TWI729431B

TWI729431B - 鉸接組件及包括此組件之機械系統

Info

Publication number: TWI729431B
Application number: TW108123772A
Authority: TW
Inventors: 法布里斯普羅斯特; 派瑞克帕瓦利爾
Original assignee: 法商Ｈｅｆ公司
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-06-01
Also published as: PT3794241T; RU2762085C1; KR20240005159A; DK4219967T3; ZA202100017B; KR20210028715A; DK3794241T3; EP4219967B1; CN112384708A; CA3105603A1; JP7472097B2; PT4219967T; PL3794241T3; HUE064108T2; AU2023226701A1; ES2964236T3; EP3794241A1; FR3083835A1; AU2019300410B2; EP3794241B1

Abstract

本發明關於具有一自由度的鉸接組件(1)，其包括至少二同心環(10、20)彼此相對而可繞著中心軸線來旋轉移動，其間界定摩擦介面(40)並且包括：外環(10)，其具有內摩擦表面(12)；以及內環(20)，其具有外摩擦表面(22)和內摩擦表面(24)，而用來接收由組件(1)導引成旋轉、振盪和∕或平移的可移動件。

Description

鉸接組件及包括此組件之機械系統

本發明關於鉸接組件，其包括至少二同心環，可彼此相對移動並且其間界定摩擦介面。本發明也關於包括此種組件的機械系統。

本發明的領域是導引件，其以連續或往復式運動來提供在平移或旋轉時的導引功能。

傳統上，此種導引件包括環，其設計安裝成能夠鉸接和/或位移例如軸或軸桿的元件。

實務上，此種機械系統受到顯著的操作應力：高壓、腐蝕、磨耗、衝擊。為了改善其服務壽命，潤滑設於環和軸之間。

環可以設有作為滑脂儲槽的配置，舉例而言如申請人的歐洲專利第0987456號、WO2014091123號和WO2014091124號所述。

當機械系統在操作時，滑脂逐漸從配置冒出以便潤滑環和軸之間的摩擦介面。因此，配置有可能僅在組裝期間來實施潤滑，或者替代選擇而言以長時間來潤滑。

申請人在導引件的領域很專業，並且持續尋求改善既有的系統。

本發明的目的是提供一種鉸接組件，尤其具有優異的抗磨耗和抗卡死性，並且改善服務壽命。

為此，本發明關於具有一自由度的鉸接組件，其包括至少二同心環彼此相對而可繞著中心軸線來旋轉移動，其間界定摩擦介面並且包括：外環，其具有內摩擦表面；以及內環，其具有外摩擦表面和內摩擦表面，而用來接收由組件導引成旋轉、振盪和/或平移的可移動件。

因此，本發明有可能提供耐用、緊湊、易於實施的組件。相較於由單一環所組成並且具有類似尺寸和體積的組件，本組件具有改善的服務壽命。

組件具有三摩擦表面，其形成三磨耗表面。相較於由具有單一內部摩擦表面之單一環所構成的組件，根據本發明之組件的服務壽命應為三倍。令人訝異而言，實驗顯露其服務壽命至少是五倍。

於單一鉸接環的情形，磨耗典型而言侷限在 1/3圓周上延伸的扇形區。於本發明的情形，內環相關於外環來旋轉，這大大增加了潛在的磨耗表面，因而增加組件的服務壽命。

實務上，可以看到二環之間的摩擦介面優先發生。相對的摩擦表面進行主磨耗表面的功能。當此介面卡住時，內環的內摩擦表面接手成磨耗表面。

有利而言，組件具有三摩擦表面，其可以設有表面處理或塗佈和/或能夠儲備潤滑劑的配置。因此，本發明在組件的設計上提供更大的控制，而有可能將其抗磨耗性調適於每一應用。

根據本發明其他有利的特徵，以下單獨或組合考慮：侷限摩擦介面的摩擦表面是圓柱形。

侷限摩擦介面的摩擦表面稍微彎曲。每個摩擦表面的絕對彎曲半徑乃嚴格大於所考慮之摩擦介面的半徑。

在環之間的摩擦介面接收潤滑劑。組件包括密封元件，其設計成避免潤滑劑從摩擦介面洩漏。

潤滑劑是滑脂。

組件包括側元件，其限制內環相關於外環的軸向和角度移動。

密封元件包括在摩擦介面之第一側上的凸緣和在摩擦介面之第二側上的肩部。

密封元件包括在摩擦介面之每一側上的凸緣。

密封元件在摩擦介面的每一側上包括墊圈，其插置在一方面是內環、另一方面是凸緣或肩部之間。

墊圈是在聚四氟乙烯(PTFE)中。

至少一摩擦表面包括表面處理或塗佈，其所具有的物理性質異於環的基底材料。

表面處理或塗佈是多層或單層。

塗佈藉由物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)所產生。

塗佈藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)所產生。

塗佈藉由熱噴塗所產生。

塗佈藉由冷噴塗所產生。

塗佈是以粉末形式來噴塗。

塗佈是以液滴形式來噴塗。

塗佈藉由熱噴塗高速羥燃料(high velocity oxy fuel，HVOF)所產生。

塗佈藉由雷射披覆所產生。

塗佈是抗卡死的。

塗佈包括類鑽碳(diamond-like carbon，DLC)型非晶形碳所製成的外層，尤其厚度在1和5微米之間，舉例而言為3微米。

塗佈包括自我潤滑之複合物所製成的外層，尤其基於樹脂和/或編織或非編織的強化物，其舉例而言包括PTFE、MoS₂或石墨型填料。

塗佈包括聚合漆。

處理是氮化，並且摩擦表面具有化合層(氧化物塗佈)，其尤其具有在5和50微米之間(舉例而言為20微米)的厚度。

處理是在0.5和4毫米之間(舉例而言為2毫米)的厚度上硬化。

至少一摩擦表面包括能夠儲備潤滑劑的配置。

配置包括圓形或泡洞截面的凹穴。

凹穴是巨觀凹穴，每一者具有在2和15毫米之間(舉例而言為6毫米)的直徑。

凹穴是微觀凹穴，每一者具有在15和100微米之間的較大長度和在50奈米和100微米之間的深度。

配置包括圓形或螺旋形溝槽。

配置包括格網。

配置包括V形凹槽。

同一表面可以包括幾種不同類型或僅一種的配置。

配置具有在5和65%之間的表面密度，表面密度乃界定成配置所覆蓋的總面積與包括這些配置之該區域的總面積之間的比例。

每個摩擦表面包括物理性質異於環之基底材料的表面處理或塗佈和/或能夠作為儲備潤滑劑的配置。

至少一摩擦表面同時包括物理性質異於環之基底材料的表面處理或塗佈以及能夠儲備潤滑劑的配置。

外環和/或內環是金屬，舉例而言為鋼、鑄鐵、鋁、銅合金...等。

外環和/或內環是由複合材料所製成。

組件僅包括二同心環，而摩擦介面直接界定在外環的內摩擦表面和內環的外摩擦表面之間。

鉸接組件包括至少三同心環。

鉸接組件包括三環，三環之間界定了單一摩擦介面。換言之，二環舉例而言藉由結合、焊接或任何其他技術而彼此附接。

中間環是自我潤滑的。更特定而言，中間環的外摩擦表面和/或內摩擦表面是自我潤滑的。

中間環包括織帶和包含填料之樹脂的纏繞物，其以實施均質產品的方式而混合，條帶則藉由細絲纏繞而在幾層上交叉。

鉸接組件包括三環，每對環之間界定了摩擦介面。換言之，三環可彼此相對移動。

中間環是金屬。

中間環由複合材料所製成。

鉸接組件包括四或更多個環。

本發明也關於機械系統，其包括：上述的鉸接組件；以及可移動件，其由組件導引成旋轉、振盪和/或平移。

機械系統包括四摩擦表面，亦即軸的外表面和鉸接組件的三表面。相較於安裝於一環內的軸，大大改善了機械系統的服務壽命。

1:鉸接組件

2:軸、可移動件

4:外圓柱形表面

10:外環、環

12:內圓柱形摩擦表面

14:外圓柱形軸承表面

16:外層、塗佈

18:配置

20:內環、環

22:外圓柱形摩擦表面

24:內圓柱形摩擦表面

26:外層、塗佈

28:配置

30:環

32:摩擦表面

34:摩擦表面

40:第一摩擦介面

42:槽孔

50:第二摩擦介面

60:密封元件

62:凸緣、側向件、元件

64:肩部、側向件、元件

66:墊圈、側向件、元件

67:溝槽

68:墊圈、側向件、元件

L:潤滑劑

X1:中心軸線

在閱讀以下僅以非限制範例所給出的敘述並且參考附圖時，將更好理解本發明，其中：圖1是根據本發明之機械系統的立體分解圖，其包括軸和由二環及密封元件所構成的鉸接組件；圖2是圖1之組件的側視圖；圖3是圖1之組件的立體圖；圖4是沿著圖2之線IV-IV的截面；圖5是圖4之細節V的較大尺度圖；圖6是根據本發明之另一機械系統的立體分解圖，其包括軸和鉸接組件的變化例；圖7到10是針對圖6之組件而類似於圖2到5的圖；圖11和12是針對組件之另一變化例而類似於圖4和5的圖，其包括三環而於其間界定二摩擦介面；以及圖13和14是針對組件之另一變化例而類似於圖4和5的圖，其包括三環而於其間界定單一摩擦介面。

於圖1到5，顯示的是根據本發明的機械系統，其包括亦根據本發明的鉸接組件1以及安裝在組件1內的軸(可移動件)2。軸2由鉸接組件1導引成旋轉(在一方向上樞轉，經常可做幾轉)、振盪(在二交替方向上樞轉，一般而言是一轉的一部分)和/或平移(在軸向上移動)。

鉸接組件1包括二同心環10和20，其彼此相對而可繞著中心軸線X1來旋轉移動。二環10和20其間界定摩擦介面40，其接收潤滑劑L，較佳而言為滑脂。

二環10和20包括外環10和內環20。外環10具有內圓柱形摩擦表面12和外圓柱形軸承表面14。內環20具有外圓柱形摩擦表面22和內圓柱形摩擦表面24。

表面12和22在其間徑向於中心軸線X1而界定摩擦介面40。表面14設為將外環10安裝在搪孔內。槽孔42徑向配置成穿過表面12和14之間的環10，以便潤滑介面40。表面24設為接收軸2，更精確而言是軸2的外圓柱形表面4。因此，軸2由組件1導引成旋轉、振盪和/或平移。

組件1包括密封元件60，其設計成避免潤滑劑L從摩擦介面40洩漏。組件1因此組成了密封的潤滑結構。這大大便於環10和20之間的相對旋轉，並且減少了卡住的風險。

密封元件60包括側向件62、64、66、68(即凸緣62、肩部64、墊圈66及墊圈68)，其限制內環20相關於外環10的軸向位移。更特定而言，密封元件60包括在介面40之第一側上的凸緣62和墊圈66，以及包括在摩擦介面40之第二側上的肩部64和墊圈68。元件62、64、66、68(即凸緣62、肩部64、墊圈66及墊圈68)是環狀且置中在軸線X1上。肩部64是環10的一部分。元件62、66、68(即凸緣62、墊圈66及墊圈68)則與環10和20分開。墊圈68安裝在環10裡所形成的溝槽67內而靠著肩部64。元件62和66(即凸緣62及墊圈66)安裝在為此目的而設於環10裡的外殼內而相對於肩部64。

替代選擇而言，密封元件60可以包括二可移除的凸緣，其安裝在組件1的相對側上。

組件1是非接頭，換言之它不構成球形關節。組裝好的組件1僅具有一自由度，亦即繞著中心軸線X1的環10和20之間的樞轉連接。環10和20彼此相對而可繞著軸線X1來自由移動，但不可根據其他自由度而以平移和旋轉來自由移動。

摩擦表面12和22可以是圓柱形。

替代選擇而言，表面12和22可以稍微彎曲。換言之，表面12和22是迴轉表面，而具有圓形截面和橢圓或拋物線的母面。每個表面12和22的曲率(考慮在包括軸線X1的徑向平面)所具有的半徑總是大於摩擦介面40的半徑(考慮在橫向於軸線X1的平面)。

較佳而言，至少一摩擦表面12/22/24包括表面處理或塗佈，其所具有的物理性質異於對應環10/20的基底材料。

更佳而言，至少一摩擦表面12/22/24包括能夠儲備潤滑劑L的配置。

仍較佳而言，每個摩擦表面12/22/24包括表面處理或塗佈，其所具有的物理性質異於環10/20的基底材料；以及/或者包括能夠儲備潤滑劑L的配置。

以非限制性範例來說：環10和20是由鋼所製成；表面12受到氮化處理並且具有氮化鋼所製成的外層( 塗佈)16，其具有厚度20微米左右的化合層(氧化物塗佈)；表面12包括呈圓形截面凹穴形式的配置18，其繞著中心軸線X1均勻分布，而能夠在環10和20之間的介面40儲備潤滑劑L；表面22塗佈了厚度等級在3微米之DLC型非晶形碳的外層(塗佈)26，而有或無次層(其舉例而言由鉻或氮化鉻所組成)；以及表面24包括呈圓形溝槽形式的配置28，其繞著中心軸線X1並且沿著中心軸線X1規律隔開，而能夠在環20和軸2之間的介面儲備潤滑劑L。

本發明有可能提供耐用、緊湊、易於實施的鉸接組件。相較於由單一環所組成並且具有類似尺寸和體積的組件，包括二環10和20的組件1具有改善的服務壽命。

於單一鉸接環的情形，磨耗典型而言侷限在1/3圓周上延伸的扇形區。於本發明的情形，內環20相關於外環10來旋轉，這大大增加了潛在的磨耗表面，因而增加組件的服務壽命。

實務上，可以看到二環10和20之間的摩擦介面40優先發生。相對摩擦表面12和22進行主磨耗表面的功能。當此介面40卡住時，內環20接觸軸2之表面4的內摩擦表面24接手成磨耗表面。

組件1具有三摩擦表面12、22、24，其形成三磨耗表面，而可以設有處理、塗佈和/或配置。因此，本發明在組件1的設計上提供較大的控制，而有可能將其抗磨耗性調適於每一應用。

機械系統包括四摩擦表面，亦即軸2的外表面4和組件1的三表面12、22、24。相較於安裝在單一環內的軸，大大改善了機械系統的服務壽命。

根據本發明之鉸接組件1的其他具體態樣顯示於圖6到14。形成組件1之一部分的某些元件相當於上述的第一具體態樣，並且為了簡化而帶有相同的參考數字。

圖6到10顯示根據本發明的另一機械系統，其包括組件1的變化例和安裝在組件1內的軸2。摩擦表面12/22/24缺乏表面處理或塗佈以及儲備潤滑劑L的配置。密封元件60包括在介面40之相對側上的凸緣62和肩部64。因此，組件1在製造上要比第一具體態樣更簡單且較不昂貴。儘管沒有處理、塗佈或配置，但相較於由單一環所組成並且具有類似尺寸和體積的組件，包括二環10和20的組件1具有改善的服務壽命。

圖11和12顯示鉸接組件1的變化例，其包括可彼此相對移動的三同心環10、20、30。環30位在環10和20之間。第一摩擦介面40界定在環10和30之間。第二摩擦介面50界定在環20和30之間。組件1具有五摩擦表面12、22、24、32、34，其形成五磨耗表面，而可以設有處理、塗佈和/或配置。

圖13和14顯示鉸接組件1的變化例，其包括三同心環10、20、30。環30位在環10和20之間。環20和30可彼此相對移動，並且其間界定摩擦介面50。環30舉例而言藉由結合而附接到環10。環30可以由織帶和包含填料之樹脂的纏繞物所組成，其以實施均質環的方式來混合，織帶則藉由細絲纏繞而在幾層上交叉。組件1具有三摩擦表面22、24、32，其形成三磨耗表面，而可以設有處理、塗佈和/或配置。

實務上，鉸接組件1可以異於圖1到14來建構，而不超出本發明的範圍。再者，上述多種具體態樣的技術特徵可以彼此整個或部分地組合。因此，組件1可以就成本、功能和表現而言來調適。

下面表1~5顯示一系列測試，其有可能比較二參考環(接收軸的單一環)和本發明的不同具體態樣。

一系列測試的結果允許觀察如下：

C-BH1組件完成的循環數目等同於B1環的4.6倍。

C-BH2組件完成的循環數目等同於B2環的3.6倍。

C-BH3組件完成的循環數目等同於B2環的4倍。

C-BH4組件完成的循環數目等同於B2環的4.6倍。

針對C-BH5組件所進行的測試在500000個循環自願停止。其服務壽命遠高於B2環。

因此，本發明有可能提供耐用、緊湊、易於實施的鉸接組件1。相較於由單一環所組成並且具有類似尺寸和體積的組件，包括幾個環的組件1具有改善的服務壽命。

1‧‧‧鉸接組件

10‧‧‧外環

12‧‧‧內圓柱形摩擦表面

14‧‧‧外圓柱形軸承表面

20‧‧‧內環

22‧‧‧外圓柱形摩擦表面

24‧‧‧內圓柱形摩擦表面

40‧‧‧第一摩擦介面

42‧‧‧槽孔

X1‧‧‧中心軸線

Claims

一種具有一自由度的鉸接組件(1)，其包括至少二同心環(10、20；10、20、30)彼此相對而可繞著中心軸線(X1)旋轉，其間界定摩擦介面(40；40、50)並且包括：外環(10)，其具有內摩擦表面(12)，以及內環(20)，其具有外摩擦表面(22)和內摩擦表面(24)，而用來接收由該組件(1)導引成旋轉、振盪和/或平移的可移動件(2)，其中在該環(10、20；10、20、30)之間的該摩擦介面(40；40、50)接收潤滑劑(L)，並且該組件(1)包括密封元件(60)，其設計成避免潤滑劑(L)從該摩擦介面(40)洩漏。
根據申請專利範圍第1項的鉸接組件(1)，其中它包括元件(62、64、66、68)，其限制該內環(20)相關於該外環(10)的軸向和角度位移。
根據申請專利範圍第1項的鉸接組件(1)，其中該摩擦表面(12；22；24)中的至少一者包括表面處理或塗佈(16；26)，其具有異於該環(10；20；30)之基底材料的物理性質。
根據申請專利範圍第1項的鉸接組件(1)，其中該摩擦表面(12；22；24)中的至少一者包括配置(18；28)，其能夠儲備潤滑劑(L)。
根據申請專利範圍第1項的鉸接組件(1)，其中每個摩擦表面(12；22；24)包括物理性質異於該環(10；20；30)之基底材料的表面處理或塗佈(16；26)和/或能夠儲備潤滑劑(L)的配置(18；28)。
根據申請專利範圍第1項的鉸接組件(1)，其中該外環(10)和該內環(20)是金屬。
根據申請專利範圍第1至6項中任一項的鉸接組件(1)，其中它僅包括二同心環(10、20)，該摩擦介面(40)直接界定在該外環(10)的該內摩擦表面(12)和該內環(20)的該外摩擦表面(22)之間。
根據申請專利範圍第1至6項中任一項的鉸接組件(1)，其中它包括至少三同心環(10、20、30)。
一種機械系統，其包括：根據申請專利範圍第1至8項中任一項的鉸接組件(1)；以及可移動件(2)，其由該組件(1)導引成旋轉、振盪和/或平移。