CN1856660A - 自润滑轴承 - Google Patents

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Abstract

一种用于在低压力、高频率、小振幅应用中使用的自润滑轴承，以及操作和构造该自润滑轴承的方法，所述轴承具有自润滑衬套(3)和与该自润滑衬套(3)紧密滑动接触的相对面表面(5)，该相对面表面(5)具有小于20nm的表面光洁度和小于1000VPN左右的硬度。

Description

自润滑轴承
技术领域
本发明涉及自润滑轴承，更具体地涉及用于在低压力或低应力、高频率、小振幅运动的应用中使用的自润滑轴承。
背景技术
自润滑轴承通常包括具有与相对面(counterface)滑动接触的衬套的壳体。对球面轴承而言，相对面包括球形，而且壳体设有自润滑衬套，该衬套包括充满树脂的织物或有孔纤维以与一些PTFE(聚四氟乙烯)或其它自润滑材料保持在一起。这些富含PTFE的衬套系统是公知的，且过去已得到了使用，特别是在球面轴承的低应力、高频率、小振幅运动的应用中。已经讨论过提供寿命足够长的自润滑轴承的困难，而且已经提出并实施了多种解决方案(包括收录在GB2170279中的方法)，由此形成的轴承包括极硬的相对面表面，该相对面表面包括厚度至少为50μm的厚而硬的被覆层，且具有不大于50nm的表面光洁度或粗糙度。在GB2170279中公开了采用表面抛光，使粗糙度最多为10至20nm大小。
GB2170279指出使用既具有极高硬度又具有极高光滑度的相对面。所述极高硬度指定为不小于1000VPN，且该硬度优选地为至少1100VPN，应指出的是，这一硬度水平对应于碳化钨被覆层材料。
许多年来一直认为诸如地面运输悬挂系统以及直升机飞行控制和旋转系统的低应力、高频率、小振幅运动的应用需要在GB2170279中公开的技术，即，具有极高硬度和光滑度的相对面的轴承。在相对面中采用极高硬度的具体想法是，为了防止包括较硬材料的碎屑(如来自衬套的树脂微粒以及来自相对面的金属微粒)损坏相对面的表面光洁度。一旦损坏了相对面的表面光洁度，则那些不规则或粗糙区域就进一步损坏衬套，以产生更多的衬套碎屑，致使轴承游隙增加，从而导致轴承寿命降低。
因而，一般的想法是必须将相对面表面制成比硬碎屑更硬，这就导致了GB2170279中要求的非常硬的相对面表面。这一要求早已使采用厚(大于50μm)的被覆层成为必要，而这些被覆层只能在施加后进行加工。因而，如果想要生成在低压力或低应力、高频率、小振幅运动的应用中使用时寿命与GB2170279中所述的相当的轴承，那么与GB2170279中指定的特征(尤其对于相对面的硬度和表面光洁度来说)的任何偏离都被认为是不适宜的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自润滑衬套，该自润滑衬套不受使用极高硬度相对面的要求的限制，并在与GB2170279中所公开的相同的运行条件下提供至少相当的性能和使用寿命。
因此，本发明的一个方面提供了一种用于在低压力、高频率、小振幅应用中使用的自润滑轴承，该轴承具有自润滑衬套和与该衬套紧密滑动接触的相对面表面，该相对面表面具有小于20nm的表面光洁度和小于1000VPN左右的硬度。
优选地，所述相对面表面的表面光洁度在5nm至20nm的范围内。
适宜地，所述相对面表面包括在曲面上的被覆层，该曲面具有电解磨削修整面(finish)。
有利地，在所述电解磨削修整面之上的所述被覆层的厚度在1μm至5μm之间。
优选地，所述被覆层为化学沉积被覆层、物理气相沉积被覆层或离子镀被覆层。
适宜地，所述轴承为球面轴承。
有利地，所述球面轴承包括球，该球提供所述相对面表面。
优选地，使用中的运行条件为应力小于35MPa、频率为至少0.1Hz、且振幅包括小于±12°旋转的小角度运动。
本发明的另一方面提供了一种构造自润滑轴承的方法，该方法包括以下步骤：提供具有曲面的自润滑衬套；提供具有曲面的相对面；将所述相对面的所述曲面电解磨削至小于20nm的表面光洁度，从而生成硬度小于1000VPN的相对面表面；以及将所述衬套的所述曲面以及所述相对面表面布置成彼此滑动接触。
适宜地，所述曲面为相应弯曲的表面。
本发明的又一方面提供了一种操作自润滑轴承的方法，该自润滑轴承具有自润滑衬套和与该自润滑衬套紧密滑动接触的相对面表面，所述相对面表面的表面光洁度小于20nm，且硬度小于1000VPN，其中运行条件为应力小于35MPa、频率为至少0.1Hz、且振幅包括小于±12°旋转的小角度运动。
附图说明
为了更容易地理解本发明，现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施例，在这些附图中：
图1是根据本发明的自润滑轴承的细节的剖面图；
图2是根据本发明的轴承和已知轴承的磨损测试结果的图解比较；和
图3是根据本发明的轴承和已知轴承的磨损测试结果的图示。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的自润滑球面轴承具体设计成在低压力或低应力、高频率和小振幅运动的条件下使用。这些条件更具体地为：应力小于35MPa、频率为至少0.1Hz(直升机应用中通常为5至30Hz)、且振幅包括小于±12°旋转和±5°倾斜的小角度运动。这些条件通常出现在直升机飞行控制和旋转系统以及地面运输悬挂系统中。根据本发明的自润滑球面轴承包括具有球面支承表面2的壳体1，在该支承表面2上结合有衬套系统3。具有与衬套系统3紧密接触的相对面表面5的球4座放在壳体中并通常被限制在壳体内。本发明可适用于其它形式的自润滑轴承，而并非专用于球面轴承。具有与相对面滑动接触的滑动表面的其它形式的轴承的示例包括圆柱轴颈轴承以及平面接触轴承(flat contactbearing)。
在相对面5与衬套系统3的滑动表面6之间存在滑动接触。
衬套系统3包括富含PTFE的自润滑衬套系统。该衬套系统为诸如由NMB Minebea生产的低摩擦系数衬套系统，并包括在PTFE/树脂基体上的富集PTFE的表面，其通过平纹Nomex(商标)织物增强。
与GB2170279中指出的全然不同的是，相对面表面5不具有在GB2170279中要求的极高硬度。优选地按照AMS5630热处理过的钢合金球的相对面表面5的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)。而且，相对面表面5制备成表面粗糙度为5nm大小，且优选地在5nm至20nm的范围内。
改善表面纹理、减少表面光洁度的瑕疵以及衬套的富集PTFE的表面对本发明来说是极其重要的，这是因为它取消了如在GB2170279中所指定的对相对面表面极高硬度的要求(这至今都认为是基本的)。通过采用在5nm至20nm范围内的表面光洁度，惊奇地发现相对面表面5即使是在比GB2170279中指出的极高硬度软的时候，与所述衬套系统组合在一起也可产生对该相对面表面较小的损坏，因而不会破坏相对面表面5良好的表面光洁度，从而使轴承寿命较长。
得到5nm至20nm范围内的所需表面光洁度的最优选方法为通过如在EP-A-1078714中阐述的电解磨削。以前该方法还没有被用来改善球面轴承的表面光洁度。在制造并采用传统的轴承磨光技术之后，将得到40nm左右的表面光洁度，而电解磨削方法会产生大小为5nm至20nm的大大改善了的表面光洁度。
通过在电解磨削修整面之上采用被覆层(如1μm至5μm之间的物理气相沉积被覆层)，可进一步改善表面光洁度以及磨损特性。物理气相沉积被覆层不能与GB2170279中指定的轴承一起使用，这是因为被覆层(包括相对面表面)的必要硬度在由这些沉积技术生成的较小被覆层厚度下是不能实现的。相反地，因为所要求保护的发明不需要硬度极高的被覆层，所以可容易地采用化学沉积或气相沉积以及离子镀技术。物理气相沉积被覆层使相对面表面具有1000VPN左右的硬度，这仍然低于GB2170279中指出的极高硬度。
测试结果已经显示出，与在不具有改善了的20nm或更低的表面光洁度的轴承表面上进行的类似测试相比，根据本发明轴承的轴承寿命得以改善。图2中所示的结果示出了对于两种不同轴承等级获得的磨损结果的范围，这两种轴承等级即为传统光洁度(70nm左右)以及根据本发明轴承的光洁度(5至20nm范围内)。
而且，参考图3，示出了以下轴承的磨损测试结果：
示例1包括具有按照AMS5630热处理过的钢合金球的轴承，该球的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)且具有传统表面光洁度(70nm左右)；
示例2包括具有按照AMS5630热处理过的另一钢合金球的轴承，该球的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)且具有传统的表面光洁度(70nm左右)；
示例3包括具有按照AMS5630热处理过的钢合金球的轴承，该球的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)，具有电解磨削的表面光洁度(小于20nm)，且没有被覆层；
示例4包括具有按照AMS5630热处理过的钢合金球的轴承，该球的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)，具有电解磨削的表面光洁度(小于20nm)，且具有物理气相沉积被覆层；
示例5包括具有按照AMS5630热处理过的另一钢合金球的轴承，该球的硬度为56Rc至62Rc(650至750VPN)，具有电解磨削的表面光洁度(小于20nm)，且具有物理气相沉积被覆层；
示例6包括具有按照GB2170279制造的球的轴承，且该球没有被覆层；以及
示例7包括具有按照GB2170279制造的球的轴承，该球带有碳化钨被覆层。
应指出的是，只有示例3、4和5包括本发明的实施例。
在本说明书中，“包括”是指“包含或由…组成”。
在上述描述、或在所附权利要求、或在附图中公开的特征(以这些特征的具体形式或根据用于执行所公开功能的装置、或者用于获得所公开结果的方法或过程进行说明)，可适当地单独或以这些特征的任何组合应用于以其各种方式实现本发明。

Claims (13)

1、一种用于在低压力、高频率、小振幅应用中使用的自润滑轴承，该轴承具有自润滑衬套和与该自润滑衬套紧密滑动接触的相对面表面，该相对面表面具有小于20nm的表面光洁度以及小于1000VPN左右的硬度。
2、根据权利要求1所述的自润滑轴承，其特征在于，所述相对面表面的表面光洁度在5nm至20nm的范围内。
3、根据权利要求1或2所述的自润滑轴承，其特征在于，所述相对面表面包括在曲面上的被覆层，该曲面具有电解磨削修整面。
4、根据权利要求3所述的自润滑轴承，其特征在于，在所述电解磨削修整面之上的所述被覆层的厚度在1μm至5μm之间。
5、根据权利要求3或4所述的自润滑轴承，其特征在于，所述被覆层为化学沉积被覆层、物理气相沉积被覆层或离子镀被覆层。
6、根据上述权利要求中任一项所述的自润滑轴承，其特征在于，所述轴承为球面轴承。
7、根据权利要求6所述的自润滑轴承，其特征在于，所述球面轴承包括球，该球提供所述相对面表面。
8、根据上述权利要求中任一项所述的自润滑轴承，其特征在于，使用中的运行条件为压力小于35MPa、频率为至少0.1Hz、且振幅包括小于±12°旋转的小角度运动。
9、一种构造自润滑轴承的方法，包括以下步骤：
提供具有曲面的自润滑衬套；
提供具有曲面的相对面；
将所述相对面的所述曲面电解磨削至小于20nm的表面光洁度，从而生成硬度小于1000VPN的相对面表面；以及
将所述衬套的所述曲面以及所述相对面表面布置成彼此滑动接触。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述曲面为相应弯曲的表面。
11、一种操作自润滑轴承的方法，该轴承具有自润滑衬套和与该自润滑衬套紧密滑动接触的相对面表面，所述相对面表面的表面光洁度小于20nm，且硬度小于1000VPN，其中运行条件为应力小于35MPa、频率为至少0.1Hz、且振幅包括小于±12°旋转的小角度运动。
12、一种大致如以上参考附图所述且如附图所示的自润滑轴承。
13、一种大致如以上参考附图所述且如附图所示的自润滑轴承的构造方法或操作方法。
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