CN107035768B - 用于具有功能层的公差环的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有功能层的公差环具有一个环形带以及一个弹性体层。该组件还可以具有一个低摩擦层，该低摩擦层可以粘结、压延或叠层到其上。该低摩擦材料可以完全包封该环形带。

Description

用于具有功能层的公差环的系统、方法和装置
本申请是申请日为2010年12月17日、申请号为“201080055189.4”、发明名称为“用于具有功能层的公差环的系统、方法和装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及定位在移动部件之间的公差环，具体地涉及用于具有功能层的公差环的一种改善的系统、方法和装置。
背景技术
公差环将彼此相对移动的部件(如旋转轴)之间的移动约束在壳体孔中。一种类型的公差环是定位在轴的外表面与孔的内表面之间的空隙内的环形带。这种公差环将该轴的径向或轴线运动限制在该孔中同时仍允许相对移动。
在常规的公差环构型中，寻求的是内部与外部部件之间的紧密配合。此外，寻求的是提供最大摩擦结合的力或滑动力的最小变化。部件之间的一种紧密配合是所希望的，因为它减小了零件之间的相对振动。因此，公差环能够补偿公差或失调，创造扭矩并且可以改进其他特性，例如噪音、振动和粗糙度(NVH)特性。扭矩以及甚至NVH主要受到常见公差环的材料特性的影响，这些常见公差环通常是仅由不锈钢形成的。内部与外部部件之间的这些需求要求强力的并且实质性的接触，这种接触增大了摩擦力。尽管这些解决方案对某些应用是可以使用的，但是继续着对公差环的改善的兴趣。
发明内容
在此披露了用于具有功能层的公差环的一种系统、方法和装置的多个实施方案。在一些变体中，一种公差环组件包括一个外部部件、定位在该外部部件中相对它可移动的一个内部部件、以及安装在该内部与外部部件之间的一个公差环。该公差环可以包括一个金属的环形带以及固定至该金属层上的一个弹性体层。
在其他实施方案中，该组件进一步包括在该环形带与该弹性体层中至少一个之上的一个低摩擦层。该环形带可以由弹簧钢形成并且该低摩擦层可以叠层到该环形带的至少一个侧面上以便改进该公差环的滑动特性。该低摩擦层可以定位在该环形带上、与该弹性体层相反。该低摩擦层可以包括PTFE并且结合到该环形带或该弹性体层上。该组件可以进一步包括在该环形带与该弹性体层之间的一个粘合剂或底漆层。
在又其他的实施方案中，该公差环包括由一种金属材料形成的、具有径向内表面和外表面的一个环形带。该低摩擦材料包封了该环形带，使得这个径向的内表面和外表面均基本上完全位于该低摩擦材料内。该环形带可以完全位于该低摩擦材料内，使得该环形带没有部分或仅有某个部分从该低摩擦材料中暴露出并在其之外。该环形带可以包括弹簧钢并且进行穿孔或冲压。该环形带可以包括在其中通过压印或深拉而形成的多种几何结构，例如波纹。此外，该环形带可以通过压延或叠层而被包封在该低摩擦材料内。
在一些实施方案中，该低摩擦材料可以形成一种光滑的柱形轮廓，并且该环形带在该光滑的柱形轮廓内以非柱形的轮廓波动。该低摩擦材料和该环形带各自具有非柱形的轮廓并且在形状上彼此互补。该公差环可以进一步包括连接到该公差环上的一个背衬层。
在另外的实施方案中，一种用于形成公差环的方法包括提供一种由金属材料形成的薄片，在该薄片中形成多个孔，在该薄片中制造多个几何结构以形成一种薄片轮廓，将该薄片轮廓包覆在一种低摩擦材料内，并且将该包封的薄片轮廓成形为一种环形形状从而形成一个公差环。该环形带可以具有径向的内表面和外表面，其中该低摩擦材料包封了该环形带，使得这个径向的内表面和外表面均实质性地位于该低摩擦材料内。该方法可以进一步包括在该低摩擦材料内形成多种形状，这些形状与该薄片轮廓中的这些几何结构是互补的。
附图说明
通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。
图1A和B是根据本发明构造的一种穿孔的金属薄片的一个实施方案的顶部和截面侧视图；
图2和3是根据本发明构造的穿孔的金属薄片的成形变体的其他实施方案的截面侧视图；
图4和5是根据本发明构造的被包封的、成形、穿孔的金属薄片的再其他实施方案的截面侧视图；
图6和7是根据本发明构造的被包封的、成形的、穿孔的金属薄片的另外的实施方案的截面侧视图；
图8和9是根据本发明构造的被包封的、成形的、穿孔的金属薄片的其他实施方案的截面侧视图；
图10是图5的实施方案的等轴视图并且是根据本发明构造的；
图11是根据本发明构造的一种公差环的一个实施方案的截面侧视图；
图12A、B和C是根据本发明构造的公差环的其他实施方案的截面侧视图；
图12A、B和C是根据本发明构造的公差环的其他实施方案的截面侧视图；
图13是根据本发明构造的一种公差环的另一个实施方案的截面侧视图；并且
图14A、B和C是根据本发明构造的公差环的再其他实施方案的截面侧视图。
在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。
具体实施方式
在图1-14中披露了用于具有功能层的公差环的一种系统、方法和装置的多个实施方案。例如，图12-14描绘了一种公差环组件21，该组件包括一个外部部件23，该外部部件在其中具有一个带轴线的孔25。一个内部部件27被安装在外部部件23的孔25中并且具有一个外表面29。该内部部件27与该外部部件23匹配并且是相对它可移动的。一个公差环31被定位在该内部部件与外部部件23、27之间。该公差环31包括一个由金属材料形成的环形带33、在该环形带33上的一个弹性体层35、以及在环形带33和弹性体层35中的至少一个之上的一个低摩擦层37(图13)。
该环形带33可以由弹簧钢形成并且该低摩擦层37可以叠层到该环形带的至少一个侧面上。该低摩擦层37可以定位在该环形带33上、与该弹性体层35相反，如图13中所示。该低摩擦层37可以包括PTFE并且用胶水或粘合剂39结合到该环形带33以及该弹性体层35之一上。该弹性体层可以包括例如丁腈橡胶、烯属弹性体、聚醚-/聚酯-弹性体、乙烯-丙烯-弹性体、乙烯-丙烯酸类橡胶以及含氟弹性体材料。粘合剂39还可以包括在环形带33与弹性体层35之间、以及在低摩擦层37与环形带和/或弹性体层之间的一种底漆。
现在参见图11，多个实施方案还可以包括一种组件51，该组件具有一个外部部件53、位于该外部部件53内相对它可移动的一个内部部件55。一个公差环61被安装在该内部部件与外部部件53、55之间。该公差环包括由一种金属材料形成的、具有径向内表面和外表面65和67的一个环形带63。一种低摩擦材料71包封了该环形带63，使得这个径向的内表面和外表面63、65均实质性地位于该低摩擦材料71内。
如图8和9中所示，带63可以完全位于该低摩擦材料71内，使得该带63没有部分从该低摩擦材料71中暴露出并在其之外。在其他实施方案(图4-7)中，带63的至少一部分从该低摩擦材料71中暴露出并相对于它在外部延伸。带63可以由弹簧钢形成并且可以穿孔或冲压73，如图1A和1B中所示。图2和3展示了该环形带63可以包括在其中通过压印或深拉而形成的多种几何结构75。这些几何结构75可以包括波纹、锥体或球形状的结构，如图4和5中所示。该带63可以通过压延或烧结(图4-7)或叠层(图8和9)而被包封在该低摩擦材料内。如图8和9中所示，叠层到带63上的低摩擦材料71可以包括一个PTFE化合物胶带。
在一些实施方案中(图4、5、10和11)，该低摩擦材料71可以形成一种光滑的轮廓(例如，图11中的处于其最终形式的柱形)，使得带63在材料71的光滑的柱形轮廓内以非柱形的轮廓波动。在其他实施方案中(图6-9)，该低摩擦材料71和该带63二者各自具有非柱形的轮廓并且在形状上彼此互补。
图11的实施方案进一步包括连接到该公差环组件61上的一个背衬层77。背衬层77可以例如由钢、Al、Cu和Ti形成并且在该低摩擦层71的径向外部。在一些实施方案中，该低摩擦层71被叠层在该背衬层77上。在一些变体中，该低摩擦层可以在带63的径向的内表面和外表面65、67的每个上包括约0.1至0.05mm的厚度。此外，该低摩擦层71可以粘结到或焊接至该带63上。
在再其他的实施方案中，一种用于形成公差环的方法包括提供一种由金属材料形成的薄片，在该薄片中形成多个孔，在该薄片中制造多个几何结构以形成一种薄片轮廓，将该薄片轮廓包覆在一种低摩擦材料内，并且将该包封的薄片轮廓成形为一种环形形状从而形成一个公差环。
这种孔结构包括通过穿孔或冲压而在该薄片中形成有形状的洞。在薄片中制造几何结构可以通过压印、成形或深拉波纹、球、或锥体以形成薄片轮廓来完成。这个包封步骤可以在该低摩擦材料中的薄片轮廓内穿过该薄片内的孔进行压延或叠层而进行。可以将该薄片形成为具有径向的内表面和外表面的环形带。该低摩擦材料包封了该环形带，使得这个径向的内表面和外表面均位于该低摩擦材料内。
该方法可以进一步包括在包封之后在该低摩擦材料内形成多种形状，这些形状与该薄片轮廓中的这些几何结构是互补的。该形成形状的步骤可以包括压印、压延和/或烧结该低摩擦材料。这些制造和包封步骤可以在彼此之前或之后出现，并且包封可以通过叠层来进行。该方法可以进一步包括将一个背衬层安装到该公差环上，例如该低摩擦层的一个径向外侧上。
在此披露的实施方案具有超越常规方案的显著优点。例如，一个公差环与弹性体背衬的组合以更软的性能改进了公差环的设计。术语软是就提供低水平的具有较少变化的扭矩而使用的。就NVH而言，这些材料显著地将两个通过该公差环连接的匹配部件脱连接而不缩小其他性能方面。因此，这些设计显著地减少了噪音和振动。
在另一个实例中，将一种具有弹簧行为的金属材料用粘合剂和/或底漆进行涂覆并与一个弹性体层相结合而形成一种复合材料。该金属可以包括例如不锈钢、碳钢或其他弹性金属。该弹性体背衬可以包括例如丁腈橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、烯属弹性体、聚醚-/聚酯-弹性体、乙烯-丙烯-弹性体、乙烯-丙烯酸类橡胶和/或含氟弹性体材料。在其他实施方案中，该公差环可以包括一个金属内层以及一个弹性体外层。
在其他实施方案中，对该结构添加了一个滑动层或低摩擦层。这些设计改进了该公差补偿元件的滑动特性。例如，该低摩擦材料可以包括在该弹性体层上、和/或甚至在与该弹性体层相反的金属侧面上的PTFE。像该弹性体层一样，该低摩擦层也可以用粘合剂或胶水粘结到该公差环(例如，该金属的或弹性体的层)上。
在再其他的实施方案中，将一个弹性金属层用一种低摩擦材料进行叠层。然后可以将该金属表面用粘合剂和/或底漆进行涂覆并与一个弹性体层相结合而形成一种复合材料。其他的组合也是有可能的。一些实施方案包括完全被该低摩擦层化合物所包覆的一种公差环。例如，将具有一个由弹簧钢形成的穿孔的金属内芯的一种复合结构完全用PTFE包封。
该组成和生产方法均与一种常规的滑动轴承不相同、并且也与一种常规的公差环不相同。通过所描述的包封的公差环，提供了若干不同的功能。这些实施方案用作一种具有额外的公差补偿的滑动轴承，可以施加限定的扭矩，并且它们作为具有改进的摩擦特性的公差环来起作用。
作为一个基底或一个中间层，可以首先将一个弹簧钢材料薄片或材料卷进行穿孔、然后成型(例如，为波纹、球状形状、和/或其他深拉的或压印的形状)。这些成型的区域可以是规则分布的并且紧密形成在一起。因此，在一些实施方案中，在这些公差环上的波纹与在常规公差环上的一样多。在一些实施方案中，该弹簧钢内芯被完全埋入或包封，使得所得的化合物条带根本不显示波动性、并且作为一种块状的形状出现。
包封可以例如通过一个压延过程或通过将一个胶带叠层到钢内芯上而实现。任选地，在后一种情况下，可以将一种强力的背衬材料添加到该结构或内芯上以便使得该轴承能够压力配合在壳体内。
这种复合结构的实施方案的一般应用可以用来为无间隙或间隙减小的应用生产滑动轴承、或者生产具有低保持力的公差环。由弹簧钢形成的金属内芯用作一个弹簧并且因此在轴承表面与例如一个轴之间通过使用该低摩擦化合物涂覆的弹簧波纹而提供了公差调节。该低摩擦层仅仅接合该轴或对应物的功能侧面。替代地，它可以接合这两个部件，和/或在这些配合的部件之间提供所需要的保持力。该低摩擦层允许该复合结构作为常规的滑动轴承起作用或者提供较低的保持力，这是由于该低摩擦材料的固有的低摩擦系数。
该公差环在用于匹配的部件(如转向柱锁定机构)之间时可以提供滑动力控制(例如轴向的或转动的)。该公差环通过在一旦达到阈值扭矩水平时允许部件之间的转动而防止了过载。例如，在转向柱能量吸收系统中，公差环允许在一旦达到轴向力水平时出现轴向滑移。
总体上，具有更低刚度的波纹产生了低扭矩轴承而更高刚度的波纹产生了更高的扭矩，例如用于门铰链应用。这些类型的性能可以通过将公差环波纹设计为具有以下弹簧特征而实现，这些弹簧特征产生了正确的径向力水平、在与该组件的摩擦特征组合时产生了所希望的滑动力水平。
这些波纹弹簧特征的弹性/塑性的性质被用于限制在该组件的典型尺寸公差上所遇到的力的变化。这维持了一个适度恒定的滑动力。力的操控是通过波纹几何形状、材料厚度以及硬度的设计来实现的。为了应对部件的尺寸公差，典型地将这些公差环波纹设计为被压缩一个大于在这些波纹被安装于其中的间隙上公差的量值。
当要求较低的滑动或转动力水平(例如转向柱调节机构)时、或当该公差环用作一个枢轴套管时，存在一种限制。在这些应用中，力一般太高并且径向刚度太低。有可能将这些公差环波纹的刚度减小以限制最大力，但这可能导致组件具有低的径向承载能力。即使具有较低刚度的波纹，所产生的滑动力水平也可能太高。
在其他实施方案中，该低摩擦层可以包括多种材料，包括例如：一种聚合物，如一种聚酮、聚芳酰胺、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚酰胺酰亚胺、超高分子量聚乙烯、热塑性氟聚合物、聚酰胺、聚苯并咪唑或它们的任何组合。在一个实例中，该热塑性材料包括：聚酮、聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚苯砜、氟聚合物、聚苯并咪唑、它们的衍生物、或它们的组合。在一个特别的实例中，该热塑性材料包括一种聚合物，如聚酮、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚酰胺酰亚胺、它们的衍生物、或它们的组合。在另一个实例中，该材料包括聚酮，如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮醚酮、它们的衍生物或它们的组合。一种示例性氟聚合物包括：氟化的乙烯丙烯(FEP)、PTFE、聚偏二氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯、以及偏二氟乙烯的一种三聚物(THV)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)或者它们的任何组合。在一个另外的实例中，该热塑性聚合物可以是超高分子量聚乙烯。
可以在高力的应用中使用该滑动表面的润滑作用(例如，用油或润滑脂)。示例性的固体润滑剂可以包括：二硫化钼、二硫化钨、石墨、单层石墨、膨胀石墨、氮化硼、滑石、氟化钙、氟化铈、或它们的任何组合。一种示例性的陶瓷或矿物包括：氧化铝、硅石、二氧化钛、氟化钙、氮化硼、云母、硅灰石、碳化硅、氮化硅、氧化锆、碳黑、颜料类、或它们的任何组合。
该公差环类型的内芯的弹簧特征与一个低摩擦的基于化合物的外表面的低摩擦/润滑特征的组合提供了一个更低摩擦的滑动界面。与常规公差环可能做到的相比，这个设计能够将公差环设计成在用于滑动轴承应用的更高扭矩水平下、并且在更宽的间隙上以更高的径向荷载强度和更低的滑动力来工作。
用于此类实施方案的应用包括例如用于便携式电子设备的铰链组件，例如用于膝上计算机和蜂窝电话。这些应用要求多种在产品的全部寿命期内在定义明确的扭矩下提供低的保持力的铰链机构。传统的轴承提供了低的保持力以及定义明确的初始扭矩。然而，通过本发明，该扭矩值可以在产品寿命期内保持相对恒定，这是由于这些弹簧钢波纹的弹簧调节功能以及该低摩擦层的低磨损。相比之下，传统的公差环提供了强的保持力但具有高的摩擦。
这个书面说明使用了实例，包括其最佳模式，并且还使得本领域的普通技术人员能够制造并且使用本发明。本发明的专利范围由权利要求书来限定、并且可以包括本领域普通技术人员能想到的其他实例。这样的其他实例如果具有与本权利要求书的语言没有差异的结构要素、或者包括了与本权利要求书的文字语言具有非实质性差异的等效的结构要素，则预期是位于本权利要求书的范围之内。

Claims (15)

1.一种组件，包括：
一个外部部件；
定位在该外部部件内并且相对它可移动的一个内部部件；
安装在该内部与外部部件之间的一个公差环，该公差环包括：
一个环形带，该环形带是由一种金属材料形成的并且具有径向的内表面和外表面，其中所述金属材料构成薄片，所述薄片包括多个圆形穿孔，所述圆形穿孔横越且在所述薄片上均匀分布，且所述薄片被构形为包括薄片轮廓，所述薄片轮廓包括波纹、锥体或球形状；
弹性体层，其位于所述环形带上；以及
低摩擦材料，
其中，该环形带是完全位于所述低摩擦材料内，使得该环形带没有任何部分从该低摩擦材料中暴露出并在其之外，其中所述低摩擦材料包括选自以下组的聚合物：聚酮、聚芳酰胺、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚酰胺酰亚胺、超高分子量聚乙烯、氟聚合物、聚酰胺、聚苯并咪唑及其任何组合。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述波纹、锥体或球形状紧密形成在一起。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，该环形带是通过压延或叠层被包封在该低摩擦材料内，并且该低摩擦材料包括一种PTFE化合物胶带。
4.据权利要求1所述的组件，其中，该低摩擦材料形成了一种光滑的柱形轮廓，并且该环形带在该光滑的柱形轮廓内以非柱形的轮廓波动。
5.据权利要求1所述的组件，其中，该低摩擦材料和该环形带各自具有非柱形的轮廓并且在形状上彼此互补。
6.据权利要求1所述的组件，进一步包括连接到该公差环上的一个背衬层，该背衬层是由钢、Al、Cu和Ti中的一种形成的，并且在该低摩擦材料的径向外部，并且该低摩擦材料被叠层在该背衬层上。
7.据权利要求1所述的组件，其中，该低摩擦层在该环形带的径向的内表面和外表面中的每一个上具有大致0.1至0.05mm的厚度，并且该低摩擦材料被粘结或焊接到该环形带上。
8.一种形成公差环的方法，包括：
(a)通过由金属材料形成的薄片；
(b)在该薄片中形成多个圆形穿孔，所述圆形穿孔横越且在所述薄片上均匀分布；
(c)在该薄片中制造多个几何结构以便形成一种薄片轮廓；
(d)在所述薄片轮廓上形成弹性体层；
(e)将该薄片轮廓包封在一种低摩擦材料内，且其中，将该薄片成形为一个具有径向的内表面和外表面的环形带，并且该低摩擦材料包封了该环形带，使得该径向的内表面和外表面均位于该低摩擦材料内，其中所述低摩擦材料包括选自以下组的聚合物：聚酮、聚芳酰胺、热塑性聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚酰胺酰亚胺、超高分子量聚乙烯、氟聚合物、聚酰胺、聚苯并咪唑及其任何组合；
(f)将该包封的薄片轮廓成形为一种环形形状以便形成一个公差环。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(b)包括在该薄片中通过穿孔或冲压而形成多个有形状的洞。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(c)包括在薄片中通过压印、成形或深拉波纹、球或锥体而制造多个这些几何结构以形成该薄片轮廓。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(d)包括通过穿过该薄片内的这些孔进行压延或叠层而将薄片轮廓包封在该低摩擦材料内。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在步骤(d)之后在该低摩擦材料内形成多种形状，这些形状与该薄片轮廓中的这些几何结构在形状上互补，并且该形成形状的步骤包括压印、压延、以及烧结该低摩擦材料中的至少一种。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(c)在步骤(d)之前出现。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(d)包括叠层并且在步骤(c)之前出现。
15.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：将一个背衬层安装到该公差环上，并且该背衬层是被安装到该低摩擦层的一个径向外侧上。
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