CN109937308A

CN109937308A - 混合轴承

Info

Publication number: CN109937308A
Application number: CN201780067821.9A
Authority: CN
Inventors: V.M.西什特拉; U.J.琼森; Z.A.乔杜里
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: US20200040942A1; EP3538780A1; US10781857B2; WO2018089090A1; EP3538780B1; RU2019112955A; CN109937308B

Abstract

一种轴承(20；150；152)，包括：内圈(26)；外圈(28)；以及多个滚动元件(30)。所述内圈包括氮合金钢(40)。所述外圈包括氮含量比所述氮合金钢低的钢(42)。

Description

混合轴承

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年11月8日提交的并且标题为“混合轴承(Hybrid Bearings)”的美国专利申请号62/419,052的权益，如同详细阐述一样，所述美国专利申请的公开内容以引用的方式全部并入本文中。

背景技术

本公开涉及混合轴承。更具体地，本公开涉及无油制冷压缩机中的混合轴承。

在无油压缩机中使用的示例性现有技术的轴承是陶瓷混合轴承，其特征在于氮化硅(Si₃N₄)滚珠和氮合金钢圈。这种轴承的一个商业示例由The Barden公司(美国康涅狄格州丹伯利市，Schaeffler集团美国分部)出售，并且特征在于Cronidur 30(德国埃森市的Energietechnik Essen GmbH的商标)钢圈。另一个商业示例由SKF集团(瑞典哥德堡市)以商标VC444出售，并且特征在于N360(奥地利林茨市的voestalpine集团下属的Bohler-Uddeholm公司的商标)钢圈。另一种氮合金轴承钢由Aubert&Duval(法国Paris和LesAncizes)以商标XD15NW销售。

一种最近提出的无油压缩机可见于2016年3月30日提交的PCT/US2016/024826。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种轴承，所述轴承包括：内圈；外圈；以及多个滚动元件。所述内圈包括氮合金钢。所述外圈包括氮含量比所述氮合金钢低的钢。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述外圈在所述钢上具有涂层。

本公开的另一个方面涉及一种轴承，所述轴承包括：内圈；外圈；以及多个滚动元件。所述内圈包括钢。所述外圈包括具有沿着轨道的涂层的钢，所述涂层并不沿着所述内圈的轨道。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述外圈涂层包括DLC。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述DLC涂层是碳化钨/碳(WC/C)涂层。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述滚动元件是陶瓷。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述滚动元件是至少50.0重量百分比的Si₃N₄。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述滚动元件是滚珠。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述内圈是无涂层的。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，保持架保持所述滚动元件。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述轴承是径向/止推轴承。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述外圈钢的氮含量比所述氮合金钢低至少0.10重量％。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述外圈钢的铬含量比所述氮合金钢低至少5.0重量％。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述外圈钢的碳含量比所述氮合金钢高至少0.2重量％。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，压缩机包括如任何前述权利要求所述的轴承。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述压缩机是离心式压缩机，所述离心式压缩机具有：壳体；以及位于所述壳体内的叶轮。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，所述压缩机还包括位于所述壳体内的电机，所述轴承支撑所述电机的转子。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，蒸气压缩系统包括所述压缩机。

在任何前述实施方案中的一个或多个实施方案中，一种用于制造所述轴承的方法包括：通过CVD或PVD涂覆所述涂层。

一个或多个实施方案的细节在附图和以下描述中阐明。其他特征、目标和优点将从描述和附图中并且从权利要求中显而易见。

附图说明

图1是机器中的滚珠轴承的剖面图。

图1A是图1的轴承的放大视图。

图2是蒸气压缩系统的示意图，所述蒸汽压缩系统具有包括图1的轴承的压缩机。

各个图中的相同参考数字和名称指示相同元件。

具体实施方式

图1示出轴承20，所述轴承20将第一结构22(例如，轴)安装到第二结构24(例如，机器(诸如压缩机)的固定结构(诸如壳体))以便绕轴线500相对旋转。

所述轴承是滚动元件轴承，其具有安装到轴22的内圈26、安装到固定结构24的外圈28和在内圈与外圈之间的滚动元件30的周向阵列。示例性滚动元件是滚珠。替代的滚动元件是滚子。示例性滚动元件是陶瓷元件。示例性滚动元件大多数是陶瓷或基本上由陶瓷组成(例如，至少90重量％或99重量％)。示例性陶瓷是氮化硅(Si₃N₄)。示例性轴承20还包括用于将滚动元件保持在周向间隔开的状态中的保持架或保持器32。示例性保持架是模制塑料，诸如聚醚醚酮(PEEK)。

轴承20利用内圈与外圈之间的组成不对称性。示例性实施方案具有两种不对称性：内圈包括比外圈更昂贵的材料；并且内圈是无涂层的而外圈是有涂层的。因此，示例性内圈基本上由金属衬底40组成，并且外圈基本上由衬底42和涂层44组成(图1A)。内圈(且因此其衬底40)具有安装到轴22的内径(ID)表面46(例如，以压配合、咬紧安装、夹紧安装等)、第一端面48和第二端面50以及与滚动元件接触的外径(OD)表面52。

外圈(且因此其衬底42)具有安装到壳体24的外径(OD)表面56(例如，以压配合、固定螺钉安装等)以及第一端面58和第二端面60。衬底42具有承载涂层44的内径(ID)表面62(图1A)，其中涂层的暴露表面64至少局部(至少沿着外圈ID表面的轴承轨道部分)形成外圈的接触滚动元件的内径(ID)表面66。

内圈OD表面相对于外圈ID表面的较小直径意味着内圈将比外圈承受更高的单位负荷，并且内圈将是两个圈中决定使用寿命的那一个(其他考虑因素等同)。外圈的相对较低的负荷允许较便宜的外圈材料与氮合金钢内圈结合使用。氮合金钢通常可表征为包含10-20重量％的铬和0.1-1.0重量％的氮的马氏体氮不锈钢。下表I中给出示例。

表I

内圈合金

(以重量百分比为单位的元素)

在示例性范围1和范围2中，未给出值的列出的元素的示例性重量％含量各自≤5.0，未给出值的未列出的元素的示例性含量各自≤5.0，并且示例性总和≤15.0或≤10.0或≤5.0。

外圈可包括比内圈更便宜的钢衬底和涂层。类金刚石碳(DLC)是一种示例性涂层，并且以包括掺杂变体和分层变体的若干形式存在，例如含钨类金刚石碳涂层(W-DLC，也称为碳化钨碳(WCC)或碳化钨/碳(WC/C))。虽然内圈也可以是有涂层的，但是益处可能更少，因此无涂层的变体是主要的示例。

示例性的外圈钢组合物是常规的滚珠轴承铬钢，诸如表II中所示的那些：

表II

外圈合金

(以重量百分比为单位的元素)

在示例性范围1(常规的轴承钢)和范围2(不锈钢)中，未给出值的列出的元素的示例性重量％含量各自≤5.0或≤3.0或≤2.0或≤1.0，并且未给出值的未列出的元素的示例性含量各自≤5.0或≤3.0或≤2.0或≤1.0，并且示例性总和≤15.0或≤10.0或≤5.0。更具体地，对于氮，示例性含量≤0.5％或≤_0.2％或≤0.1或基本上不含氮。

示例性外圈制造包括：在柔软状态下对圈进行机械加工；进行热处理以获得期望的硬度；磨削至最终尺寸；表面精加工；以及涂覆DLC涂层。可使用若干已建立的工艺来涂覆DLC涂层，示例性工艺是等离子体辅助的化学气相沉积(PACVD)和物理气相沉积(PVD)。示例性涂层至少局部沿着轴承轨道的一部分达到0.1微米至10.0微米的总深度，更具体地，1.0微米至3.0微米的总深度。

因此，在典型的组合中，内圈衬底将具有以下各项中的一项至全部：比外圈更高的氮(例如，大至少0.10重量％或大至少0.30重量％)；更高的铬(例如，大至少5.0重量％或大至少10.0重量％)；和/或更低的碳(例如，小于0.5％和/或差值为至少0.2％或至少0.5％)。更高的铬含量赋予耐腐蚀性和耐磨性。

图2示出基本的蒸气压缩系统100，其中，在至少所示模式中，压缩机120沿着流动路径或回路122驱动制冷剂流520，所述流动路径或回路122在吸入口或入口124处进入压缩机并且在排出口处或出口126处离开压缩机。示例性所示压缩机是离心式压缩机，其具有由电机130驱动的叶轮128。压缩机具有壳体或壳体组件132。壳体组件包含具有定子142和转子144的电机130。示例性转子安装到上述轴22。一个或多个轴承150、152相对于所述壳体支撑所述轴以便绕轴线500旋转。

轴承150、152中的一个或两个可具有上文对于轴承20所描述的性质。取决于实现方式，这些轴承中的一个或两个可以是止推轴承和/或径向轴承。例如，一个可以是止推/径向轴承，而另一个是纯径向轴承。多种压缩机构型在本领域中是已知的或者可能尚在开发。示例性压缩机是无油压缩机(也称为制冷剂润滑压缩机)。在这种压缩机中，制冷剂可包含非常少量的油或其他添加剂，但是区别于其中存在非常大量的油且其中仅将油或主要将油输送到轴承的压缩机。制冷剂供应管路(未示出)可从回路122通往轴承，并且回流管路可返回到所述回路。

沿着基本回路122，顺序地位于排出口126下游的是示例性的第一热交换器160、膨胀装置162和第二热交换器164。取决于具体用途，这些热交换器可以是制冷剂空气热交换器、制冷剂水热交换器或其他热交换器。制冷剂水热交换器的示例性用途是水冷式冷却器。示例性混合情况是风冷式冷却器。在所示的正常操作模式中，第一热交换器160是排热式热交换器，并且第二热交换器164是吸热式热交换器。膨胀装置162的示例包括电子膨胀阀、热膨胀阀、孔、毛细管装置等。

尽管示出了一种基本构型，但是许多实际的商业实现方式要复杂得多，具有用于节能装置或其他硬件和/或用来适应多种使用模式(例如，冷却与加热以及这两种模式内的各种不同的子模式)的另外的路径。

可使用其他常规的或尚在开发的材料和技术来制造所述轴承和压缩机。

关于各种基线轴承，各种实现方式可具有若干优点中的一个或多个。第一对比基线轴承具有无涂层的氮合金钢内圈和外圈。一个示例性修改保留了滚动元件和内圈，而用上述外圈替换了外圈。由于外圈材料的成本较低，这可大大降低成本。它还可提高效率，其中DLC涂层提供相对于无涂层的基线有所减小的摩擦。

另外的变型包括滚子(例如，圆柱形或锥形)而不是滚珠作为滚动元件。

在描述中和以下权利要求中，“第一”、“第二”等的使用仅仅是为了在权利要求内进行区分，而不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，在权利要求中将一个元件标识为“第一”(或诸如此类)并不排除这种“第一”元件去标识在另一项权利要求中或在描述中被称为“第二”(或诸如此类)的元件。

在测量值以英制单位给出(随后在括号里加上国际单位或其他单位)的情况下，括号里的单位是转换形式，并且不应暗示在英制单位中未发现精确程度。

已描述了一个或多个实施方案。然而，应当理解，可做出各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，这种构型或其相关联用途的细节可影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种轴承(20；150；152)，其包括：

内圈(26)；

外圈(28)；以及

多个滚动元件(30)，

其中：

所述内圈包括氮合金钢(40)；并且

所述外圈包括氮含量比所述氮合金钢低的钢(42)。

2.如权利要求1所述的轴承，其中：

所述外圈在所述钢上具有涂层(44)。

3.一种轴承(20；150；152)，其包括：

内圈(26)；

外圈(28)；以及

多个滚动元件(30)，

其中：

所述内圈包括钢(40)；并且

所述外圈包括具有沿着轨道的涂层(44)的钢(42)，所述涂层并不沿着所述内圈的轨道。

4.如权利要求2或权利要求3所述的轴承，其中：

所述外圈涂层包括DLC。

5.如权利要求4所述的轴承，其中：

所述DLC涂层是碳化钨/碳(WC/C)涂层。

6.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述滚动元件是陶瓷。

7.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述滚动元件是至少50.0重量百分比的Si₃N₄。

8.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述滚动元件是滚珠。

9.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述内圈是无涂层的。

10.如任何前述权利要求所述的轴承，其还包括：

保持架(32)，所述保持架(32)保持所述滚动元件。

11.如任何前述权利要求所述的轴承，其是径向/止推轴承。

12.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述外圈钢的氮含量比所述氮合金钢低至少0.10重量％。

13.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述外圈钢的铬含量比所述氮合金钢低至少5.0重量％。

14.如任何前述权利要求所述的轴承，其中：

所述外圈钢的碳含量比所述氮合金钢高至少0.2重量％。

15.一种压缩机(120)，其包括如任何前述权利要求所述的轴承。

16.如权利要求15所述的压缩机，其是离心式压缩机，所述离心式压缩机具有：

壳体(132)；以及

位于所述壳体内的叶轮(128)。

17.如权利要求16所述的压缩机，其还包括：

位于所述壳体内的电机(130)，所述轴承支撑所述电机的转子(144)。

18.一种蒸气压缩系统(100)，其包括如权利要求15至权利要求17中任一项所述的压缩机。

19.一种用于制造如权利要求2或权利要求3所述的轴承的方法，所述方法包括：

通过CVD或PVD涂覆所述涂层。