JP5968223B2 - 機能的な層を備えた軸受およびトレランスリングのためのシステム、方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、可動部品間にある軸受およびトレランスリングに関し、特に、機能的な層を備えた軸受またはトレランスリングのための改良後のシステム、方法および装置に関する。

軸受およびトレランスリングは、ハウジング穴内の回転シャフトのような互いに対して動く部品間の動きを抑制する。そのような構造の例は、シャフトの外部表面と穴の内部表面との間の間隙にある環状帯である。このトレランスリングは相対的な運動をなお可能にする一方で穴内におけるシャフトの半径方向または軸方向の動きを制限する。

従来の設計では、内部構成要素と外部構成要素との間にはしまり嵌めが要求される。加えて、最大摩擦係合を提供する力または摺動力の最小変動を提供する力のいずれかが要求される。部品間の相対的な振動を低減するという理由のため構成要素間のしまり嵌めが望ましい。

トレランスリングは公差または位置の不整合を補償することができ、トルクを生成し、騒音、振動およびハーシュネス（ＮＶＨ）特性のような他の特性を向上させることができる。トルクおよびさらにはＮＶＨは、通常、ステンレスまたは炭素鋼のみから形成されている一般的なトレランスリングの材料特性の影響を主に受ける。内部構成要素と外部構成要素との間のこれらの要件は強固なおよび堅固な接触を必要とし、これが摩擦力を増加させる。これらの解決策はいくつかの用途では実施可能であるが、軸受およびトレランスリングの改良には引き続き関心が持たれている。

機能的な層を備えた軸受およびトレランスリングのためのシステム、方法および装置の実施形態が開示される。いくつかの様式では、アセンブリは、外部構成要素と、外部構成要素内にあり外部構成要素に対して可動可能な内部構成要素と、内部構成要素と外部構成要素との間に取り付けられているトレランスリングまたは軸受とを含む。トレランスリングまたは軸受は、金属製の環状帯と金属層に固定されるエラストマ層とを含んでもよい。

他の実施形態では、アセンブリは環状帯およびエラストマ層のうちの少なくとも１つの上にある低摩擦層をさらに含む。環状帯はばね鋼から形成されてもよく、トレランスリングの摺動特性を向上させるために低摩擦層が環状帯の少なくとも１つの面に積層されてもよい。低摩擦層は環状帯上のエラストマ層と逆側に配置されてもよい。低摩擦層はＰＴＦＥからなってもよく、環状帯またはエラストマ層に接合されてもよい。アセンブリは環状帯とエラストマ層との間の接着またはプライマー層をさらに含んでもよい。

当業者は添付の図面を参照することによって本開示をより良く理解することができるとともに、その多くの機能および利点を明らかにすることができる。

図１Ａ、ＢおよびＣは、本発明に従って構成されるトレランスリングの他の実施形態の側部断面図である。 図２は、本発明に従って構成されるトレランスリングの別の実施形態の側部断面図である。 図３Ａ、ＢおよびＣは、本発明に従って構成されるトレランスリングのさらに別の実施形態の側部断面図である。

異なる図面における同じ参照符号の使用は類似または同一の物品を示す。

機能的な層を備えた軸受およびトレランスリングのためのシステム、方法および装置の実施形態が図１〜３に開示される。例えば、図は、中に軸線を有する穴２５を有する外部構成要素２３を含むトレランスリングアセンブリ２１を示す。内部構成要素２７は外部構成要素２３の穴２５内に取り付けられており、外部表面２９を有する。内部構成要素２７は外部構成要素２３と係合し、外部構成要素に対して可動可能である。

軸受またはトレランスリング３１は内部構成要素２７と外部構成要素２３のと間の穴２５内にある。軸受またはトレランスリング３１は複数のウェーブ３８（例えば、図１Ａには３つが示される）を備えて構成される。示されるように、ウェーブ３８の山部および谷部（ｐｅａｋｓ ａｎｄ ｖａｌｌｅｙｓ）が外部構成要素２３と内部構成要素２７との間において起伏し、それら各々の表面２５、２９に接する。

トレランスリング３１は、金属材料から形成される環状帯３３と、環状帯３３上のエラストマ層３５と、環状帯３３およびエラストマ層３５のうちの少なくとも１つの上にある低摩擦層３７（図２〜図３Ｃ）とを含む。環状帯３３はばね鋼から形成されてもよく、低摩擦層３７が環状帯の少なくとも１つの面に積層されてもよい。

図２に示すように、低摩擦層３７はエラストマ層３５と逆側の環状帯３３上に配置されてもよい。低摩擦層３７はＰＴＦＥからなってもよく、環状帯３３またはエラストマ層３５のうちの１つに接合剤または接着剤３９で接合される。エラストマ層は、例えば、ニトリルゴム、オレフィンエラストマ材料、ポリエーテル−／ポリエステル−エラストマ材料、エチレン−プロピレン−エラストマ材料、エチレン−アクリル系ゴム、フルオロエラストマ材料からなってもよい。接着剤３９は、また、環状帯３３とエラストマ層３５との間、および低摩擦層３７と環状帯および／またはエラストマ層との間にプライマーを含んでもよい。

本明細書中に開示される実施形態は従来の解決策よりも顕著な利点を有する。例えば、軸受またはトレランスリングとエラストマ裏材との組み合わせはより軟質の性能を有するトレランスリングの設計を向上させる。軟質という用語は、変動が少ない低レベルのトルクを提供するという点において使用される。ＮＶＨの点では、これらの材料は、トレランスリングにより連結される２つのはめ合い部品を他の性能領域を減らすことなく実質的に分離する。その結果、これらの設計は騒音および振動を大幅に低減する。

別の例では、ばね挙動を有する金属材料に接着剤および／またはプライマーが塗布され、エラストマ層と組み合わされて複合材料を形成する。金属には、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼または他の弾性金属を含んでもよい。エラストマ材料には、例えば、ニトリルゴム、ネオプレンゴム、シリコーンゴム、オレフィンエラストマ、ポリエーテル−／ポリエステル−エラストマ、エチレン−プロピレン−エラストマ、エチレン−アクリル系ゴムおよび／またはフルオロエラストマを含んでもよい。他の実施形態では、トレランスリングは、内部金属層および外部エラストマ層を含んでもよい。

他の実施形態では、摺動または低摩擦層が構造に追加される。これらの設計は公差補償要素の摺動特性を向上させる。例えば、低摩擦材料には、エラストマ層上のおよび／またはさらにはエラストマ層と逆側の金属面上のＰＴＦＥを含んでもよい。エラストマ層のように、低摩擦層もまた接着剤または接合剤でトレランスリングに接合されてもよい（例えば、金属またはエラストマ層のいずれか）。

さらに別の実施形態では、弾性金属層には低摩擦材料が積層される。金属表面には、その後、接着剤および／またはプライマーが塗布され、１つ以上のエラストマ層と組み合わされて複合材料を形成してもよい。他の組み合わせも可能である。

組成と製造方法の両方が従来の滑り軸受と異なり、また、従来のトレランスリングとも異なる。記載された実施形態によっていくつかの異なる機能が提供される。これらの実施形態は、さらなる公差補償を有する滑り軸受またはトレランスリングとして機能し、定義されたトルクをかけることができ、それらは改良された摩擦特性を有するトレランスリングとして機能する。従来の設計と比較すると、このトレランスリングの実施形態はより高い摺動特性を有し、軸受の実施形態はより高いばね特性および調整特性を有する。

この複合構造の実施形態の一般的な用途は、すきまのない、またはすきまを低減した用途の滑り軸受を生成するため、または低保持力を有するトレランスリングを生成するために使用されてもよい。低摩擦複合材がコーティングされたばねウェーブを使用することにより、ばね鋼から形成される金属芯はばねとして機能し、したがって、支え面と、例えば、シャフトとの間に公差調整を提供する。

低摩擦層は、シャフトまたは相手部品の機能的な面のみに係合してもよい。一方、それは両構成要素に係合してもよい、および／またははめ合い構成要素間に必要な保持力を提供してもよい。低摩擦層は、複合構造が滑り軸受として機能することを可能にする、または低摩擦材料の固有の低摩擦係数のために比較的低保持力を提供する。

トレランスリングは、ステアリングコラムロック機構のようなはめ合い構成要素間に使用される場合、（例えば、軸方向または回転方向の）摺動力制御を提供してもよい。トレランスリングは、しきい値トルクレベルに達すると構成要素間の回転を可能にすることにより過負荷を防止する。例えば、ステアリングコラムエネルギ吸収システムでは、軸力レベルに達するとトレランスリングが軸方向のすべりを発生させることを可能にする。

一般に、低い剛性を有するウェーブは低いトルクの軸受を生成し、扉のヒンジ用途のような高い剛性のウェーブはより高いトルクを発生させる。これらタイプの性能は、トレランスリングウェーブを、アセンブリの摩擦特性と組み合わせた場合に所望の摺動力レベルを生成する適正なレベルの半径方向力を発生させるばね特性を有するように設計することによって得られてもよい。

ウェーブばね特性の弾性／可塑性質はアセンブリの標準的な寸法公差全体にわたって生じる力変動を制限するために使用される。これは適度に一定な摺動力を維持する。力の操作はウェーブの幾何学的形状、材料厚さおよび硬さの設計により達成される。構成要素の寸法公差に対処するため、トレランスリングウェーブは、通常、ウェーブが設けられるすきまの公差を超える量だけ圧縮されるように設計される。

（ステアリングコラム調節機構のように）比較的低い摺動または回転力のレベルが必要とされる場合、またはトレランスリングがピボットブッシュとして機能する場合には制約がある。これらの用途では、力は一般に高すぎ、半径方向の剛性は低すぎる。最大力を制限するためにトレランスリングウェーブの剛性を低減することが可能であるが、これは低い半径方向荷重容量を有するアセンブリを生じるおそれがある。比較的低い剛性のウェーブを用いたとしても、生成される摺動力レベルは高すぎる場合がある。

他の実施形態では、低摩擦層は、例えば、ポリケトン、ポリアラミド、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリアミドイミド、超高分子重量ポリエチレン、熱可塑性フルオロポリマー、ポリアミド、ポリベンゾイミダゾールのようなポリマーまたはそのあらゆる組み合わせを含む材料を含んでもよい。

一例では、熱可塑性材料は、ポリケトン、ポリアラミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンスルホン、フルオロポリマー、ポリベンゾイミダゾール、その由来物またはその組み合わせを含む。特定の例では、熱可塑性材料は、ポリケトン、熱可塑性ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリアミドイミドのようなポリマー、その誘導体またはその組み合わせを含む。

さらなる例では、材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンのようなポリケトン、その誘導体またはその組み合わせを含む。フルオロポリマーの例には、弗素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ＰＴＦＥ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレンのターポリマー、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン（ＴＨＶ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）またはそのあらゆる組み合わせを含む。さらなる例では、熱可塑性ポリマーは超高分子重量ポリエチレンであってもよい。

強い力の用途では（例えば、オイルまたはグリースによる）滑り面の潤滑が使用されてもよい。例示的な固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、グラフェン、膨張黒鉛、窒化ホウ素、タルク、フッ化カルシウム、フッ化セリウム、またはそのあらゆる組み合わせからなってもよい。例示的なセラミックまたはミネラルは、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、フッ化カルシウム、窒化ホウ素、マイカ、珪灰石、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、カーボンブラック、ピグメントまたはそのあらゆる組み合わせを含む。

トレランスリング型のコアのばね特性を低摩擦複合材ベースの外部表面の低摩擦／潤滑特性と組み合わせるとより低い摩擦の摺動界面が提供される。この設計は、トレランスリングを、滑り軸受用途においてより高いトルクレベルで、かつ従来のトレランスリングにおいて可能なものよりも高い半径方向荷重強度および低い摺動力を有するより広いすきまで動作するように設計することを可能にする。

そのような実施形態の用途には、例えば、ラップトップコンピュータおよびセルラー式電話のような可搬式電子機器用のヒンジアセンブリを含む。これらの用途では、製品の寿命にわたって十分に定義されたトルクで低保持力を提供するヒンジ機構を必要とする。

従来の軸受は、低保持力ならびに十分に定義された初期トルクは提供する。しかしながら、本発明を使用すると、ばね鋼ウェーブのばね調整機能ならびに低摩擦層の低摩耗のためにトルク値を製品寿命にわたって比較的一定に維持することができる。対照的に、従来のトレランスリングは強固な保持力を提供するが高摩擦を生じる。

本明細書は、最良の態様を含む実例を使用し、また、当業者が本発明を活用できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含んでもよい。構成要素が特許請求の範囲に記載のものと相違ない場合、または特許請求の範囲に記載のものとそれほど相違ない同等の構成要素を含む場合、このような他の例は特許請求の範囲内であるものとする。

Claims (10)

1. 穴を有する外部構成要素と、
   内部構成要素であって、前記内部構成要素が前記外部構成要素と係合し、前記外部構成要素に対して可動可能となるように前記外部構成要素の前記穴内に取り付けられ、外部表面を有する内部構成要素と、
   前記内部構成要素と前記外部構成要素との間の前記穴内にあるリングであって、前記外部構成要素と前記内部構成要素との間において起伏し、前記外部構成要素の前記穴および前記内部構成要素の前記外部表面にそれぞれ接触する山部および谷部を有する複数のウェーブを有し、金属材料から形成される環状帯と、前記環状帯上のエラストマ層と、前記環状帯および前記エラストマ層のうちの少なくとも１つの上にある低摩擦層と、を含むリングと、
   を含むアセンブリ。
2. 穴を有する外部構成要素と、
   内部構成要素であって、前記内部構成要素が前記外部構成要素と係合し、前記外部構成要素に対して可動可能となるように前記外部構成要素の前記穴内に取り付けられ、外部表面を有する内部構成要素と、
   前記内部構成要素と前記外部構成要素との間の前記穴内にあるトレランスリングであって、前記外部構成要素と前記内部構成要素との間において起伏し、前記外部構成要素の前記穴および前記内部構成要素の前記外部表面にそれぞれ接触する山部および谷部を有する複数のウェーブを有し、金属材料から形成される環状帯と、前記環状帯上のエラストマ層と、前記環状帯および前記エラストマ層のうちの少なくとも１つの上にある低摩擦層と、をさらに含む、トレランスリングと、
   を含む、トレランスリングアセンブリ。
3. 穴を有する外部構成要素と、
   内部構成要素であって、前記内部構成要素が前記外部構成要素と係合し、前記外部構成要素に対して可動可能となるように前記外部構成要素の前記穴内に取り付けられ、外部表面を有する内部構成要素と、
   前記内部構成要素と前記外部構成要素との間の前記穴内にある軸受であって、前記外部構成要素と前記内部構成要素との間において起伏し、前記外部構成要素の前記穴および前記内部構成要素の前記外部表面にそれぞれ接触する山部および谷部を有する複数のウェーブを有し、金属材料から形成される環状帯と、前記環状帯上のエラストマ層と、前記環状帯および前記エラストマ層のうちの少なくとも１つの上にある低摩擦層と、前記環状帯と前記エラストマ層との間、および前記低摩擦層と前記環状帯および前記エラストマ層のうちの前記少なくとも１つとの間の接着層と、をさらに含む軸受と、
   を含む軸受アセンブリ。
4. 前記低摩擦層が前記環状帯の少なくとも１つの面に積層されている、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
5. 前記低摩擦層が前記エラストマ層と逆側の前記環状帯上にある、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
6. 前記低摩擦層が前記環状帯と逆側の前記エラストマ層上にある、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
7. 前記環状帯と前記エラストマ層の間、および前記低摩擦層と前記環状帯および前記エラストマ層の前記少なくとも１つの間の接着またはプライマー層をさらに含む、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
8. 前記環状帯がばね鋼から形成され、前記低摩擦層がＰＴＦＥを含む、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
9. 前記低摩擦層が前記環状帯または前記エラストマ層の１つに接合され、前記エラストマ層は、ニトリルゴム、オレフィンエラストマ材料、ポリエーテル−／ポリエステル−エラストマ材料、エチレン−プロピレン−エラストマ材料、エチレン−アクリル系ゴム、フルオロエラストマ材料の１つを含む、請求項１、２または３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
10. 前記リングが軸受またはトレランスリングのうちの１つである、請求項１に記載のアセンブリ。

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