CN110352305A - 具有改进的上轴承的球形接头及其构造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于将相对可移动的部件相互连接的球形接头。该球形接头包括壳体和螺柱，该螺柱具有设置在所述壳体中的球形轴承表面。该轴承具有凹球形轴承表面，该凹球形轴承表面与螺柱的球形轴承表面形成滑动邻接。该轴承为纤维增强的聚甲醛材料的整体件，并且包括围绕所述凹球形轴承表面周向地延伸的碳纤维。

Description

具有改进的上轴承的球形接头及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月22日提交的序号为15/388,135的美国实用专利申请的权益，并且该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并由此通过引用结合于本文中。

背景技术

1.发明领域

本发明一般涉及用于将相对可移动的车辆转向部件彼此连接的接头，例如球形接头、横拉杆端和横向稳定杆。

2.相关技术

车辆悬架系统和转向系统通常包括接头，例如用于横拉杆端到转向节的可操作连接的横拉杆端球型接头和用于将转向节连接到控制臂的球形接头。另外，其他应用，例如嘉年华游乐设施或具有相对可移动的接头的任何其他机构，通常具有球形接头以便于相关联的部件之间的相对运动。这种球形接头通常包括容纳在壳体中的一个或多个轴承以及可滑动地接触轴承的球头螺柱，以允许壳体和球头螺柱在使用期间相对彼此作关节式运动。

在组装球形接头时，通常期望在球头螺柱和壳体之间建立一个在预定扭矩公差范围内的摩擦阻力。此外，球形接头显示出长的使用寿命是重要的，并且另外重要的是，球形接头在制造上经济是重要的。如果摩擦阻力或扭矩太高，则可能妨碍机构的运动和/或使安装变得困难。如果摩擦阻力太低，则可能导致不希望的“开箱即用感(out-of-box feel)”，接头的安装者会认为承窝过于松动，因此操作寿命较短。

已知的是用金属构造的球形接头，包括涂层金属轴承，金属球头螺柱抵靠该涂层金属轴承枢转。然而，尽管涂层金属轴承可以提供理想的“开箱即用(out-of-box)”感，并且显示出长的使用寿命，但是它们制造成本通常很高。

为了降低与制造相关的成本，已知的是用玻璃填充的尼龙或纤维增强尼龙轴承来构造横拉杆端球形接头，金属球头螺柱抵靠该轴承枢转。尽管制造成本大大降低了，但是与金属轴承相比，玻璃填充的尼龙轴承的使用寿命缩短。

在制造这种承窝组件的过程中，在模制尼龙轴承之前，尼龙树脂必须充分干燥，以除去尼龙树脂中的任何水分，并使承窝组件中的可能腐蚀金属球头螺柱的水分最小化。因为水通常不可避免地进入承窝组件，如果不是在组装期间，则是在使用期间，因而即使采用了这种干燥操作，带有尼龙轴承的承窝组件的金属球头螺柱也会涂覆有耐腐蚀的材料以进一步地防腐蚀。

发明内容

本发明的一方面提供了一种球形接头承窝，其包括具有螺柱的壳体，该螺柱具有设置在壳体中的球形轴承表面，并且该球形接头承窝包括具有凹球形轴承表面的轴承，该凹球形轴承表面与螺柱的球形轴承表面形成滑动邻接。该轴承为整块的纤维增强的聚甲醛材料，包括围绕凹球形轴承表面周向地延伸的碳纤维。

已经发现使用纤维增强的聚甲醛材料，其包括围绕凹球形轴承表面周向地延伸的碳纤维，以降低制造成本的方式提供了意想不到的结果。具体地，已经发现纤维增强的聚甲醛材料具有一定的防水性能，使得轴承在轴承注塑成型前不必干燥。因此，不仅制造时间和成本降低了，而且使用不太复杂的不具有干燥能力的成型设备是可能的。

使用纤维增强的聚甲醛的轴承也为承窝组件提供了增强的操作寿命。在使用过程中，水通常不可避免地进入承窝组件。因为聚甲醛不吸水，所以承窝组件的每次重新润滑都会冲掉已经进入承窝组件内部的任何水分。相比之下，尼龙轴承使用的材料倾向于吸收承窝组件中的任何水分，使得在重新润滑期间水不能从承窝组件中被冲走。如果螺柱的球头由于与水接触而发生腐蚀，则腐蚀相当于磨料的作用，增加了轴承表面的磨损率。

根据本发明的另一方面，螺柱由金属制成，并且球形轴承表面未涂覆。已经发现，聚甲醛轴承的耐水性足以允许使用未涂覆的金属螺柱而不损害操作寿命，聚甲醛轴承的耐水性在重新润滑期间允许承窝组件中的任何水分从承窝组件中被冲走。使用未涂覆的螺柱进一步降低了承窝组件的制造成本。

根据本发明的另一方面，纤维增强的聚甲醛材料包括围绕凹球形轴承表面周向地延伸的玻璃纤维。

根据本发明的又一方面，纤维增强的聚甲醛材料的组合物包括：大于约57％的聚甲醛；大于0％且小于约30％的玻璃纤维；大于0％且小于约10％的碳纤维，以及大于0％且小于约10％的青铜薄片。

根据本发明的另一方面，纤维增强的聚甲醛材料包括大于0％且小于约3％的白色颜料。

根据本发明的另一方面，球形接头承窝设置在横拉杆端中。

根据本发明的另一方面，提供了一种构造球形接头承窝的方法。该方法包括将轴承插入到金属壳体中，该轴承构造为整块的纤维增强的聚甲醛材料，其包括围绕轴承的凹形球形轴承表面周向地延伸的碳纤维，并使该凹形球形轴承表面与螺柱的金属球形轴承表面形成滑动邻接。

根据本发明的又一方面，该方法包括提供纤维增强的聚甲醛材料的步骤，所述纤维增强的聚甲醛材料包括均围绕凹球形轴承表面周向地延伸的玻璃薄片。

根据本发明的另一方面，该方法包括提供包括具有以下组合物的纤维增强的聚甲醛材料的步骤：大于约57％的聚甲醛；大于0％且小于约30％的玻璃纤维；大于0％且小于约10％的碳纤维；和大于0％且小于约10％的青铜薄片。

根据本发明的另一方面，该方法包括提供纤维增强的聚甲醛材料包括大于0％且小于约3％的白色颜料的步骤。

根据本发明的另一方面，该方法包括将球形接头承窝插入横拉杆端中的步骤。

附图的简要说明

本发明的这些和其他方面、特征和优点，当结合以下对目前优选实施例和最佳方式、所附权利要求以及附图的详细描述时将更容易理解，其中：

图1是根据本发明的目前优选的一个方面构造的包括球形接头承窝的横拉杆端的剖视图；

图2是根据本发明的一个方面构造的图1的球形接头承窝的上轴承的平面图；

图3是图1的球形接头承窝的下轴承的平面图；以及

图4是图1的球形接头承窝的上轴承的透视正视图，示出了在注塑成型过程中材料流动的方向。

示例性实施例的详细描述

更详细地参考附图，图1示出了球形接头10，其作为示例示出为根据本发明的一个示例性实施例构造的外横拉杆端球型接头组件，在下文中称为横拉杆端10。横拉杆端10具有横拉杆壳体11，横拉杆壳体11具有端部13，端部13被被构造用于，例如经由调节器，附接到内部转向部件(未示出)，例如内部横拉杆组件。横拉杆端10还包括螺柱12，其在一端具有球形轴承表面14，基本上表示为球14，并且具有相反的端部18，该端部被构造用于，例如通过螺纹19，附接到车辆转向构件(未示出)。例如，车辆转向构件可以是车辆的转向节(未示出)。

横拉杆端10还包括球形承窝组件，在下文中称为承窝组件20，其具有上(或第一)轴承22和下(或第二)轴承24。上轴承22和下轴承24被构造以滑动接合螺柱12的球形轴承表面14。在使用中，在螺柱12的球形轴承表面14和承窝组件20之间的负载是径向的或是基本上径向的，例如，在大约400到1500磅之间，而在使用中施加在横拉杆端10的轴向负载可以忽略不计。在示例性实施例中，在组装期间通过将横拉杆壳体11的承窝21的端部围绕端盖23进行滚压成形或折叠来建立螺柱12的球形轴承表面14上的期望预负载，其中弹簧垫圈25夹在上轴承22和端盖23之间。上轴承22和下轴承24具有球形轴承表面，该轴承表面被构造成滑动地接合螺柱12的球形轴承表面14的相反侧。

例如，重负载的下轴承24可以设置为标准金属轴承，并且可以进一步涂覆有低摩擦涂层26。下轴承24可以由任何合适的硬化金属制成，例如烧结粉末金属。

在该示例性实施例的下轴承24具有在相对的两端之间延伸的外圆柱形壁28，并且壁28的尺寸适合于容纳在横拉杆11的壳体或承窝21中。下轴承24具有大体上凹入的球形轴承表面32，其具有与螺柱12的球形轴承表面14大致相似的球面曲率，用于与其滑动邻接。如图3中最佳示出的，在该示例性实施例中，下轴承24具有多个润滑槽34，其径向延伸到轴承表面32中。凹槽34在下轴承24的相对端之间延伸并穿过下轴承24的相对端，并且主要用于传递润滑剂，例如润滑脂，以防止润滑剂在承窝组件20内加压并减少轴承22,24和螺柱12的球形轴承表面14之间的摩擦，从而延长了横拉杆端10的使用寿命。应当理解，凹槽34可以根据需要成形为多种形状和深度。

螺柱12可以由任何合适的金属制成，例如AISI 4140钢。球形轴承表面14在此表示为大致球形并且未涂覆，即，没有任何润滑或耐腐蚀涂层。

上轴承22由新型热塑性纤维增强的聚甲醛(POM)塑料27(也称为缩醛，聚缩醛和聚甲醛)制成。由于新型热塑性纤维增强POM，上轴承22显示出基本上与金属轴承相当的长的使用寿命，为横拉杆端10提供期望的“开箱即用”感且在制造成本上比标准金属轴承，尼龙轴承或纤维增强轴承的成本低得多。相比于尼龙轴承或纤维增强尼龙轴承，因为在将上轴承22放置在壳体11中之前不需要进行干燥操作，上轴承22可以使用不太复杂的成型设备制造。

在制造过程中，上轴承22的纤维增强POM材料被注塑成型以为上轴承22提供其增强的性能特征。现在参照图4，在注塑成型期间，热塑性材料在由38大体表示的径向方向上流过浇口，于是材料在模腔内周向流动，大体上如箭头40所示，以形成上轴承22的几何构型。如图2所示，分散在尼龙41内的纤维包括碳纤维42、玻璃纤维44和青铜薄片46。纤维42、44和薄片46均匀地分散在尼龙41中，从而将上轴承22设置成均匀或大体上均匀的实心整块纤维增强材料27“作为注塑件”。上轴承22的纤维增强POM材料27包括以下尼龙和纤维的组合物：大于约57％的POM 41；大于0％且小于约30％的玻璃纤维44；大于0％且小于约10％的碳纤维42；大于0％且小于约10％的青铜薄片46，且如果需要增强外观，则包括小于约3％的白色颜料。POM 41提供强度和润滑性；玻璃纤维44提供强度；碳纤维42提供强度和润滑性；以及青铜薄片46提供耐用性和增强的外观。

上轴承22具有在相对的两端之间延伸的外圆柱形壁48，并且壁48的尺寸适合于容纳在下轴承24中。上轴承22具有大体上凹入的球形轴承表面50，其具有与螺柱12的球形轴承表面14大致相似的球面曲率，用于与沿周向地延伸的纤维42,44，薄片46和POM 41的滑动邻接。上轴承22还示出为具有多个润滑槽52，所述润滑槽52径向延伸到轴承表面50中。槽52在上轴承22的相对端之间延伸并且穿过上轴承22的相对端，并且主要用于传递润滑剂，例如油脂，为了防止润滑剂在轴承组件20内加压并减小轴承组件20和螺柱12的球形轴承表面14之间的摩擦，从而延长横拉杆端10的使用寿命。

提供一种构造球形接头10的示例性方法。该示例性方法包括将轴承22注塑成整块的纤维增强POM材料的步骤，该纤维增强POM材料包括围绕凹球形轴承表面50周向地延伸的碳纤维42。该方法接下来的步骤将轴承22插入与螺柱12的金属球形轴承表面14形成滑动邻接。轴承22可以被注塑成型以具有组合物包括：大于约57％的尼龙41；大于0％且小于约30％的玻璃纤维44；大于0％且小于约10％的碳纤维42；和大于0％且小于约10％的青铜薄片46，其中，玻璃纤维44和青铜薄片46均围绕凹球形轴承表面50周向地延伸。

显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化都是可能的。例如，如上所述，可以设想，螺柱12的球形轴承表面14可以具有用于引导润滑脂的凹槽，其中上轴承22和下轴承24成形为没有凹槽。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。

Claims (20)

1.一种球形接头，包括：

壳体；

螺柱，所述螺柱具有设置在所述壳体中的球形轴承表面；

轴承，所述轴承具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面与所述螺柱的所述球形轴承表面形成滑动邻接；并且

所述轴承为纤维增强的聚甲醛材料的整体件，所述纤维增强的聚甲醛材料包括围绕所述凹球形轴承表面周向地延伸的碳纤维。

2.如权利要求1所述的球形接头，其中，所述螺柱由金属制成，所述螺柱的所述球形轴承表面未涂覆。

3.如权利要求1所述的球形接头，其中，所述纤维增强的聚甲醛材料包括围绕所述凹球形轴承表面周向地延伸的玻璃纤维。

4.如权利要求3所述的球形接头，其中，所述纤维增强的聚甲醛材料的组合物包括：大于约57％的聚甲醛；大于0％且小于约30％的玻璃纤维；大于0％且小于约10％的碳纤维；以及大于0％且小于约10％的青铜薄片。

5.如权利要求4所述的球形接头，其中，所述纤维增强的聚甲醛材料包括大于0％且小于约3％的白色颜料。

6.如权利要求1所述的球形接头，其中，所述轴承是上轴承，并且进一步包括下轴承。

7.如权利要求6所述的球形接头，其中，所述上轴承容纳在所述下轴承中。

8.如权利要求6所述的球形接头，其中，所述上轴承和下轴承中的至少一个设置有润滑槽。

9.如权利要求6所述的球形接头，其中，所述下轴承设置有低摩擦涂层。

10.如权利要求6所述的球形接头，进一步包括端盖和夹在所述上轴承和所述端盖之间的弹簧垫圈。

11.如权利要求1所述的球形接头，其中，所述螺柱具有与所述球形轴承表面相对的具有螺纹的端部。

12.如权利要求1所述的球形接头，其中，所述纤维增强的聚甲醛材料包括独立的碳纤维，所述独立的碳纤维大体上全都沿圆周方向大致取向。

13.一种构造球形接头的方法，包括：

将轴承插入到金属壳体中，所述轴承被构造为整块的纤维增强的聚甲醛材料，所述纤维增强的聚甲醛材料包括围绕所述轴承的凹球形轴承表面周向地延伸的碳纤维，并使所述凹球形轴承表面与螺柱的金属球形轴承表面形成滑动邻接。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述螺柱的所述金属球形轴承表面未涂覆。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括提供所述纤维增强的聚甲醛材料，所述纤维增强的聚甲醛材料包括均围绕所述凹球形轴承表面周向地延伸的玻璃纤维。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括提供所述纤维增强的聚甲醛材料，所述纤维增强的聚甲醛材料具有组合物，所述组合物包括：大于约57％的聚甲醛；大于0％且小于约30％的玻璃纤维；大于0％且小于约10％的碳纤维；以及大于0％且小于约10％的青铜薄片。

17.权利要求15的方法，进一步包括提供所述纤维增强的聚甲醛材料，所述纤维增强的聚甲醛材料包括大于0％且小于约3％的白色颜料。

18.如权利要求13所述的方法，进一步包括在将所述轴承插入与所述螺柱的所述金属球形表面形成滑动邻接的步骤之前注塑轴承的步骤。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述注塑轴承的步骤在不干燥聚甲醛树脂的情况下完成。

20.如权利要求13所述的方法，其中，所述碳纤维在所述聚甲醛材料中沿整个所述轴承的圆周方向大致取向。