CN111853051B - 用于稀润滑应用的具有泵送特征部的液力止推垫圈 - Google Patents

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Abstract

一种止推垫圈，包括环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面、在所述第一轴向面与所述第二轴向面之间延伸的外直径边缘和内直径边缘。所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个凹陷槽，所述多个凹陷槽至少部分地在所述内边缘和所述外边缘之间延伸并在所述凹陷槽之间限定非凹陷槽脊。所述多个凹陷槽包括过渡到所述槽脊的过渡区域和通过在所述勺形区域与渐缩区域之间延伸的阶状壁部分而与所述过渡区域分开的勺形区域。所述凹陷槽可包括方向性对称的双向槽以用于具有双向旋转的系统。

Description

用于稀润滑应用的具有泵送特征部的液力止推垫圈
技术领域
本公开涉及用于稀润滑应用的具有泵送特征部的液力止推垫圈。
背景技术
此部分提供与本公开相关的背景信息，其并不一定是现有技术。
止推垫圈会由于失去润滑以及高的界面温度条件而失效。对于聚合物推力轴承，一种常见的失效模式是由于因失去润滑而直接导致的过高的界面温度。由于现有设计无法通过克服离心力有效地将润滑剂泵入界面，这种失效模式在只能在轴承外径(OD)处进行润滑的应用中非常突出。因此，在此种应用条件下使用聚合物轴承一直是一个挑战。
发明内容
此部分提供对本公开的总体概述而不是其全部范围或其所有特征的全面披露。
本公开涉及由热塑性材料、热固性材料、金属材料或陶瓷材料制成的止推轴承。本公开使用改善的槽特征部来提高形成薄润滑剂膜的能力。该特征部允许更好的膜生成，并由此降低摩擦和界面温度。这些特征部允许使用非常低的润滑条件，因为它们比常规的槽几何形状更有效地使用润滑剂。这些新设计的结果允许它们用于更激进的速度和压力应用，同时与现今使用的设计相比还降低了扭矩。
新的槽特征部将润滑剂从垫圈的OD泵送到内径(ID)，同时提供液力性能。这些特征部在某个速度范围内提供最佳的润滑剂流动量以将摩擦阻力保持在最小并允许使用非常低的润滑条件，因为它们比常规的槽几何形状更有效地使用润滑剂。
根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。该发明内容部分中的描述和具体实例仅旨在用于说明的目的而并非旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于选定实施方案的说明目的，并不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据第一实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图2是与图1中所示的止推垫圈类似的止推垫圈的平面图，其具有较少数量的液力槽特征部；
图3是图1和图2中所示的止推垫圈的液力特征部的详细平面图；
图4是根据第二实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图5是根据第三实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图6是根据第四实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图7是图6中所示的止推垫圈的液力特征部的详细平面图；
图8是根据第五实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图9是根据第六实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图10是图9中所示的止推垫圈的局部平面图；
图11是图8中所示的止推垫圈的液力特征部的详细平面图；
图12是根据止推垫圈的第七实施方案的液力特征部的详细平面图；
图13是图12中所示的止推垫圈的液力特征部的侧视平面图；
图14是图4中所示的液力特征部的详细平面图；
图15是图14中所示的止推垫圈的液力特征部的侧视平面图；
图16是根据第八实施方案的具有液力特征部的止推垫圈的透视图；
图17是提供用于本公开的各种止推垫圈设计的临界速度比较的图；
图18是提供用于本公开的各种止推垫圈设计的泵送速率比较的图；
图19是用于本公开的各种止推垫圈设计的临界速度对入口角度的图；
图20是用于本公开的各种止推垫圈设计的泵送速率对入口角度的图；
图21是具有对称双向液力槽的止推垫圈的透视图；并且
图22是根据替代实施方案的具有对称双向液力槽的止推垫圈的透视图。
贯穿附图的若干视图，对应的参考标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方案。
提供示例实施方案是为了透彻说明本公开，并且向本领域的技术人员充分传达其范围。诸如具体部件、装置和方法的许多具体细节被阐述以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对本领域的技术人员来说显而易见的是不必采用特定的细节，而可以用多种不同的形式实施示例性实施方案，并且这些特定的细节都不应解释为是对本公开的范围的限制。在一些示例实施方案中，对公知的过程、公知的装置结构以及公知的技术未做详细描述。
本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施方案的目的，并不是为了限制。如本文使用，单数形式“一个(种)”和“所述”意欲也包括复数形式，除非上下文明确另外指示。术语“包括”、“含有”、“包含”和“具有”都是包括性的并且因此指定所陈述特征、整合物、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或加入一种或多种其他特征、整合物、步骤、操作、元件、部件和/或它们的集合。本文所述的方法、步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或说明的特定顺序执行，除非特别指出为执行的顺序。还应理解，可以采用另外的或替代的步骤。
当一个元件或层涉及“在……上”、“接合到”、“连接到”、或“联接到”另一元件或层时，它可以是直接在该另一元件或层上、接合、连接或联接到该另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当一个元件涉及“直接在……上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，就可不存在中间元件或层。用于描述这些元件之间关系的其他词语应该以类似的方式进行解释(例如，“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联列出项目的任何和所有组合。
虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等在此可以用来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。术语诸如“第一”、“第二”和其他数字术语在本文中使用时并不暗示序列或顺序，除非上下文明确指出。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被术语化为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例实施方案的教导。
空间性相对术语，诸如“内”、“外”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等在此是为了使得对如这些附图中所示出的一个元件或特征相对于另一个或多个元件或者一个或多个特征的关系的描述易于阐释。空间性相对术语可旨在除了图中所描绘的定向之外，还包括在使用中或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置翻转，那么描述为在其他元件或特征部“下方”或“之下”的元件将被定向为在其他元件或特征部“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种定向。该装置可被另外定向(旋转90度或处于其他定向)，并且本文使用的空间性相对描述符亦相应地解释。
参考图1，止推轴承10被示为包括环形主体12，所述环形主体中具有孔14。环形主体12具有第一轴向面16和第二轴向面18连同在第一轴向面16和第二轴向面18之间延伸的外径侧壁20和内径侧壁22。轴向面16、18中的至少一者包括从内径侧壁22延伸到外径侧壁20的多个凹陷液力槽特征部24，如在轴向面16中所示。轴向面16包括设置在凹陷液力槽特征部24之间的多个平面槽脊26。图2和图3的液力槽特征部24与图1中的液力槽特征部24相同，不同之处在于图1示出18个液力槽特征部24而图2和图3示出12个液力槽特征部24。应理解，液力槽特征部24的数量可以基于特定应用来选择。以举例的方式，图6示出了八个液力槽特征部24。
根据本公开的止推轴承由热塑性材料、热固性材料或其他工程材料制成，所述材料包括使用机械加工、模制、烧结、冲压或其他技术制造的金属和陶瓷。图1至图16和图21至图22所提出的设计特定于可在轴承的外径(OD)处而不是内径(ID)处进行润滑的应用。润滑可用性可为在OD处(OD处比ID处压力高)加压润滑，或在OD处利用润滑剂的稀可用性进行飞溅式润滑。
凹陷液力槽特征部24可由螺旋形槽组成，所述螺旋形槽可具有径向轮廓R1。如图1至图3中所示，径向轮廓R可小于内径的一半，如图2和图3中所示出。作为替代，如图6和图7中所示，径向轮廓R2可等于OD的四分之一。作为进一步的替代，如图8中所示，径向轮廓R3可大于OD的四分之一。应理解，径向轮廓R可基于期望的应用来选择，并且可具有范围为0.005英寸至0.95*ID的半径值。此外，径向轮廓可相切于入口角，并且可以是圆形、椭圆形、双曲线形或对数形。
凹陷液力槽特征部24包括从平面槽脊26过渡的第一过渡槽区域24A以及相对于过渡槽区域24A和平面槽脊26逐渐降低的勺形区域24B。凹陷液力槽特征部24的过渡槽区域24A包括由径向轮廓R的切线相对于圆形外侧壁20的切线的角度限定的入口角α。入口角的范围可为0°至85°。如图3中所示，角α被示为15°。替代地，如图7中所示，角α被示为0°。应理解，入口角α可基于期望的应用来选择。此外，勺形区域24B可被设计为具有指定深度D(图13和图15中最佳示出)、尖端半径Rt、引入半径RLi和转接半径Rb，如由图11的详细视图中最佳示出。勺形尖端半径Rt的范围为0.001英寸至0.1英寸。勺形引入半径RLi的范围可为0.005英寸至0.75英寸。勺形转接半径Rb的范围可为0.005英寸至1.0英寸。如图4和图5所示，勺形区域24B的入口端30取决于期望的应用可被设计为周向更长或更短。
勺形区域24B被设计为对于某个转速范围通过克服离心力(其产生作用以向外推动流体)来将可用于垫圈的OD处的润滑剂泵送到ID。液力槽24的过渡槽区域24A通过产生并保持流体膜帮助促进流体流入垫圈10的槽脊26，以在一定范围的负荷、速度和润滑条件下支持推力，从而使得槽脊表面26的摩擦损失和磨损最小化。将流体从垫圈10的OD吸到ID的能力使得垫圈10能够在OD飞溅环境和加压润滑环境中操作。
槽特征部已使用分析工具进行设计并且也已在测试台进行验证。测试结果在图17至图20中进行总结，其示出了用于图1、图4至图6、图9和图16中的设计的临界速度和泵送速率。临界速度被定义为对应于泵送速率变为零时的速度。结果也与常规现有技术设计PA1、PA2进行了对比。可以看出，与基础设计PA1和PA2相比，所开发的设计已显著改进了临界速度和泵送速率。
图9至图11的止推垫圈110包括V形槽124。图9的V形槽124包括形成V形的内段128和外段130，所述V形指向垫圈10的周向方向。V形槽124代替螺旋形槽24并包括过渡槽区域124A和勺形区域124B。V形槽124实现独特的结果，在于，其具有增高的临界速度但具有低的泵送速率，因为该设计主要通过从轴承的ID和OD两者泵送流体来促进流体膜的生成。V型槽124可用于使用在ID和OD两者处可用的流体来润滑界面。V形槽特征部可在OD和ID的槽之间设置有偏移量。
基于应用条件，止推垫圈设计的参数可定制以满足特定操作要求。这些新的设计理想地用于OD飞溅润滑应用和OD加压应用。
图12示出根据第七实施方案的示例性凹陷液力槽特征部24的详细平面图。图13是垫圈10的侧视平面图，示出勺形区域24B的入口端30和过渡槽区域24A。在图12和图13的实施方案中，勺形区域24B的入口端30具有入口长度L1，其在周向上短于过渡槽区域24A的入口端的入口长度L2。勺形区域24B具有深度D，并且勺形区域24B与过渡槽区域24A之间的阶状区域32可为弧形的或成角度的且可具有从勺形区域24B向上延伸的高度H。
图14示出根据第四实施方案的示例性凹陷液力槽特征部24的详细平面图。图15是垫圈10的侧视平面图，示出勺形区域24B的入口端30和过渡槽区域24A。在图14和图15的实施方案中，勺形区域24B的入口端30在周向上长于过渡槽区域24A的入口端。
参考图16，示出了根据第八实施方案的垫圈10，其中凹陷液力槽特征部24与在径向方向上延伸的渐缩槽40组合。渐缩槽40在径向向外方向上变窄。应理解，可以将其他形状的渐缩槽或直槽与凹陷液力槽特征部24组合。
应注意，上述的槽特征部24可采用于止推垫圈10的一面或两面，如图21和图22中所示。止推垫圈10的两面上的槽特征部24可以如图所示对准，或周向偏移。止推垫圈10的两面上的槽特征部24可以偏移或成镜像。止推垫圈10的两面上的槽特征部24，其中槽24重叠但被镜像，使得当从顶部观察时，相对面上的槽交叠。
参考图21，示出了根据进一步实施方案的止推垫圈210，其包括双向对称槽224。止推垫圈210包括环形主体212，所述环形主体中具有孔214。环形主体212具有第一轴向面216和第二轴向面218连同在第一轴向面216和第二轴向面218之间延伸的外径侧壁220和内径侧壁222。轴向面216、218中的至少一者包括从内径侧壁222延伸到外径侧壁220的多个对称凹陷液力槽特征部224，如在轴向面216中所示。轴向面216包括设置在凹陷液力槽特征部224之间的多个平面槽脊226A、226B。槽脊226A位于液力槽特征部224的内部侧且槽脊226B位于液力槽特征部224的外部侧。凹陷液力槽特征部224包括从平面槽脊226B过渡的第一过渡槽区域224A以及相对于过渡槽区域224A和平面槽脊226A逐渐降低的勺形区域224B。凹陷液力槽特征部224的过渡槽区域224A包括由径向轮廓R的切线相对于圆形外侧壁220的切线的角度限定的入口角α。另外的过渡槽区域224C可设置在勺形区域224B的内部侧。双向对称槽224允许在两个方向上相对旋转而不损害对槽脊表面226的润滑。
参考图22，示出了根据进一步实施方案的止推垫圈310，其包括双向对称槽324。止推垫圈310包括环形主体312，所述环形主体中具有孔314。环形主体312具有第一轴向面316和第二轴向面318连同在第一轴向面316和第二轴向面318之间延伸的外径侧壁320和内径侧壁322。轴向面316、318中的至少一者(且可选地两者)包括从内径侧壁322延伸到外径侧壁320的多个对称凹陷液力槽特征部324，如在轴向面316中所示。轴向面316包括设置在凹陷液力槽特征部324之间的多个平面槽脊326A、326B。槽脊326A位于液力槽特征部324的内部侧且槽脊326B位于液力槽特征部324的外部侧。凹陷液力槽特征部324包括从平面槽脊326B过渡的第一过渡槽区域324A以及相对于过渡槽区域324A和平面槽脊326A逐渐降低的勺形区域324B。凹陷液力槽特征部324的过渡槽区域324A包括由径向轮廓R的切线相对于圆形外侧壁320的切线的角度限定的入口角α。另外的过渡槽区域324C可设置在勺形区域324B的内部侧。此外，作为图21的实施方案的变型，勺形区域的入口端从外径侧壁320向内凹入，使得另外的过渡槽区域324D可以设置在外部槽脊226B的径向外侧。双向对称槽324允许在两个方向上相对旋转而不损害对槽脊表面326的润滑。
已经提供了实施方案的前述描述以用于说明和描述目的。其并不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的个别元件或特征部通常不限于该特定实施方案，而是在适当的情况下是可以互换的，并且可用于选定实施方案中，即使没有具体示出或描述。也可以用多种方式来对其加以变化。此类变化不应被视为脱离本公开，并且所有此类更改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (19)

1.一种止推垫圈，其包括：
环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面；在所述第一轴向面与所述第二轴向面之间延伸的外侧壁和内侧壁，其中所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个曲线形凹陷槽，所述多个曲线形凹陷槽至少部分地在所述内侧壁与所述外侧壁之间延伸并在所述多个曲线形凹陷槽之间限定非凹陷槽脊，所述多个曲线形凹陷槽限定过渡到所述槽脊的过渡区域和通过阶状壁部分与所述过渡区域分开的勺形区域，所述阶状壁部分在所述勺形区域与所述过渡区域之间延伸；其中，所述多个曲线形凹陷槽具有径向轮廓，所述径向轮廓是圆形、椭圆形、双曲线形或对数形中的一者；其中，所述过渡区域在所述径向轮廓的外部部分上且所述勺形区域在所述径向轮廓的内部部分上；
其中，所述勺形区域具有通向所述外侧壁中的入口端。
2.根据权利要求1所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分沿着所述外侧壁限定尖端。
3.根据权利要求2所述的止推垫圈，其中所述尖端具有在0.001英寸至0.1英寸之间的尖端半径Rt。
4.根据权利要求1所述的止推垫圈，其中所述多个凹陷槽包括至少四个槽。
5.根据权利要求1所述的止推垫圈，其还包括设置在所述至少一个轴向面中的多个直凹陷槽。
6.根据权利要求1所述的止推垫圈，其中所述多个凹陷槽设置在所述环形主体的所述第一轴向面和所述第二轴向面上。
7.一种止推垫圈，其包括：
环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面；在所述第一轴向面与所述第二轴向面之间延伸的外侧壁和内侧壁，其中所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个凹陷槽，所述多个凹陷槽至少部分地在所述内侧壁与所述外侧壁之间延伸并在所述多个凹陷槽之间限定非凹陷槽脊，所述多个凹陷槽限定过渡到所述槽脊的过渡区域和通过阶状壁部分与所述过渡区域分开的勺形区域，所述阶状壁部分在所述勺形区域与所述过渡区域之间延伸；
其中，所述多个凹陷槽具有V形形状，并且其中所述过渡区域在所述V形形状的外部部分上且所述勺形区域在所述V形形状的内部部分上。
8.一种止推垫圈，其包括：
环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面；在所述第一轴向面与所述第二轴向面之间延伸的外侧壁和内侧壁，其中所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个凹陷槽，所述多个凹陷槽至少部分地在所述内侧壁与所述外侧壁之间延伸并在所述多个凹陷槽之间限定非凹陷槽脊，所述多个凹陷槽限定过渡到所述槽脊的过渡区域和通过阶状壁部分与所述过渡区域分开的勺形区域，所述阶状壁部分在所述勺形区域与所述过渡区域之间延伸；其中，所述多个凹陷槽具有径向轮廓，所述径向轮廓是圆形、椭圆形、双曲线形或对数形中的一者；其中，所述过渡区域在所述径向轮廓的外部部分上且所述勺形区域在所述径向轮廓的内部部分上；
其中，所述勺形区域具有通向所述外侧壁中的入口端；其中所述阶状壁部分沿着所述外侧壁限定尖端；其中所述多个凹陷槽具有的径向轮廓具有相对于所述外侧壁的切线在0°到85°之间的入口角。
9.一种止推垫圈，其包括：
环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面；在所述第一轴向面与所述第二轴向面之间延伸的外侧壁和内侧壁，其中所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个凹陷槽，所述多个凹陷槽至少部分地在所述内侧壁与所述外侧壁之间延伸并在所述多个凹陷槽之间限定非凹陷槽脊，所述多个凹陷槽限定过渡到所述槽脊的过渡区域和通过阶状壁部分与所述过渡区域分开的勺形区域，所述阶状壁部分在所述勺形区域与所述过渡区域之间延伸；其中，所述多个凹陷槽具有径向轮廓，所述径向轮廓是圆形、椭圆形、双曲线形或对数形中的一者；其中，所述过渡区域在所述径向轮廓的外部部分上且所述勺形区域在所述径向轮廓的内部部分上；
其中，所述勺形区域具有通向所述外侧壁中的入口端；其中所述阶状壁部分沿着所述外侧壁限定尖端；其中所述尖端具有在0.001英寸至0.1英寸之间的尖端半径Rt；其中所述阶状壁部分具有从所述尖端延伸的在0.005英寸到0.75英寸之间的勺形引入半径RLi。
10.根据权利要求9所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分具有从所述勺形引入半径延伸的在0.005英寸到1.0英寸之间的勺形转接半径Rb。
11.一种止推垫圈，其包括：
环形主体，所述环形主体在其中具有孔并具有第一轴向面和第二轴向面；在所述第一轴向面和所述第二轴向面之间延伸的外侧壁和内侧壁，其中所述第一轴向面和所述第二轴向面中的至少一者包括多个凹陷对称双向槽，所述多个凹陷对称双向槽至少部分地在所述内侧壁和所述外侧壁之间延伸并在所述多个凹陷对称双向槽之间限定非凹陷槽脊，所述多个凹陷对称双向槽限定过渡到所述槽脊的过渡区域和通过阶状壁部分与所述过渡区域分开的勺形区域，所述阶状壁部分在所述勺形区域与所述过渡区域之间延伸；
其中，所述多个凹陷对称双向槽具有径向轮廓，所述径向轮廓是圆形、椭圆形、双曲线形或对数形中的一者，其中所述过渡区域在所述径向轮廓的外部部分上且所述勺形区域在所述径向轮廓的内部部分上；
其中，所述勺形区域具有通向所述外侧壁中的入口端。
12.根据权利要求11所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分沿着所述外侧壁限定尖端。
13.根据权利要求11所述的止推垫圈，其中所述勺形区域具有与所述外侧壁径向向内间隔开的入口端。
14.根据权利要求13所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分限定与所述外侧壁径向向内间隔开的尖端。
15.根据权利要求12所述的止推垫圈，其中所述多个凹陷对称双向槽具有的径向轮廓具有相对于所述外侧壁的切线在0°到85°之间的入口角。
16.根据权利要求12所述的止推垫圈，其中所述尖端具有在0.001英寸至0.1英寸之间的尖端半径Rt。
17.根据权利要求16所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分具有从所述尖端延伸的在0.005英寸到0.75英寸之间的勺形引入半径RLi。
18.根据权利要求17所述的止推垫圈，其中所述阶状壁部分具有从所述勺形引入半径延伸的在0.005英寸到1.0英寸之间的勺形转接半径Rb。
19.根据权利要求11所述的止推垫圈，其中所述多个凹陷对称双向槽设置在所述环形主体的所述第一轴向面和所述第二轴向面上。
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