根据本发明的一个实施例，提供一种高温轴承组件。该轴承组件大体上包括限定承窝的壳体部分、设置在承窝中的回转装置、以及设置在承窝与回转装置之间的座圈，其中，座圈由高温塑料制成。
根据本发明的另一实施例，提供一种高温轴承组件。该轴承组件大体上包括限定承窝的壳体部分、设置在承窝中的回转装置、以及设置在承窝与回转装置之间的座圈。座圈由高温塑料形成，并且座圈包括间隙，使得当将回转装置卷曲(crimp)在承窝中时，该座圈退让。
根据本发明的另一实施例，提供一种高温轴承组件。该轴承组件大体上包括设置在承窝中的回转装置、以及设置在承窝与回转装置之间的座圈，其中，座圈由高温塑料制成。
根据本发明的另一实施例，提供一种制造高温轴承组件的方法。该方法大体上包括：由高温塑料形成座圈，其中，座圈形成为大致的C形；以及围绕回转装置压缩座圈，以形成回转组件。该方法还包括：将回转组件插入承窝，使得座圈位于承窝与回转装置之间；以及将回转组件卷曲在承窝中。
附图说明
当结合附图理解时，本发明的前述方面及许多附带的优点随着它们参考以下的详细说明变得更好理解而变得更加容易被意识，其中：
图1是根据本发明的一个实施例形成的高温轴承组件的透视图；
图2是图1的高温轴承组件的分解透视图；
图3是图1的高温轴承组件的主视图；
图4A是在未卷曲构造中通过图3中的平面4-4的图1的高温轴承组件的剖视侧视图；
图4B是在卷曲构造中通过图3中的平面4-4的图1的高温轴承组件的剖视侧视图；以及
图5是根据本发明的另一实施例形成的高温轴承组件的剖视侧视图。
具体实施方式
参考图1-4B可以最好地理解根据本发明的一个实施例构成的高温轴承组件。轴承组件20包括具有头部24和从该头部24延伸的轴26的壳体部分22。轴承组件20还包括回转装置28和与该回转装置28成包围关系的座圈30，其中回转装置28与座圈30限定轴承32。轴承32设置在头部24中。使用中，轴承32构造成在头部24中回转并允许轴承32相对于头部24的枢转运动。如以下更详细描述地，座圈30设计成在苛刻的发动机环境、极端振动、和/或高温条件下改善轴承组件20的寿命和耐磨性。
根据本发明实施例的轴承组件20的改善的特性改善轴承组件20的诸如高温和振动允限和寿命周期磨损的能力。这样的高质量的轴承可用于定位高灵敏度的电子控制传感器和液压或气动的促动系统。在这点上，该定位通过最小的否则被描述成降低控制系统中的灵敏度或准确度的空动获得。在过去，许多控制仅被需要打开或关闭阀或放气孔；然而，现在更加注重排放标准和运行效率，因而需要准确的轴承定位。如以下更详细描述的，通过允许控制将输出置于其预期对准的位置并因而贯穿系统的寿命满足各种发动机控制系统的效率需求，在此描述的轴承组件20帮助获得准确的定位。
在图1-4B的图示实施例中，轴承组件20是壳体部分22为杆端的杆端轴承组件。尽管图示成杆端轴承组件20，但应理解，在本发明的范围内还包括其它类型的轴承、这些轴承包括但不局限于球面轴承、板轴承(例如见图5)、及其它机械铰接接头。在这点上，其它合适的壳体包括但不局限于扁材和板、压扁杆和贯穿杆、箍等等。这样的接头使用在控制杆、转向拉杆、系杆的端部、或需要精确铰接接头的任何位置。
在图示的实施例中，以允许轴承32在头部24中的枢转运动的方式可以将轴承32压入并卷曲到头部24中。由于回转运动，轴承组件20在两个部件(未示出)之间提供枢轴接头。在这点上，第一部件将连接至回转装置28，第二部件将连接至壳体部分22的端柄。
如上所述，壳体部分22包括头部24和从该头部24延伸的轴26。头部24包括用于接纳轴承32的承窝40。在这点上，承窝40具有延伸穿过承窝40的内孔40，其中内孔42具有内壁44和第一与第二端46、48。承窝40构造成保持轴承32，但允许轴承32相对于头部24的枢转运动。如以下参考图4A和4B更详细描述的，承窝40的第一端46包括冠部62，该冠部开始于延伸位置(见图4A)并卷曲到退回位置中(见图4B)。当卷曲到退回位置中时，冠部62将回转装置28和座圈30保持在承窝40中。
如图4B最清楚看到的，承窝40的内壁44构造成滚道，该滚道用于以对轴承组件20的应用具有合适阻力的方式接纳和保持回转装置28和座圈30。在图示的实施例中，内壁44设计成具有沿延伸穿过内孔42的中心轴线具有变化的圆形直径的圆形横截面直径。在这点上，内壁44具有凹的圆形凹陷，并构造成当处于卷曲位置中时在第一与第二端46、48处具有比在滚道中间小的直径。同样地，内壁44沿内周边限定凹陷50，以接纳并保持球面的或部分球面的回转装置28和座圈30。
壳体部分22的轴26从头部24延伸，并可以是凸形(未示出)或具有接纳部分52(见图4A和4B)的凹形的螺纹轴。轴26例如可以通过在该轴26的接纳部分52内接纳螺纹紧固件(未示出)而连接至第二部件(未示出)。在示例性车用发动机应用中，第二部件可以是可连接至杠杆的另一轴承，以促动涡轮叶片位置。
如上所述，回转装置28可以是球面的球形转环或部分球面的球形转环。在这点上，回转装置28构造成在承窝40内以具有合适的阻力的方式回转。回转装置28可包括开口60，螺栓或其它附接硬件(未示出)可穿过该开口60，以将回转装置28连接至第一部件(未示出)。在示例性车用发动机应用中，第一部件可以是电子控制的促动器。
仍然参考图4B，座圈30设置在承窝40与回转装置28之间。座圈30在承窝40与回转装置28之间提供衬垫，以便润滑和防止承窝40与回转装置28的磨损。座圈30合适地形成为与承窝40的内壁44互相配合，以便当回转装置28运动时，在座圈30与承窝40之间提供合适的阻力。在这点上，座圈30具有中心腔54和内壁与外壁56、58。和滚道一样，座圈30具有沿延伸穿过中心腔的中心轴线具有变化的圆形直径的圆形横截面直径。内壁44包括凹的圆形凹陷，以接纳并保持球面或部分球面的回转装置28。外壁58突出，以便与承窝40的内壁44中的凹陷50互相配合。
根据本发明的实施例，座圈30设计成在苛刻的发动机环境、极端振动、和/或高的排气温度条件下是牢固的。在一个实施例中，座圈30由高温塑料制成。在另一实施例中，座圈30可具有至少达到大约450华氏度的耐高温性。在另一实施例中，座圈30可具有至少达到大约550华氏度的耐高温性。在另一实施例中，座圈30可具有至少达到大约650华氏度的耐高温性。在另一实施例中，座圈30可具有至少达到大约750华氏度的耐高温性。在另一实施例中，座圈例如在寿命周期测试期间、在大约10磅的低负载的作用下随时间不会从其初始形状和尺寸改变超过5％。
座圈30合适地由具有少许延展性的高温塑料制成，该座圈30例如可通过注射成型或直接压缩模制成合适的设计而形成。一种合适的高温塑料是热塑性聚合物。合适的高温高性能塑料的非限制性示例是
Figure BDA0000045093200000051
PEEKTM聚醚酮醚热塑性塑料(PEEK)。例如可通过注射成型将塑料模制成座圈的预期形状，随后可将塑料与回转装置28一起插入承窝40并卷曲就位(见图4B)。PEEK提供至少达到大约450华氏度的耐高温性。另一合适的座圈材料可以是聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。PEKEKK提供至少达到大约550华氏度的耐高温性。
另一合适的座圈材料是聚酰亚胺塑料。合适的高温聚酰亚胺塑料的非限制性示例是DUPONTTM
Figure BDA0000045093200000052
聚酰亚胺基聚合物。在本发明的范围内还包括聚酰亚胺塑料的其它等级和品牌。聚酰亚胺具有达到大约650华氏度的耐高温性，在偏移下可达到大约750华氏度的范围。然而，这样的聚酰亚胺材料必须在高压下通过直接压缩模制而不是注射成型形成，并且在形成之后可能需要辅助机械加工。
根据本发明的实施例，需要座圈30在达到并包括大约700华氏度的温度下保持其沿轴向方向和径向方向的强度。在优选实施例中，座圈的热挠曲温度至少大约与系统的设计最高运行温度相同，在该系统中，取决于应用需求，轴承组件20例如将在至少大约450华氏度、至少大约550华氏度、至少大约650华氏度、至少大约750华氏度等温度下运行。除强度之外，需要座圈耐振动和寿命周期磨损。在优选实施例中，座圈具有与其初始自由运动极限相比小于5％的变化。
如以下在示例1和2中更详细描述的，发明人已发现，陶瓷、包括高温涂层的金属对金属、和具有低的玻璃相变或热挠曲温度的塑料的高温和寿命周期性能不如在此描述的塑料材料表现得好。通常，发明人已发现，低的玻璃相变或热挠曲温度的塑料在高温下变形，陶瓷在高负载下断裂，而金属对金属在寿命周期测试下磨损，以影响轴承组件的关键特性(扭矩和自由运动)。此外，金属对金属轴承具有在极端条件下侵蚀和粘合的趋势。
如在图示的实施例中最清楚看到的，座圈30例如在C形设计中可形成有间隙64，以帮助容纳座圈材料的延展性以及各种装配方法中的差异(见图3)。在C形设计中，座圈30在横截面形状上为大致圆形的同时沿其圆弧具有间隙64。当在回转装置28与承窝40之间压缩座圈30以装配在头部24中时，间隙64允许座圈30在不损坏座圈30、承窝40、或回转装置28的情况下退让。C形座圈设计的退让性给予理想的握持和球与座圈的一致性。该一致性增大座圈30的磨损面，因而通过座圈30在轴承组件20内允许较大的振动吸收和负载分配。尽管以C形设计的图示实施例示出，但应理解，完整的圆形座圈同样在本发明的范围内。
C形设计中间隙64的尺寸取决于多个因素、包括但不局限于轴承组件20的特定应用、头部24、回转装置28、或座圈30的材料预期的膨胀或扩张等。在一个非限制性示例中，间隙64可具有达到大约0.020英寸的尺寸。应理解，尽管示出为C形设计，但座圈30还可设计成具有超过一个的间隙，例如，座圈可由一起限定具有大致圆形横截面的座圈的两个或多个部分构成。C形设计的优点是其在不需要多个部分的情况下允许有间隙64。即使在负载作用下、塑料通常变得对变形敏感时的高温下，C形座圈30的退让性和一致性特性也被证明是相容的。
现在将更详细地描述制造上述轴承组件20的方法。如上所述，例如可通过注射成型或直接压缩模制将座圈30形成为合适的形状。如果通过压缩模制形成，则座圈在成型期间可能需要辅助机械加工，以满足预期的规格。
参考图4A，然后将座圈30与回转装置28一起插入承窝40。在这点上，可围绕回转装置28压缩座圈30，然后将轴承30(或组合的座圈30与回转装置28)套入承窝40。根据本发明的另一方法，可在将回转装置28插入承窝40之前或之后，不依赖于回转装置28将座圈30插入承窝40。
当将座圈30和回转装置28插入承窝40时，利用打样机测试轴承组件20的扭矩，该打样机使回转装置28相对于承窝40运动，以在承窝40中没有受限制的自由运动的情况下获得预期的扭矩。当获得预期的扭矩时，使冠部62卷曲就位，以便以预期的扭矩维持承窝40中的回转装置28和座圈30(见图4B)。根据本发明的一种方法，在使冠部62卷曲就位之后，打样机释放其负载，但通过打样机继续使回转装置28运动，以确保获得合适的卷曲和合适的扭矩。
如上所述，控制系统中提高的灵敏度和准确度在轴承应用中变得重要。应理解，通过在此描述的制造轴承组件的方法获得的扭矩测量的精确度允许精确的控制系统，并防止轴承组件20中不预期的失准(或自由运动)。
在一些高温应用中，发明人已发现的是，座圈材料在使用期间可具有某些膨胀。该膨胀在使用中影响回转装置28与承窝40之间的预期阻力。为了处理该问题，座圈30以C形设计构造有间隙64，以允许在该间隙64内的扩张或膨胀。另外，还可在用于轴承组件20之前将座圈30预烤至大约700华氏度的高温。这样的预烤使座圈30退火并防止使用期间的附加膨胀。然而，应理解，由于应用期间温度和负载的变化，因而不是在所有的应用中都需要预烤退火，这种情形还影响轴承组件的性能和需求。
现在转向图5，将更详细描述根据本发明的另一实施例形成的轴承组件。除将在以下更详细描述的关于轴承组件的壳体部分的差异之外，轴承组件在材料和操作方面大致与先前描述的实施例相同。为了在随后的说明中清楚，轴承组件20相同的元件的附图标记相似，但对于图5的图示实施例以100为系列。
如上所述，本发明的实施例不局限于杆端轴承组件。在图示的实施例中，示出板轴承组件120。参考图5，板轴承组件120包括壳体部分122，其中壳体部分122大致为限定一个或多个承窝140的板。与在图1-4A的图示实施例中描述的上述承窝一样，该实施例的承窝140构造成以使得在回转装置128与承窝140的内表面之间设置有座圈130来接纳回转装置128。尽管在图示实施例中示出一个承窝140和一个回转装置128，但应理解，壳体部分120可构造成接纳多个回转装置128。
示例1
高温下的强度数据
在达到并包括700华氏度的温度下沿两个方向进行杆端轴承组件的强度测试：轴向方向(孔的轴线方向)和径向方向(壳体的轴线方向)。在强度测试中将多种不同的材料用于座圈，材料包括陶瓷、尼龙塑料、聚酰亚胺、和PEEK座圈、以及具有诸如非电镀镍
Figure BDA0000045093200000081
涂层的高温涂层的金属对金属轴承。以下在表1中列出测试的结果。“通过”或“失效”标识涉及贯穿从大约68华氏度(室温)直到大约700华氏度(高温)的温度周期是否能维持大约250磅的轴承保持负载。
Figure BDA0000045093200000091
表1：高温下的强度数据
由于全钢结构，因而具有高温涂层的金属对金属轴承在强度测试试验中表现最好。然而，金属对金属轴承趋于在下面以示例2中描述的寿命周期测试中失效。
塑料(尼龙、聚酰亚胺、和PEEK)和陶瓷座圈具有非常高的最终抗压强度，这种情形导致轴承组件沿径向方向成功地经受高的负载。失效模式测试常常导致在座圈和转环在沿径向方向的负载作用下失效之前，壳体或连接杆件的失效。
在轴向方向上，塑料与陶瓷座圈之间在强度方面的差异变得更加普遍。由于陶瓷低的断裂韧性，因而不管温度如何，陶瓷几乎立即失效。在大部分试验中，陶瓷在不到其它材料(塑料和金属对金属)70％的负载下断裂。
在各种塑料的热挠曲温度下或接近该热挠曲温度处看到不可接受的塑料座圈(诸如尼龙)中最终的失效模式。由于座圈刚度的损失，因而当材料接近热挠曲温度时，轴承保持负载将几乎减小为零。诸如尼龙的许多普通的聚合物具有比达到并包括大约700华氏度的高温应用低得多的热挠曲温度。
在高级聚酰亚胺和PEEK材料中，热挠曲温度显著地高于预期高温应用所需的温度。不是熔化，聚酰亚胺塑料在高温下(诸如超过800华氏度)倾向于随时间氧化，并且使材料中的粘合剂降解，使塑料变脆。在测试中观察不到氧化。在这点上，基于聚酰亚胺的特定级别和轴承的特定载荷和应用，聚酰亚胺座圈从大约-40华氏度高达至大约550华氏度或者至大约750华氏度出现的测试保持超过其95％的初始强度。由于聚酰亚胺材料在该温度范围不熔化，因而与不接受的塑料座圈一样，稍微氧化降解是可接受的，尤其在低的负载条件下。
示例2
寿命周期数据
寿命周期测试包括贯穿应用的预期温度范围(例如达到并包括700华氏度)的重复(例如达到3千万个周期)周期运动(杆的角运动、例如来回20度的摆动)量的变化。在寿命周期中将多种不同的材料用于座圈，材料包括聚酰亚胺座圈、PEEK座圈、以及具有诸如非电镀镍
Figure BDA0000045093200000101
和高温干膜润滑剂(钼)的各种高温涂层的金属对金属轴承。显著地，陶瓷和尼龙座圈由于它们在示例1中的上述强度测试中的失效，因而不被测试。
以下在表2中列出测试的结果。数据表明，在小于大约10磅的可以忽略轴承负载的作用下，随着温度从大约70华氏度(大致室温)循环至大约700华氏度的应用特定高温，游隙或自由运动在20,000,000个周期之后、在具有由各种材料制成的座圈的轴承组件中以百分比的形式增加。
Figure BDA0000045093200000102
表2：在20,000,000个周期之后的轴向游隙
在寿命周期测试之后，具有高温涂层的金属对金属轴承在周期运动中的关键点处相容地磨损，导致轴承组件的扭矩不预期的变化和自由运动不预期的变化。发明人发现，由于在负载下彼此接触的两种不容赦的金属表面的重复运动，因而涂层在周期运动期间降解；因此，降解的斜率剧烈。在大部分试验中，发明人发现，关键特性(扭矩和自由运动)将在大约50％的预期寿命周期下改变。初始地，部件由于承窝中碎屑(即来自轴承或滚道本身的削片或磨损颗粒)的增加而变紧。驱动杆所需的扭矩在此处增大。当部件退化时，磨损将加速到自由运动超出系统内的准确运动可接受的水平点。数据表明，一旦涂层磨损(通常在预期寿命周期的一半以内)，随后的磨损与系统中的初始自由运动相比较将以10倍增大。在自由运动的该水平下，转环本身将可能变得从滚道脱开。这种磨损在经受包括具有温度循环的碎屑(灰尘、沙粒)和/或振动测试的加速磨损测试时更有意义。
这些应用中的塑性材料(例如聚酰亚胺和PEEK)由于塑料的自润滑特性，因而不具有与金属对金属相同的摩擦磨损。另外，塑料在振动测试期间吸收冲击应力。然而，结合加热周期(例如达到并包括700华氏度)的寿命周期试验加速失效塑料(例如尼龙)的断裂。可接受的聚酰亚胺和PEEK材料从它们的初始自由运动极限改变不超过5％。
尽管已图示并描述了说明性的实施例，但应理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可在其中作出各种变化。

Claims (16)

  1. 要求保护唯一特性或特权的发明的实施例被如下限定：
    1.一种高温轴承组件，该高温轴承组件包括：
    (a)壳体部分，所述壳体部分限定承窝；
    (b)回转装置，所述回转装置设置在所述承窝中；和
    (c)座圈，所述座圈设置在所述承窝与所述回转装置之间，其中，所述座圈由高温塑料制成。
  2. 2.一种高温轴承组件，该高温轴承组件包括：
    (a)壳体部分，所述壳体部分限定承窝；
    (b)回转装置，所述回转装置设置在所述承窝中；和
    (c)座圈，所述座圈设置在所述承窝与所述回转装置之间，其中，所述座圈由高温塑料制成，并且所述座圈包括间隙，使得当将所述回转装置卷曲在所述承窝中时，所述座圈退让。
  3. 3.一种高温轴承组件，该高温轴承组件包括：
    (a)回转装置，所述回转装置设置在承窝中；和
    (b)座圈，所述座圈设置在所述承窝与所述回转装置之间，其中，所述座圈由高温塑料制成。
  4. 4.一种制造高温轴承组件的方法，该方法包括：
    (a)由高温塑料形成座圈；
    (b)围绕回转装置压缩所述座圈，以形成回转组件；
    (c)将所述回转组件插入承窝，使得所述座圈定位在所述承窝与所述回转装置之间；以及
    (d)将所述回转组件卷曲在所述承窝中。
  5. 5.根据权利要求1-3中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述座圈具有选自由至少达到大约450华氏度、至少达到大约550华氏度、至少达到大约650华氏度、和至少达到大约750华氏度组成的组中选择的耐高温性。
  6. 6.根据权利要求1-3和5中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述座圈的材料包括选自由聚酰亚胺基聚合物、聚醚酮醚热塑性塑料、和聚醚酮醚-酮酮热塑性塑料构成的组中选择的材料。
  7. 7.根据权利要求1-3、5和6中任一项所述的轴承组件或根据权利求4所述的方法，其特征在于，所述座圈通过压缩模制或注射成型形成。
  8. 8.根据权利要求1-3和5-7中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述座圈为大致C形。
  9. 9.根据权利要求1-3和5-8中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述座圈包括间隙。
  10. 10.根据权利要求9所述的轴承组件或方法，其特征在于，所述间隙小于或等于大约0.020英寸。
  11. 11.根据权利要求1-3和5-10中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述座圈在形状或尺寸上改变不超过5％。
  12. 12.根据权利要求1-3和5-11中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述座圈和所述回转装置卷曲在所述承窝中。
  13. 13.根据权利要求1-3和5-12中任一项所述的轴承组件或根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述壳体部分选自由杆端和板构成的组。
  14. 14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在围绕所述回转装置压缩所述座圈之前，使所述座圈退火。
  15. 15.根据权利要求4和14中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述回转组件卷曲在所述承窝中之前测试扭矩。
  16. 16.根据权利要求4、14和15中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述回转组件卷曲在所述承窝中之后测试扭矩。
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